Elektřina se na základě způsobu toku dělí na dva typy: stejnosměrný a střídavý proud. V angličtině se pro stejnosměrný proud akceptuje označení DC (Direct Current), pro střídavý proud AC (Alternating Current). Jak je patrné z anglických názvů, stejnosměrný proud teče pouze jedním směrem a nemění se lineárně, střídavý proud teče ve střídavých směrech.
Jak se liší elektrické proudy?
Asi nejznámější stejnosměrný proud je suchá baterie a nejznámější střídavý proud je domácí zásuvka, kterou každý z nás denně používá.
Co je stejnosměrný proud? Zjednodušeně řečeno pro tzv. „figuríny“ je to typ elektřiny, která vždy proudí určitým směrem, jako řeka. Jedná se o tok elektřiny z baterií a solárních panelů.
Na druhou stranu střídavý proud je druh elektřiny, ve kterém se kladné a záporné náboje vždy cyklicky přepínají a podle toho se také neustále mění směr toku elektřiny. Střídavý elektrický proud je generován generátory. Elektřina vyrobená v elektrárnách je také dodávána spotřebitelům ve formě střídavého proudu.
Zdroj stejnosměrného proudu vždy udržuje konstantní elektrické napětí. Čím delší jsou suché články a baterie, tím více se vybíjejí a jejich napěťová rezerva se snižuje, ale směr napětí zůstává nezměněn.
Zdroj střídavého proudu poskytuje elektrické napětí, které se v určitém cyklu mění z kladného na záporné.
Rozdíl mezi střídavým a stejnosměrným proudem demonstrují grafy na obrázku níže.
Stejnosměrný ani střídavý proud se nijak nepředčí, každý typ má své kladné i záporné stránky. V závislosti na účelu použití elektřiny a zařízení se vybere zdroj proudu, který nejlépe odpovídá požadavkům. Stejnosměrný i střídavý elektrický proud mají svůj vlastní rozsah.
Klady a zápory stejnosměrného proudu
Při DC proudí veškerá elektřina zátěží, protože proud teče vždy stejným směrem. Nevzniká tedy jalový výkon, energie je efektivně využívána. Další výhodou stejnosměrného proudu je, že jej lze akumulovat pomocí baterií, akumulátorů a kondenzátorů.
U střídavého proudu, pokud je v obvodu zařazen kondenzátor nebo cívka, dojde ke zpoždění nebo předstihu proudu procházejícího zátěží ve vztahu k chování napětí. Jednodušeji řečeno, reaktance se v těchto složkách vyvíjí při průchodu střídavého proudu. Výsledkem je, že ne všechna síla zařízení je vynaložena na užitečnou práci, část z nich, která se nazývá reaktivní, se zbytečně pohybuje mezi zátěží a generátorem.
Jalový výkon se snaží udržet na minimu. Jeho přítomnost se často používá jako hlavní argument při pokusu vysvětlit, jaké výhody má střídavý proud oproti stejnosměrnému.
Je třeba poznamenat, že stejnosměrný proud má určité nevýhody. Jedním z nich je složitost přerušení. Protože stejnosměrný proud je vždy konstantní elektrické napětí, mohou v okamžiku přerušení nastat problémy jako jiskření (jiskření) a riziko úrazu elektrickým proudem v okolí.
V případě střídavého elektrického proudu se elektrické napětí krátce sníží na nulu, když se přepne z kladného na záporné nebo z záporného na kladné. Pokud je elektrické napětí nasměrováno na nízkou úroveň, může být elektrický proud přerušen bezpečněji než při konstantním elektrickém napětí.
Stejnosměrné i střídavé napětí je často nutné zvýšit nebo snížit. Převod proměnné se provádí snadno a přirozeně pomocí transformátorů. Chcete-li to provést s konstantou, musíte ji nejprve převést na proměnnou a poté zpět na konstantu, ale s jinými parametry. V důsledku toho je zařízení pro konverzi stejnosměrného napětí větší a dražší než pro střídavé napětí.
Další nevýhodou stejnosměrného proudu je, že podzemní potrubí používané k přenosu elektřiny podléhá silné korozi. Protože elektřina proudí vždy stejným směrem jako konstantní proud, elektrostatická indukce a elektrolytická koroze způsobují poškození přenosového zařízení.
Proto můžeme zdůraznit následující výhody stejnosměrného proudu:
- Žádný předstih nebo zpoždění v elektrickém obvodu.
- Negeneruje se jalový výkon.
