Выбор переменного тока вместо постоянного для электроснабжения домохозяйств — это комплексный результат, основанный на эффективности передачи электроэнергии, совместимости оборудования и историческом развитии технологий. Основная идея заключается в том, «как передавать электроэнергию с удалённых электростанций в тысячи домохозяйств с низкими затратами и потерями».

1. Основным преимуществом переменного тока является эффективная реализация передачи электроэнергии на большие расстояния.

Существует естественный географический разрыв между производством и потреблением электроэнергии: крупные электростанции (например, гидро- и теплоэлектростанции) часто строятся в богатых ресурсами районах или вдали от городов, и им необходимо передавать электроэнергию на сотни, а то и тысячи километров в жилые районы. При этом, при прохождении тока по линии электропередачи, возникают тепловые потери из-за сопротивления проводов (согласно закону Джоуля: потери пропорциональны квадрату силы тока). Если не контролировать потери, большое количество электроэнергии будет теряться при передаче, что приведёт к резкому росту затрат на электроснабжение.

Основная ценность переменного тока заключается в его способности легко достигать «повышения и понижения напряжения» с помощью трансформаторов (устройств с простой конструкцией, низкой стоимостью и без движущихся частей):

• Повышение мощности электростанции: Напряжение переменного тока, вырабатываемое электростанцией, составляет около 12 000 В и сначала повышается до 115 кВ, 230 кВ или даже 765 кВ с помощью повышающего трансформатора. Согласно формуле мощности, при условии постоянной полной мощности увеличение напряжения значительно снижает ток, тем самым уменьшая тепловые потери линии электропередачи (например, при увеличении напряжения в 10 раз и снижении тока до 1/10 потери составят всего 1/100 от исходного), а конечные потери при передаче могут контролироваться в пределах 5%.

• Снижение напряжения перед вводом в дом: После того, как электроэнергия поступает в город, ее напряжение сначала понижается примерно до 12 кВ с помощью понижающего трансформатора подстанции, который используется для местного распределения в пределах города. Наконец, напряжение дополнительно понижается до безопасных бытовых стандартов (например, 120 В в Северной Америке и 230 В в Китае/Европе) с помощью небольших трансформаторов, расположенных в жилых районах или на улицах, чтобы избежать опасности высокого напряжения для здоровья людей и бытовых приборов.

С другой стороныПостоянный ток, благодаря постоянному напряжению и направлению тока, не может генерировать изменяющееся магнитное поле, а принцип работы трансформаторов основан на «изменении магнитных полей, создающих напряжение», поэтому постоянный ток не может обеспечить повышение и понижение напряжения через обычные трансформаторы. При принудительном использовании постоянного тока передача возможна только при низком напряжении и высоком токе, что приводит к чрезвычайно высоким потерям в линии (например, потери в линии постоянного тока длиной 100 км могут превышать 50%), что вынуждает строить электростанции вблизи потребителей (обычно в пределах 1 мили), что не может удовлетворить масштабные потребности городов в электроснабжении.

2. Естественная совместимость кондиционера и бытовой техники.

В повседневной жизни бытовая техника (от крупных приборов до небольших устройств) в основном использует привод переменного тока или же более подходит для питания от сети переменного тока. Эта совместимость обусловлена ​​характеристиками и преимуществами переменного тока с точки зрения стоимости производства:

• Подходит для основных типов двигателей: Холодильники, стиральные машины, кондиционеры, вытяжки и другая крупная бытовая техника, в которых асинхронные двигатели переменного тока являются основным силовым компонентом. Этот тип двигателей отличается простой конструкцией (без уязвимых компонентов, таких как коммутаторы), низкой частотой отказов, контролируемой стоимостью и может напрямую использовать переменные характеристики переменного тока для обеспечения самозапуска без необходимости использования дополнительных электронных компонентов управления. Двигатели постоянного тока (например, ранние коллекторные двигатели постоянного тока) требуют механических коммутаторов для переключения направления тока, которые подвержены износу и имеют короткий срок службы. Даже современные бесколлекторные двигатели постоянного тока требуют для своей работы сложных контроллеров и исторически обходились гораздо дороже, чем двигатели переменного тока.

