Электрическая сеть на основе устройств, подключенных последовательно, использующих постоянный ток, а не устройств, подключенных параллельно, использующих постоянное напряжение.

В общем, это был бы полный логистический кошмар по нескольким причинам. Если я придумаю дополнительные, я добавлю их, но навскидку я могу подумать о следующем:

1) Поскольку каждый отдельный прибор в сети подключен к единой петле, расстояние между проводниками, по которым течет ток, будет очень большим. Это означает целую кучу потраченной впустую энергии от резистивных потерь.

2) Если вы выполните уравнения Максвелла, вы обнаружите, что напряжение на клеммах генератора зависит от того, как быстро он вращается. Поддержание постоянного тока потребует изменения скорости вращения генератора в зависимости от нагрузки, что опять же является практическим кошмаром, поскольку намного проще спроектировать генератор для работы на стабильной частоте. Точно так же солнечные панели работают при фиксированном напряжении, как и большинство средств производства электроэнергии. Если вы возьмете курс электроники, вы увидите, что источники тока действительно довольно сложно реализовать, и (по крайней мере, насколько мне известно) в конечном итоге полагаются на источник напряжения, который управляет известным током, который затем отражается с помощью некоторой полупроводниковой магии. Короче говоря: источники напряжения просты, источники тока сложны.

3) С обычным напряжением работать легче, чем с обычным током, поскольку ток, требуемый различными электрическими устройствами, сильно различается. Теоретически вы могли бы обойти это, поставив трансформаторы в каждое устройство, но это было бы невероятно громоздко, дорого, а в некоторых случаях просто непрактично, поскольку коэффициенты обмотки должны были бы быть такими гигантскими.

4) Многие электрические устройства, особенно электроника, требуют постоянного тока, а не переменного тока. Но поскольку все устройства подключены последовательно, мы не можем выпрямить переменный ток для одного устройства, не сделав этого для всех устройств в цепи. Таким образом, нам либо не нужны устройства постоянного тока, либо нам нужно вставить инвертор после устройства постоянного тока, что снова добавляет много ненужных затрат и неэффективности.

5) Ваша форма защиты цепи в основном полагается на замыкающие выключатели, когда напряжение становится слишком высоким. Проблема в том, что создавать высоковольтные переключатели намного сложнее, чем низковольтные, так как вам нужно беспокоиться о том, что дуга изнашивает контакты. Для типичного дома у вас может быть падение напряжения на пару тысяч вольт (что, как указал Самуэль, является огромной проблемой безопасности), поэтому ваша защита от перенапряжения уже должна быть довольно мощной и дорогой. Для защиты больших участков сети требования к напряжению могут легко перейти в область функциональной невозможности.

6) См. отличный ответ Самуэля об абсурдных требованиях к напряжению питания.

7) Не слишком зацикливаться на повторителях цепи, так как я думаю, что это классная идея, но я также почти уверен, что они не смогут закрыться достаточно быстро, чтобы быть полезными. Вы сказали в комментариях, что время нарастания напряжения смягчается большой емкостью системы, но я не думаю, что это так:

Реактивные сопротивления других последовательно соединенных нагрузок не должны иметь значения, если ваш источник тока действительно является источником тока, поскольку он будет пропускать через них постоянный ток в любом случае. Если он значительно отличается от истинного источника тока, это вызовет проблемы, поскольку ваш стандартный ток всегда будет колебаться, поскольку в сети на мгновение создаются разомкнутые цепи.

Насколько я могу судить, шунтирующая емкость (то есть собственная емкость, образованная между проводами передачи) также не ограничила бы рост напряжения. Чтобы понять почему, взгляните на уравнения Телеграфа для линий передачи:

$$\frac{\partial V(x,t)}{\partial x}=-L\frac{\partial I(x,t)}{\partial t}-RI(x,t)$$ $$\frac{\partial I(x,t)}{\partial x}=-C\frac{\partial V(x,t)}{\partial t}$$ Где C — шунтирующая емкость на единицу длины, L — последовательная индуктивность на единицу длины, а R — последовательное сопротивление на единицу длины. Решение их для точных граничных условий было бы довольно сложным, но на самом деле это не обязательно, поскольку мою точку зрения можно доказать, просто взглянув на сами уравнения.