- Schopnost skladovat elektřinu.
Po rozhodnutí o výhodách je třeba mezi nevýhodami poznamenat:
- Obtížnost přerušení elektrického proudu.
- Složitost převodu napětí.
- Silný účinek elektrolytické koroze.
Běžné domácnosti používají střídavý proud, zatímco elektronická zařízení jako počítače, televize používají stejnosměrný proud. Střídavý proud potřebný pro provoz takového zařízení ze zásuvky v bytě se převádí na stejnosměrný proud pomocí kondenzátoru nebo podobného zařízení. V datových centrech se však prosazují stejnosměrné napájecí zdroje, aby se snížily ztráty při přeměně AC na DC.
Výhody a nevýhody AC
Jak střídavý, tak stejnosměrný proud vysokého výkonu nelze získat přímo v blízkosti spotřebičů. Ten může být umístěn ve vzdálenosti mnoha stovek a dokonce tisíců kilometrů od zařízení, které generuje elektrický proud. Je efektivnější přenášet elektřinu na velké vzdálenosti při velmi vysokém napětí. Přenos pomocí nízkého napětí vede k poměrně působivým ztrátám výkonu. To je způsobeno skutečností, že když elektřina protéká dráty, uvolňuje se teplo a teplo je energie, která jde ven, takže se jedná o ztrátu výkonu.
Pokud je například potřeba 3000 W (wattů) elektřiny, pak při napětí 100 V by měl být proud 30 A (ampérů) a při napětí 1000 V pouze 3 A. Jinými slovy, pokud je napětí zvětší 10krát, velikost elektrického proudu se zmenší 10krát . Ztrátu výkonu lze zjistit pomocí nejjednoduššího vzorce:
Jak vidíte, ztráty výkonu s poklesem napětí o faktor deset se sníží stokrát. To je hlavní důvod, proč je přenos elektřiny na velké vzdálenosti realizován vedením vysokého napětí. Toto napětí samozřejmě nelze použít v domácnostech a kancelářích. Proto se snižuje pomocí transformátorů. Na rozdíl od stejnosměrného proudu se střídavý proud mnohem snadněji převádí, takže se lépe hodí pro napájení infrastruktury.
Dalším rozdílem mezi střídavým a stejnosměrným proudem je to, že střídavý proud je mnohem snazší přerušit. Rozdíl spočívá v tom, že při použití střídavého napětí na polaritě nezáleží. Například při připojení k elektrické zásuvce nikdo nepřemýšlí o plusu nebo mínusu rychlovarné konvice nebo chladničky.
Na druhé straně střídavý proud vyžaduje vyšší elektrické napětí, než je cílové elektrické napětí pro použité elektrické zařízení, protože hodnota napětí se neustále mění a jsou chvíle, kdy napětí klesne na nulu. Průběh střídavého napětí je sinusový a maximální napětí je √2násobek aktuální hodnoty. Izolační charakteristiky a specifikace zařízení musí být vyšší než efektivní hodnota.
Další odlišnou vlastností střídavého proudu je to, že je silně ovlivňován cívkami a kondenzátory. Generují napětí, které způsobuje tok proudu v opačném směru, což vede nebo zpožďuje proud v obvodu.
Výhodou střídavého proudu je tedy:
- Možnost výhodnější dopravy.
- Jednodušší proces konverze.
- Snadné odpojení od napájení.
- Není třeba se obávat pro a proti.
Hlavní nevýhodou střídavého proudu je přítomnost jalového výkonu. Další nevýhodou je, že při průchodu elektrického proudu se nejedná o celý průřez vodiče, náboj je vytlačen na povrch. Z tohoto důvodu se oblast toku elektrického proudu zmenšuje, což přispívá ke zvýšení odporu samotného vodiče a také ke ztrátám výkonu v něm.
Systém napájení se stává ještě efektivnější při použití třífázového střídavého proudu. Grafem takového elektrického proudu jsou tři vlny, posunuté vůči sobě o 120 stupňů.
K přenosu třífázové elektřiny je potřeba méně vodičů než k přenosu jednofázové elektřiny stejného výkonu. Třífázové transformátory jsou menší než jednofázové. Konstrukce třífázových asynchronních elektromotorů nepočítá se sestavou kolektor-kartáč. Tato okolnost výrazně snižuje náklady spojené jak s výrobou, tak s provozem motorů. Díky absenci sestavy kolektor-kartáč vyvinou elektromotory výkon mnohonásobně větší než výkon stejnosměrných motorů.
