ACとDCについての初心者の質問(特に家庭用)


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ここ米国では、電力網はACです。ACは、より少ない距離でより長い距離で電力を伝送できると聞いています。しかし、ソーラーパネルの登場により、DC電力を直接生成し、この方法で家に電力を供給することができるように思われます。関連する大きな距離はありません。

なぜこれが行われないのですか?私の知る限り、ソーラーパネルは主要な電力網にフィードバックします。これは、おそらく何らかの損失でDCをACに変換することを意味します。DCを使用して家全体に電力を供給できますか?日当たりの良い場所に住んでいて、十分な屋根スペースがあると仮定して、すべて(冷蔵庫のエアコンなど)に電力を供給できますか?DCで動作するすべての新しいアプライアンスが必要だと思いますか?

エネルギーに依存しないようにするために支払うことは小さな価格のように思えます。既存の家のワイヤーを再利用できますか?これは聞いたことがないので、大きな障害があると思います。なぜそれが悪いアイデアであるか、不可能であるか、または単に行われていないのかについて、誰かが素人に説明してもらえますか?


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ACは本質的に損失の少ない伝送を可能にしませんが、高電圧は可能です。ACは、1900年代のテクノロジーを使用すると、非常に簡単に高電圧に変換できます。彼らが当時と同じくらい簡単にDC電圧を変えることができれば、私たちの送電網はDCであった可能性があります。
whatsisname 2014

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ちなみに、これは1880年代の大争いで、現在戦争と呼ばれていました。ACが勝った。電話ネットワークはDC電力を分配することにも注意してください。
フォトン2014

多くの電気自動車やハイブリッド車(DCバッテリーに依存)がACモーターを使用していることを知って驚くかもしれません。
nispio 2014

回答:


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それは不可能ではありません、それはただより複雑で高価です。家の中はすべてACで動作するように設計されています。多くの小型製品はDCを採用していますが、ACアダプターが付属しています。これは、ほとんどどこでも継続的で安価な電力を利用できる唯一の電源だからです。必要な電圧は、デバイスごとに異なる場合があります。DC電源の標準に最も近いのは、おそらくUSB 5.0Vです。これは、小さなガジェットに十分な電流を提供するだけで、それ以上のものは提供しません。

ソーラーパネルで動く家の仕組みは、おおよそ次のとおりです。ソーラーパネルからバッテリーチャージャー、バッテリー、DC-ACインバーター、壁のコンセント、さらにグリッドに余分なエネルギーを供給する場合は別の電源レギュレーターとメーター。これは要件ではありません。家電製品が電池で動くように設計されていれば、家の電池から無秩序な直流で直接電力を供給できますが、ほとんどはそうではありません。家に配電する前にバッテリー電圧を調整する必要がある場合、実際に行うのはDC-ACインバーターをDC-DCレギュレーターに交換することだけです。

DCアプライアンスの市場の規模が小さいため(現時点では)、ACユニットよりも見つけるのが難しく、おそらく高価です。ほぼすべての家の屋根に太陽光発電が設置されている時期が来れば、購入もメンテナンスも簡単です。

配線の再利用に関しては、ワイヤは単なる銅のストリップであり、ACまたはDCのどちらを配置しても問題ありません。低電圧のために、より多くの電流をワイヤに流す必要があった場合は、より太いワイヤ、配線ボックスのさまざまな安全機能、より高い定格のヒューズなどが必要になることがあります。コンセントに別のプラグが必要なので、DCを提供しているコンセントにACデバイスを差し込むのを間違えたことがありません。

全体として、家の電気システム全体を消化して再構築し、すべての新しい電化製品を購入し、さらに各部屋に小型のDC-ACインバーターを必要とするよりも、バッテリーにDC-ACインバーターを置く方が安価で簡単です。 DCから実行するために再購入できないデバイス-現在のところ、ほとんどすべてのガジェットです。ACインバーターは、過去100年間の電気機器との「下位互換性」を提供すると考えるかもしれません。


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初心者がこれまで読んだことがあるなら、「SMPS」を定義するのに役立つかもしれません—それはスイッチモード電源です。UPS(無停電電源装置)と同様に、ほぼすべての(99.99 ...%)デスクトップコンピューターに1つ含まれています。

[PS:これは私のSEへの最初の投稿です。私は歴史と周辺に関連するトピックに夢中になっていることを認めなければなりません。帯電したとして有罪?]

