На пръв поглед изглежда че в целия свят победител е променливият ток. Всъщност това не е така и постоянния ток не само се завръща, но и претендира да бъде победител. Инвестициите във възобновяеми източници на електрическа енергия и трансграничното прехвърляне на електричество направиха високоволтовите мрежи за постоянен ток като никога актуални. Нека да се спрем малко по-подробно, как е станало така, че постоянният ток е отстъпил на променливия и как един век след голямата „Война на токовете“ (AC/DC) постоянният ток се реваншира.
Нека да напомним и подчертаем, че постоянният ток е основата на съвременното технологично общество. Цялата полупроводникова електроника, работеща от мрежата или от акумулаторни батерии използва постоянен ток, с негова помощ се извършва добива на чист алуминий, магнезий, мед и други полезни елементи. В бордовата мрежа на автомобилите също се използва постоянен ток, да не говорим за трамваите, метрото и другите подобни, които също се захранват с постоянен ток. Космосът също – на практика всички космически сонди, сателити и други обекти от подобен род използват постоянен ток от слънчеви батерии, акумулаторни батерии или от компактни атомни електроцентрали, най често радиоизотопни термоелектрически генератори.
Освен всичко това, има още една област, в която постоянният ток не че е незаменим, но е много по-ефективен от променливия ток – това са високоволтовите линии за прехвърляне на електричество с висока мощност. Високоволтовите линии за постоянен ток (HVDC, High-voltage direct current) още преди един век са били голямото спасение от високоволтовите линии с променлив ток (HVAC, High-voltage alternating current). Ако не бе постоянния ток, електричеството в нашите контакти щеше да бъде много по-скъпо и щеше да прекъсва много по-често, отколкото е сега. Да се задълбочим.
Иронията на съдбата на постоянния ток
За да разберем каква е иронията в ситуацията със завръщането на постоянния ток във високоволтовите електропроводи е необходимо да си спомним събитията от така наречената „Война на токовете“. Това е голямото сражение на апологетите в лицето на изобретателят и бизнесмен Томас Едисън от гледна точка на постоянния ток, а от друга – на Джордж Уестингхаус, твърд привърженик на променливия ток. Нека да си спомним по какъв начин постоянният ток загуби битката и не успя да стане гръбнакът на световното енергийно снабдяване.
След като човечеството подчини електричеството и се научи да го използва в промишлеността, по-далновидните бизнесмени моментално схванаха идеята, че с помощта на електрификация на градовете в една съвсем близка перспектива може да бъде натрупан не просто капитал, а фантастично финансово състояние. Навремето изобретателят Томас Едисън е умеел много добре да монетизира своя талант на изключителен иноватор и да печели не толкова от собствените си изобретения, колкото от усъвършенстването на вече съществуващи идеи. Един от тези примери е лампата с нажежаема жичка, която се появи в ръцете на Едисън благодарение на дъговите лампи с въглеродни електроди. Тези лампи наистина дават известна светлина, но не са подходящи като ежедневни източници за осветление. По това време въглеродните дъгови лампи работят най-много няколко часа, като освен това, те могат да бъдат включвани само веднъж – след това прегарят.
Усъвършенствайки конструкцията и създавайки своята знаменита лампа с нажежаема жичка, която в началото може да работи в продължение на 40 часа, а след някои промени и 1200 часа, Едисън осъзнава, че неговата лампа с нажежаема жичка може да стане основната на цялостното осветление на градовете и помещенията. Тя дава по-ярка светлина в сравнение със свещите и газовите фенери, по-евтина е, не пуши, не изгаря кислорода в помещенията и изисква много по-рядка замяна в сравнение с вездесъщите свещи. С производството на новите лампи се заема предприятието Edison Electric Light, а със генераторите за постоянен ток – компанията Edison General Electric. Продавайки лампите под тяхната себестойност, Едисън успява да завоюва осветителния пазар, а за първите редовни потребители започва да изгражда енергийни мрежи в Лондон и Ню Йорк.
Лампата с нажежаема жичка може да работи както с променлив, така и с постоянен ток, но Едисън избира постоянния ток. Причината за това решение е бизнесът. Едисън вижда в електричеството не само начин за евтино осветяване на градовете, но и възможност за бърза модернизация на промишлеността чрез използване на електрическа тяга и електрическо задвижване. Използваните по това време електродвигатели са работили единствено с постоянен ток и неговият избор изглежда съвсем естествен.
Освен това, за да се печели от електрическата енергия е било необходимо по някакъв начин да се измерва консумацията на всеки абонат. Едисън създава индивидуален брояч във вид на затворен съд с електролит и метална пластина, върху която под въздействието на преминаващия ток се натрупва мед. Всеки месец тази пластина се претегля и според разликата в теглото се изчислява консумацията на електрическа енергия. Този брояч работи само с постоянен ток.