Теперь представьте, что у нас есть линия передачи, в которой создается разомкнутая цепь от x до x+l в момент времени t. Из второго уравнения$\frac{\partial V(x+l,t)}{\partial t}$может быть сколь угодно большим, указывая на то, что падение напряжения будет нарастать очень быстро. Чтобы понять почему, обратите внимание, что ток в точке x+l должен довольно быстро упасть с большого числа до нуля, поскольку в противном случае у вас будет дуга на разомкнутой цепи, что является Плохой вещью. Но из-за конечной скорости распространения волн тока, которую вы увидите, если решите эти уравнения для более простых граничных условий, ток сразу после x + l все равно будет ненулевым в момент времени t. Так,$\frac{\partial I(x+l,t)}{\partial x}$будет невероятно большим, и если вы разделите его на и без того маленькое C (которое обычно порядка$10^{-12} F/m$), ты увидишь$\frac{\partial V(x+l,t)}{\partial t}$можно сделать сколь угодно большим. Таким образом, шунтирующая емкость также не поможет вам смягчить рост напряжения в разомкнутой цепи.

Таким образом, единственная емкость, которая у нас осталась, — это крошечная последовательная емкость, образованная разрывом в самой линии, которая была бы порядка пикофарад. При силе источника тока в десятки ампер потребовалось бы всего несколько наносекунд, чтобы напряжение увеличилось до тысяч вольт. В мире нет переключателя, достаточно быстрого, чтобы закрыться, прежде чем ваша перегоревшая лампочка превратится в импровизированную дуговую печь.

Что касается вашего вопроса о том, будет ли электроника работать с постоянным током: это зависит, но, скорее всего, нет ., по крайней мере, со знакомой логикой оформления. Видите ли, большая часть логического дизайна зависит от предположения, что у вас есть шина высокого напряжения и шина низкого напряжения с множеством транзисторов и еще чем-то между ними. Возможно, вы сможете придумать способ реализации логики с использованием постоянного тока, но это было бы довольно чуждо любому из наших инженеров-электриков, рассматривающих это (я предполагаю, что он будет использовать биполярные транзисторы с управлением по току, а не более распространенные управляемые по напряжению). МОП-транзисторы, используемые в современной электронике). Кроме того, чтобы подчеркнуть пункт 3 выше, токи в интегральных схемах часто находятся в диапазоне пикоамперов, если только вы не пытаетесь спроектировать печь в форме компьютера. Это очень далеко от десятков ампер, необходимых для больших и мощных приборов.

Вы вряд ли сможете произвести достаточное напряжение.

Каждое устройство, которое вы подключаете последовательно, является еще одной нагрузкой. Каждая нагрузка рассеивает некоторую мощность, поскольку все это последовательно, это означает, что каждая нагрузка представляет собой падение напряжения. Для того, чтобы пропустить 120 ампер через последовательно соединенные приборы всей страны, вам потребуются миллионы и миллионы вольт. Вы бы быстро достигли диэлектрической прочности на пробой для всех известных материалов. Энергосистема будет дугой пересекать милю воздуха, а не проходить через все эти приборы.

Даже два прибора в вашем собственном доме могут иметь опасно разное напряжение. Встроенная проблема, такая как незаземленный переменный ток, но без простого решения.

Я предполагаю, что ваше предположение о симметрии исходит из эквивалентов Нортона/Тевенина. Но они действительно эквивалентны только на бумаге, да и то только в конкретных случаях. Если вы на самом деле построите схему Norton, она будет теплее, чем ее аналог Thévenin, потому что ее резистор постоянно рассеивает мощность.

Это демонстрирует другую проблему, с которой вы столкнетесь. Скажем, у меня есть сушилка для белья на 1200 Вт и нагреватель для кофейных чашек на 12 Вт. Осушитель будет падать на 10 В при 120 амперах, чтобы обеспечить номинальную мощность. Чтобы убедиться, что мой нагреватель кофейной чашки не сгорает последовательно, нужно сделать резистивный элемент 0,0008 Ом (да, 800 мкОм, около 1 фута медного провода 9 калибра).

Возможно, вы просто имеете в виду закон Ома для симметрии. Стоит отметить, что только потому, что есть уравнение, которое связывает два явления, такие как напряжение и ток (при фиксированном сопротивлении), они очень разные животные. Даже простое описание каждого из них делает это очевидным. Напряжение — это разность электрических потенциалов между двумя точками, а ток — это количество заряда, проходящего через поперечное сечение объема за заданное время. Нет оснований полагать, что вы можете обменять одну величину на другую в физической системе и ожидать, что ничего не изменится.