内部では、SMPSは整流器を使用して入力ACをDCに変換し、高周波*インバーターに電力を供給します。(インバーターはDCをACに変換します。)そのインバーターのACは、同じ定格の60 Hzトランスよりも著しく小さい(おそらく10%大きい)小さなトランスに給電します。トランスは、整流器を介して複数の2次巻線から必要なDC電圧を提供します。ある意味では、オルタネーター、ファン、その他のアクセサリーに異なる速度を提供する車のエンジンのドライブベルトと大きく異なりません。*少なくとも25 kHz、おそらくその数倍。

安全上の注意:インバータに給電するDCは約300 V程度であり、入力ACの瞬時電圧がピークにないか、ピークに近い間、ミリ秒の間エネルギーを蓄積する大きなコンデンサによって滑らかになります。電源コードを抜いた後も充電されたままになる可能性があり、危険で、致命的なショックの危険があります。

インバータは、従来のパワートランジスタである半導体を使用して、高周波でDCを完全にオンまたは完全にオフにすばやく切り替えます。オンにすると、これらの半導体は非常に効率が良くなり、熱として少しだけ電力を失います。オフにすると、さらに良くなります。切り替え中の移行は迅速ですが、優れたエンジニアリングが必要です。これが「スイッチモード」の部分です。(はい、スイッチのタイミングを提供する発振器があります。)

太陽光発電設備の一部であるインバーターは、地域の周波数でACを提供します。世界の多くと日本の一部では50 Hz、北米、日本のその他の地域では60 Hz、そしてほとんど(すべてではないにしても)中央南米諸国。

昔、将来の家庭用および小規模オフィスの電力は、320 V(かなり可能性の高いDC、IIRC)と、24または32 Vのような2つの電圧であるという提案がありました。高電圧は、大量の電力を必要とするデバイス用です。

地方電化局の前は、32ボルトDCが小さな風力タービンと共に一般的でした。商標としてWincharger™をお試しください。

長い高電圧AC送電線は、おそらく静電容量と抵抗のために、かなりの損失があります。ただし、高電圧DCラインは損失がはるかに低くなります。フランスには、絶縁発電機とモーターを直列に接続した先駆的なHVDCリンクが1つありましたが、特にインバーターの開発には、おそらく数十年かかりました。数百メガワットのメガボルトDCを確実にACに変換することは、アマチュア向けではありません。

電源と関連履歴

これは本当に誤称です。彼らは本当にパワーコンバーターです。電力は、タービンによって回転されるユーティリティグリッドの発電機から供給されます。1920年代初頭には、すべてのラジオ受信機に電池、A電池(通常は自動車用電池、すべて6 V)、およびB電池(非充電式、22½Vおよびその倍数、最大135 V)が使用されていました。C電池が存在していましたが、しかし、どうやら半永久に続いた。これらの自動車用バッテリーは、以前から封鎖/バルブ制御タイプであり、希硫酸は居間の床や敷物に不親切でした。充電は厄介でした。Bバッテリーは多くの1.5 V亜鉛炭素電池で構成されており、そのコストはそれほど大きくありませんでした。

当時、家庭用ユーティリティ電源は非常に一般的になりつつあり、家庭用電源からラジオを実行することが本当に必要でした。当初、バッテリーを交換するためのデバイスが仕事をし、それらを「電源」、「バッテリーエリミネーター」とも呼ばれていました。この用語は、無線技術者の趣向を捉えたものであり、それ以来、ACライン/メインからDCへのコンバーターに使用され続けています。

関連メモ:

110(120?)ボルトが米国のDCユーティリティサービスの標準となる前は、初期のユーティリティDCの範囲は50〜500 Vでした。駆動ベルトがいくつか使用されました。アンティークのファンコレクターは、初期の電気モーターの歴史を保存します。*初期のファンメーカーがオンラインで再現した広告は、その範囲の電圧を提供していました。