• Совместимо с отопительным и осветительным оборудованием: Оборудование для резистивного нагрева, такое как электрические плиты, водонагреватели и электрообогреватели, теоретически совместимо с переменным и постоянным током (ток, проходящий через резисторы, будет генерировать тепло), однако, поскольку переменный ток является единым стандартом электросети, для такого оборудования не требуются дополнительные преобразователи переменного тока в постоянный, что может значительно снизить производственные затраты и частоту отказов. Ранние лампы накаливания, а позднее и люминесцентные лампы также можно напрямую подключать к сети переменного тока. Хотя современные светодиодные светильники, по сути, работают на постоянном токе, для адаптации к бытовому переменному току без изменения архитектуры электросети достаточно установить небольшой выпрямитель (очень недорогой).

3. «Война электрического тока» установила доминирующее положение переменного тока в конце XIX века, непосредственно определив, что переменный ток стал мировым стандартом для бытовой электроэнергии.

За этим последовало практическое соревнование двух технологических маршрутов:

• Ограничения решения Эдисона для постоянного тока: Изобретатель Эдисон изначально продвигал системы электроснабжения постоянного тока и построил первые электростанции постоянного тока в Нью-Йорке. Однако, как упоминалось ранее, постоянный ток не может передаваться на большие расстояния, а радиус его действия ограничен одной милей вокруг электростанции. Чтобы избежать потерь, требуются толстые провода (что дорого) и не может удовлетворить потребности городского развития.

• Прорывное решение Tesla для переменного тока: Физик Тесла изобрел многофазную систему переменного тока и асинхронный двигатель переменного тока, решив основные проблемы передачи и применения переменного тока. Предприниматель Westinghouse Electric взял на вооружение этот проект и успешно использовал переменный ток для электроснабжения Всемирной выставки в Чикаго 1893 года (зажглись десятки тысяч лампочек), а затем построил систему передачи переменного тока для Ниагарской гидроэлектростанции (снабжавшей электроэнергией Буффало, расположенный в 35 километрах). Эти примеры демонстрируют масштабируемость переменного тока, полностью превосходя решения на основе постоянного тока и укрепляя его позиции в качестве мирового поставщика электроэнергии для домохозяйств.

4. Граница применения современных источников постоянного тока: по-прежнему используется сеть переменного тока.

В настоящее время постоянный ток широко используется в солнечной энергетике, аккумуляторных батареях и электронных устройствах, однако он не вытеснил основной вид переменного тока в бытовом использовании.

• Преобразование постоянного тока в переменный из возобновляемых источников энергии: Солнечные панели напрямую генерируют постоянный ток, а бытовые аккумуляторные батареи также хранят постоянный ток, но эту электроэнергию необходимо преобразовать в переменный ток с помощью «инверторов», прежде чем ее можно будет подключить к бытовой электросети для питания бытовых приборов, — по сути, все еще полагаясь на единый стандарт переменного тока.

• Дополнение к постоянному току высокого напряжения (HVDC): Современные сверхдальние линии электропередачи (например, трансграничные электросети, морские ветровые электростанции и суша) используют постоянный ток высокого напряжения (с меньшими потерями, чем переменный ток), но после того, как электроэнергия достигает городской распределительной сети, ее все равно необходимо преобразовать в переменный ток, прежде чем ее можно будет использовать в домохозяйствах.

Короче говоря, современное применение постоянного тока является дополнением к электросети переменного тока, а не его заменой — основные потребности домохозяйств в электричестве (передача электроэнергии на большие расстояния, низкая стоимость, совместимость с несколькими устройствами) по-прежнему прекрасно удовлетворяются переменным током.