Невозможно сделать, если вы подключите значительное количество устройств, и здесь «значительное» означает «действительно низкое».

Забудьте на время о сетке и просто рассмотрите свой дом. Если все электроприборы, все в доме должно быть подключено последовательно, что произойдет со всей едой в вашем холодильнике, если кто-то забудет выключить свет, прежде чем идти на работу, и лампочка перегорит? А если вы живете в более холодном климате, то это еще и мощность вашей системы отопления, что зимой означает возможность промерзания дома, лопнувших труб и всяких других радостей.

А теперь немного поднимемся, а что бывает, когда у соседа перегорает лампочка, или у кого-то в нескольких сотнях километров? Я не вижу много клиентов для системы, в которой кто-то в Чикаго может серьезно повредить свой дом, потому что у кого-то в Детройте перегорела лампочка.

Более того, как определить, где проблема? В системе, которая у нас есть сейчас, если сеть выходит из строя, скажем, из-за шторма, вы можете поднять ее части, а те части, которые не работают, изолировать оставшиеся проблемы. Но как в системе из тысяч или миллионов устройств определить, какое из них вызвало сбой сети из-за разрыва цепи?

Редактировать

Один вопрос, отдельный от всего вышеперечисленного, заключается в том, как такая система развивается в первую очередь? Даже если люди смогут разработать сверхбыстрые (порядка наносекунд) переключатели, этого не произойдет — за исключением инопланетных космических летучих мышей — в течение довольно долгого времени после того, как люди разобрались с параллельными и последовательными электрическими системами и использовали их. Без этих сверхбыстрых коммутаторов с параллельными системами, использующими постоянное напряжение, намного проще иметь дело по всем причинам, указанным в других ответах, что будет так много инфраструктуры, что переход на более сложный не будет иметь никаких преимуществ. система с большим количеством точек отказа, требующая более сложной и дорогой проводки без каких-либо преимуществ.

Не сработает...

Потери внутри проводника пропорциональны R * I^2.

Следовательно, при прочих равных условиях (температура плавления изоляции и т. д.) сечение проводника, определяющее R, должно быть обратно пропорционально I^2.

Проблема № 1: Если бы в вашем доме была цепь «120 А» вместо «120 В», тогда все провода должны были бы быть рассчитаны на 120 А, что сделало бы их непрактично большими и дорогими. На самом деле все должно быть рассчитано на это, даже выключатели, фонарный шнур и т. д.

Здесь (Франция) средняя настенная розетка рассчитана на 230 В/16 А (т.е. номинальная мощность 3500 Вт). Так что давайте оставим провода на 16А, и источник постоянного тока тоже на 16А.

Если дом потребляет максимум 10кВт, то в сети будет 625В. Управляемый.

Однако он включен последовательно с соседними домами, если коммунальная служба не обеспечивает обмотку трансформатора для каждого абонента. Поскольку напряжения складываются, проводка потенциально будет на несколько кВ относительно защитного заземления. Следовательно:

Проблема №2: Небезопасное напряжение.

Проблема № 3: Трехфазные асинхронные двигатели будут проблемой. Это означает отсутствие промышленности.

Проблема №4: КПД при низких нагрузках будет катастрофическим. Скажем, зарядное устройство для мобильного телефона, рисующее 5 Вт = 0,32 В при 16 А. Потери в проводке больше не будут незначительными по сравнению с отдаваемой мощностью.

Есть ли что-то, о чем я не думаю, где эта симметрия нарушается, или причины, по которым сетевая электрическая сеть не может работать так?

Мало того, что ваш дизайн работает, мы постоянно используем его основу.

Я не собираюсь проводить здесь полный урок физики, вы можете легко найти все это, если у вас есть желание. Короткая версия заключается в том, что мы меняем напряжение, чтобы менять ток. Нельзя отделить одно от другого, потому что V = ri. Инвертируя напряжение, вы инвертируете ток, и наоборот . Способ подключения сетки этого не меняет.

Другой способ увидеть эту взаимосвязь — посмотреть на этот рисунок из Википедии :

Обратите внимание, что напряжение и ток представлены на одной и той же оси во всех случаях.

И последнее, но не менее важное: посмотрите на этикетку с данными о мощности любого устройства, и вы увидите в данных частоту, практически всегда 50 или 60 Гц. Это то, как быстро прибор ожидает изменения напряжения, чтобы он работал.