По това време постоянният ток има някои нерешени проблеми, като главният от тях е невъзможността за прехвърляне на голяма мощност на сравнително големи разстояния – над два километра. За да се осигури необходимата голяма мощност за едно предприятие или за осветяването на цял град, е необходимо в електрическата мрежа да бъде увеличен или тока или напрежението, тъй като мощността е равна на произведението на напрежението и силата на тока. Произвежданите в САЩ електрически прибори работят от напрежение 110 V и затова електроцентралите на Едисън трябва да подават в мрежата именно 110 V.
В такъв случай остава да се управлява единствено силата на тока. Но при повишаването на тока част от електрическата енергия отива за нагряване на проводниците (с увеличението на напрежението подобен проблем няма). За намаляване на загубите и нагряването е необходимо да бъде намалявано съпротивлението, а това означава увеличаване диаметъра на проводника и използване на метали с много добра електрическа проводимост, като например мед. Но и в този случай загубите растат с увеличаване дължината на кабела.
За да се намали дължината на свързващия проводник до максимално допустимата, потребителите трябва да се намират не по-далече от километър и половина-два от електроцентралата, понеже в противен случай мощността в мрежата пада до неприемливи значения. Така например на 56 километровото трасе между френските градове Крей и Париж загубите достигат 45%. Едисън непрекъснато се бори със загубите в мрежите с постоянен ток, но така и не успява да реши този проблем. Единственият изход е изграждането на маломощни електроцентрали близо до потребителите. По това време този подход не се счита за екологически вреден и именно подобни станции започва да строи компанията на Едисън. Първата от тях е построена на Пърл Стрийт в Ню Йорк, което става през 1882 година. През същата година започва прокарването на подземни кабели за постоянен ток с напрежение 110 V.
Томас Едисън явно е осъзнал погрешността на своя подход, въпреки че никога не признава това публично. Той вижда как неговият конкурент в електрическия бизнес Джордж Уестингхаус започва да прави големи инвестиции в строителството на електроцентрали и мрежи за променлив ток, които имат сериозни преимущества пред мрежите с постоянен ток. Разбира се, това става благодарение на изобретените вече по това време трансформатори за променлив ток, който съвсем лесно повишават и понижават напрежението. Трансформаторите решават проблема с прехвърлянето на голяма мощност, понеже вместо да бъде увеличавана силата на тока е възможно просто да бъде увеличено напрежението, като по този начин вече не се налага използването на дебели проводници от скъпа мед.
По този начин електрическите мрежи на Уестингхаус са можели да прехвърлят много голяма електрическа мощност с помощта на евтини кабели с малък диаметър, при това на практика почти без загуби. Това се доказва от 175 километровия електропровод между германските градове Лауфен ам Некар и Франкфурт – неговият КПД достига 80,9 процента през 1891 година и след направената модернизация – 96%.
„Войната на токовете“ продължава с една некрасива пиар кампания на Едисън срещу променливия ток, показана във филма The Current War, по време на която срещу Уестинхаус се завеждат редица съдебни дела и се публикуват най-различни материали в тогавашните медии. Но така или иначе бизнесът на Едисън в областта на електрическата енергия започва да запада и неговата последна електроцентрала, генерираща постоянен ток, прекратява своята работа през 1891 година.
Постоянният ток спасява променливия
Интересно е, че само няколко години след началото на мащабното изграждане на електроцентрали и електропроводи за променлив ток изведнъж става ясно, че променливият ток има големи проблеми при прехвърлянето на електрическа енергия… на големи разстояния! Коронният разряд във електрическите далекопроводи с високо напрежение е причината за половината от загубите. Повърхностният ефект, заради които променливият ток протича предимно по повърхността на проводника, налага използването на проводници с по-голям диаметър. И още, реактивната мощност заради високото капацитивно съпротивление на подводните кабели, която само след 50 километра унищожава почти 100% от мощността на променливия ток – всички тези проблеми предизвикват огромни загуби на мощност в първите магистрални електропроводи.
Изтичанията на електроенергия при големи разстояния е само едната страна на проблема. Второ, обединяването на електропроводите и енергийните мрежи за променлив ток изисква идеална синхронизация на генераторите, разположени в различни части на една държава. Ако няма синхронизациям в най-добрия случай генераторът няма да може да подаде ток в енергийната мрежа, а в най-лошия – ще има късо съединение.
Спасението на далекопроводите за променлив ток станаха високоволтовите мрежи за постоянен ток, при които тези недостатъци липсват. Постоянният ток не създава повърхностен ефект в проводника и използва цялата площ на сечението на използваните проводници при максимална ефективност, а това намалява техния диаметър и цената на самите проводници. Във веригите за постоянен ток няма реактивна мощност, а това е много важно, понеже в този случай при подводните кабели с висок капацитет загуби няма.
Създава се една твърде странна ситуация: електроцентралите и потребителите използват променлив ток, но за неговия пренос на стотици километри се използват далекопроводи с постоянен ток. Остава да се реши един „съвсем дребен“ проблем – как да стане преобразуването на променливия ток в постоянен и след това на постоянния в променлив.
Край на първа част. Във втората част ще разгледаме технологиите и методите за преобразуването на променливия ток в постоянен и на постоянния в променлив в областта на силовата електроника и далекопроводите.