ユーティリティDC電源がすぐに消えませんでした。ニューヨーク市では、1960年以降、少なくとも1つのホテルの宴会場に110 V DCが供給されました(DCエレベータードライブは現在でも存在する可能性があります)。オーディオエンジニアリングソサエティは、1960年代初頭にニューヨーカーホテルで年次大会の展示会を開催しました。展示が最初にセットアップされたとき、デバイスが接続されてスイッチがオンになった直後に、それらは死んでいるように見えましたが、それらの電源トランスとモーターは過熱していました。一部はひどく損傷している可能性があります。ACのみのデバイスにDCを供給しても、ブレーカーが落ちたりヒューズが飛んだりしないようです。

ご推察通り!壁のコンセントはDCとしてマークされておらず、3線式安全接地の前に私たち全員が持っていた標準のペアのスロットがありました。

何十年も前、テスターを使用して電源がACかDCかをチェックするのが一般的でした。そのようなテスターの中には、いくらかのイオン塩で処理された極性試験紙がありました。DCは1本のワイヤーだけで色を作成しました。リード線が取り付けられた小さなネオン電球タイプがあり、現在もそうです。負極のみが光ります。

これに加えて、デバイスはACまたはDCで使用できると宣伝されました。とりわけ、掃除機やコード付き電気ドリルなどのノイズの多い高速モーターが注目に値します。これらのモーターには、カーボン「ブラシ」、整流子、およびマグネットワイヤーが巻かれたローターがあります。基本的に、それらは積層されたフィールドコアとローターの周りのわずかに広いエアギャップを備えたDCモーターです。同様に、第二次世界大戦前の無線、特にユビキタス5管は、DCで正常に動作しました。DCで明らかに「死んでいる」場合、電源プラグを逆にします。

トロリーカー用の最も初期のモーターは、すべてDCであり、整流子に接触するために銅(合金?)ワイヤーブラシを使用していました。それらはうまくいかなかったので、カーボンブロックが代わりになりました。元の名前にこだわりました。

どうやら、多くの光スイッチは回転式でした。つまみを回すと、ばねが巻かれ、4分の1回転すると、機構が接点を突然外し、アークを壊します。(ブローアウトマグネットはありませんか?)商標として「Ark-Les」™を試してください。おそらく、これがライトの "オン/オフ"と言う理由ですが、スイッチソケット付きのデスクライトとテーブルライトには、回転ノブが付いている場合があります。

ユビキタスアップ/ダウンレバータイプのルームライト用の古い壁スイッチは、操作すると独特のスナップを作りました。それは単にDCアークを破壊するためだったに違いありません。私のふさわしい。両方の種類があります

マサチューセッツ州では、バスルームの照明スイッチを部屋のドアの外に置く必要がありました。(私の世話は、1957年に建てられました。)おそらく、回転式スイッチの取り外し可能なカバーが常に忠実に交換されなかったためか、人々は感電死しました。

実際、感電保護の歴史は改善を続けてきました。かなり初期の扇風機の1つに露出した接続部があり、カバーなしで上部に大きくて長い可融性リンクのように見えました。

今日でも、家庭や小規模オフィスの回路用のアーク障害遮断器はまれです(かなり高価です)。大量の電力が処理される業界や公益事業では、アークフラッシュは深刻な危険を冒しており、深刻に受け止められています。

しばらく前に、私は通常の西半球の電源コードプラグの突起の端にある穴の説明に出くわしました。初期の壁のコンセントには鉄合金のばねがありませんでしたが、最終的な腐食のために疑いはありません。当時の非鉄のばね合金は明らかに気性を失い、実際に失われ、プラグが脱落していました!良好な接触を維持できない場合、出口の接点のくぼみが穴とかみ合い、少なくともフォールアウトに対処しました。

本当に初期の電化製品は、私たちの電球と同じように、雄ネジ山で終わる電源コードを持っていました。

これらの気晴らしがマナー違反の場合は、お詫び申し上げます。


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家のDCに給電できますが、ほとんどのデバイスがACからDCに整流する一方で、AC入力用に設計されているという問題が残っています。これが、インバーターが必要な理由です。たとえそれが失われても、設計されたものを電子機器に供給します。それでも、あなたが話すグリッドタイインソーラーシステムは、グリッドの電力を高めるのを助けるだけです。グリッドから完全に分離するには、かなりのソーラーパネルとバッファリング(バッテリー)が必要です。それでも、必要に応じてグリッドから動的にプルできるのとは対照的に、容量はセットアップに制限されます。より多くの意見に基づいて、私はそれがトラブルの価値があるとは思わないでしょう、そしてあなたは多くの利益を逃します。たとえば、人口の50%が太陽光パネルを手に入れているが、電力需要を個別に満たすのに十分ではないとします。しかしながら、グリッドタイインベースのセットアップとインバーターとともに、それらは発電会社自体の負荷を減らすことができます。ただし、現在の配線規格でのDCの安全性についても疑問に思います。多分、経験豊富な人が参加するかもしれませんが、ACは常にピーク電圧ではない(0Vに戻る)ため、多少の冷却ヘッドルームが得られます。一方、DCは一定です。


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定格220 VのSMPS電源AC電子デバイスに、DC 310 Vでリスクなしで電力を供給できると思います。
Cornelius 14

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高電圧DCの問題の1つは、切り替えが難しいことです。スイッチとリレーは、(一般的に)高度にディレーティングされる必要があります。ACの場合、ゼロクロッシングは新しく開いた接点間のアークを消しますが、DCの場合、アークは継続して接点を損傷または破壊する可能性があります。
DoxyLover 2014

@DiegoCNascimento-Nevermind-どういうわけか、Corneliusの元のコメントを読んで、私は「SMPS」を完全にスキップして、彼が一般に線間電圧機器について話していると思った。以前のコメントを削除します。
DoxyLover 2014

@Corneliusなぜ220V DCではないのですか?
user253751

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あなたはこれを行うことができます。アプライアンスがDCを使用するように構築されている場合。彼らはそうではありません。住宅はAC用に配線されているため、アプライアンスメーカーはACを使用するように設計および構築します。それがあなたを後押ししている主なものです。

AC電源がどのように見えるかについては、世界のさまざまな地域で標準があり(例:米国では120ボルト@ 60 Hz、ヨーロッパでは220ボルト@ 50 Hz)、電球、掃除機、テレビ、コンピューターなどがあります。それらの標準に製造された。私の知る限り、DCには国際的に認められた標準はありません。エルゴ、DC配電を使用するアプライアンスを探して頑張ってください。12ボルトDCを使用する車両がいくつかありますが、これは車両やボートで使用するためのものですが、かなり制限されています。

私は長い間、500ボルトDCの家に配線し、必要なものを何でも作り出すことができるポイントオブユースインバーターがあると理想的だと思っていました。500ボルトでは、既存の負荷に同じ配線を使用できます(ワイヤーの断面積によってアンペアが制限されます。特定の負荷に対して電圧が高い=アンペアが低いため、ワイヤーは以前と同じように処理できます)。500 VDCは、私が知っている電気自動車の急速充電の最大仕様でもあります。

500 VDCを家に供給する場合、PWM回路、IGBT、およびHブリッジで、353ボルト未満の任意のAC電圧に変換できます。家全体ではなく、1つのプラグインで使用時にACを作成する場合、そのためのコンポーネントははるかに小規模で安価になる可能性があります。はい、これらの1つまたは2つを各ソケットに配置することになります。これにより、総コストが増加します。しかし、ヨーロッパ向けランプの隣に米国向けステレオを接続することは可能です(またはその逆)。または、ソケット内のそのデバイスのバリエーションは、DC-> AC->を電源ブリックで再びDCに変換せずに、ラップトップ、フラットスクリーンテレビなどに必要なDCを直接供給することができます。間違いなく、高電圧DCを低電圧DCに変換することは、そのプロセスよりも効率的です。そして「効率的」

数年前、私は通常の120 VAC @ 60 Hz(米国)と48 VDCで家を二重配線した誰かの記事を読んでいました。彼はオフグリッドで、定期的に負荷を追加し、新しい大容量インバーター、バッテリー、ソーラーパネルへの投資を避けようとしていました。彼は他のDCデバイス用に抵抗器ベースのシンプルな降圧コンバーターを入手できるため、48 VDCを選択しました。彼の留守番電話は、ACに接続された「壁のいぼ」の代わりに、降圧されたDCを使い果たしました。彼のラップトップのための同上。彼のモーション検知セキュリティライトは両方を使用しました。モーション検出器は降圧されたDCに配線され(そう、彼はケースをクラックして自分で修正しなければなりませんでした)、照明はACを使用していました。さまざまなものをDCに切り替えるのは効率がよく、既存のバッテリーパックが大幅に長持ちし、既存のインバーターとソーラーアレイを使い続けることができました。結果のシステムは、より複雑ではありましたが、より効率的でした。これはあなたが尋ねているようなもののように聞こえます。

このインフラストラクチャがすべて構築され始めたとき、AC用の昇圧/降圧変圧器を作るのが簡単だったので、住宅はACを使用します。少なくとも1人が「戦争の流れ」に言及しています。WestinghouseとTesla(ACの支持者)がEdison(DCの支持者)に勝ったのは、AC電圧のステップアップ/ダウンが容易なため、いくつかの発電所を建設し、高電圧の電力をすべてに分配するのが効率的で比較的安価だったためです。ユースポイントに近い使用可能なレベルまで下げます。DCは、電力を非常に局所的に生成する必要がありました。これは、電力の増減が難しいためです。当時、DCをステップアップするということは、低電圧モーターが高電圧発電機を回すことを意味していました。当時は、半導体ベースのソリッドステートスイッチングはありませんでした。


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私が何かを誤解した場合、私を許してください。ただし、PWM自体はインバーターを作成しません。PWMは正弦波のDC波形を作成できますが、AC波形は作成しません。ただし、SMPSのほとんどのチョッパー回路と同様に、少なくともコイル/誘導の飽和を防ぎ、電源の最初のステージにトランスを備えたアイテムが適切に機能できるようにします。
ジャロッドクリスト

使用時点で必要な回路について少し明確にして、私の答えを更新しました。いい?
Meower68 2014

ああ、わかりました。人々に間違った考えを知られたくないだけです。
ジャロッドクリスト

@JarrodChristmanただし、2つ(または3つ)の位相のずれた正弦波がACを構成します。
Chris Stratton、2014

ああ、私のポイントは、彼の元の投稿がPWM DC信号からACを取得できるように聞こえたということでした...追加の回路なしではゼロ交差がないため(ただし、気がついて)。PWM DCは、誘導コンポーネントの飽和を防ぐために必要な変動電流を提供しますが、厳密には、ACではありません。
ジャロッドクリスト

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SMPSについては、変更を加えないと、DCでの実行に問題が発生する可能性があります。

DC BUS整流器。2つのダイオード(フルブリッジ整流器を考慮)のみが導通します。それらの寸法が近い場合(安全マージンがない場合)、問題が発生する可能性があります。(このためには、DCをDCバスに直接配線するか、より高電流のダイオードと交換します)。

PFC。PFCの実装方法によっては、これが問題になることがあります。一部のコントローラーは、デバイスの電流波形を比較および修正するために、電流の正弦波表現を作成するためにゼロクロッシングを期待していました。この場合、ブーストタイプのPFCを使用すると、DCバスの電圧が高くなるため、これを解決することは可能ですが、変更せずにDCをデバイスに供給するほど簡単ではありません。

他のものについては、位相角制御によってデバイスに適用される電力を制御するいくつかのデバイスがあります。DCの下では、それらは単純なラッチになります。


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ACにより、より少ない距離でより長い距離で電力を伝送できます

厳密には、熱損失は高電圧で伝送することによって最小限に抑えられます。一般に、加熱損失は電流の2乗に抵抗を掛けたものに比例するため、安価な導体と長距離を可能にします。

...ソーラーパネル... [w]なぜこれが行われないのですか?

家に電力を供給するのに十分なソーラーパネルを購入して維持する価格を調べます。

DCを使用して家全体に電力を供給できますか?

はい。ほとんどのデジタルアプライアンスはDCで正常に動作します。冷蔵庫や洗濯機などの電化製品は、タイマーとACモーターを実行するためにACを必要とします。

既存の家のワイヤーを再利用できますか?

はい、銅は銅です。

それははるかに高価であるため、これは行われません。ただし、長期的には投資収益率があります。


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一部の最新のアプライアンスは、3相BLDCモーターを使用し、HV DCバスを備えているため、原則として、最小限の変更でHV DCから動作できます。
Spehro Pefhany 2014

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1990年代初頭(米国)に初めて太陽光発電住宅の調査を始めたとき、物事は流動的な状態にありました。

物事の古い方法は、質問者が示唆したとおりでした。家を12Vライト、12V冷蔵庫などで12Vで運転しました。家庭内の伝送効率を高めるために、12Vではなく24Vを推奨する人もいました。私は12Vがより一般的でした。なぜなら、12Vの自動車用バッテリーで電源を切るものの市場がすでにあったからです。

しかし、インバーターはより効率的で安価になりつつあったため、より近代的なアドバイス(1990年代初頭)は、インバーターを入手して標準の照明や電化製品などを使用することでした。非標準でより高価な12V電化製品にお金を費やす代わりに、追加のPVパネルを購入します。


パネルとインバーターのコストを支配するインストールのコストに向かっています。インバーターを取り除くことは大きなコスト削減ではありません。 energy.gov/articles/…–
マットB.

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こんにちは:家で使用するワイヤーのサイズを決定するとき、2つの考慮事項があります(1)ワイヤーの電流容量定格は、それが運ぶ最大電流より大きくなければなりません。これにより、ワイヤに過負荷がかかった場合に十分な電流が流れてブレーカーが溶断します。(2)ワイヤのサイズは、最大負荷での電圧降下が2%未満になるように十分大きくする必要があります。

12 VDCで家に配線しようとすると、120 AC 15アンペア回路から得られる電力と同じ量の電力を伝送するためにバスバー(直径が十分に大きい電線を購入することはできません)が必要になります。低電流負荷にしか電力を供給しない場合でも、銅のコストは非常に高くなります。

しかし、太陽電池パネルから家に電力を供給することは、バッテリーのコストのために経済的に意味がありません。電力会社の商用インバータを使用して、電力をACグリッドにポンプで戻すだけの方がはるかに優れています。この場合でも、ほとんどのインバーターはパネルに非常に近く、240 VACを出力して、パネルから家の最も近い240 VACコンセントに電力を供給するための銅コストを最小限に抑えます。

Kill-A-Wattを通過した後、120 VACコンセントに接続された小型インバーターを駆動する200Wの太陽電池パネルがあるので、それがどれだけの電力を生成しているかを確認できます。パネルは目的ではないので、60ワットを取得することは夏の日のピークです。


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他の多くの答えには同意しません。アプライアンスが高度になるほど、バスレベル(米国では150-170V)のDC電圧について話している限り、より簡単に提案を実装できます。私たちが使用するほとんどすべてがDCで実行されているので、とにかく電力変換が行われています-幸いなことに、ほとんどすべての比較的新しいアプライアンスはAC-DC変換にSMPSを使用しています。これらのパワーコンバーターは、DC入力を受け入れることに問題はありません(入力を最初に処理するのは、とにかくDCに整流するためです)。注意が必要な唯一の電化製品は、大きな電気モーターを備えたものです-多くの新しい電化製品は、DCで動作するコントローラーによって駆動されるBLDCおよび3相モーターを使用しますが。また、トランス入力を備えたもの(ハイファイステレオレシーバーと考えてください)では、DCでの実行に問題が発生します。これらのアプライアンスの場合、

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