Red eléctrica basada en dispositivos en serie usando corrientes constantes, no dispositivos en paralelo usando voltajes constantes

Con todo, esto sería una pesadilla logística total, por múltiples razones. Si se me ocurren más, las agregaré, pero en mi cabeza puedo pensar en lo siguiente:

1) Dado que todos los aparatos de la red están conectados en un solo bucle, la distancia del conductor por el que fluye la corriente sería extremadamente larga. Esto significa un montón de energía desperdiciada por pérdidas resistivas.

2) Si ejecuta las ecuaciones de Maxwell, encontrará que el voltaje a través de las terminales de un generador depende de qué tan rápido se gire. Mantener una corriente constante requeriría cambiar la velocidad de rotación del generador según la carga, lo que nuevamente es una pesadilla práctica ya que es mucho más fácil diseñar el generador para que funcione a una frecuencia estable. Asimismo, los paneles solares funcionan a un voltaje fijo, al igual que la mayoría de los medios de generación de electricidad. Si toma una clase de electrónica, verá que las fuentes de corriente son realmente bastante difíciles de implementar y (que yo sepa al menos) en última instancia, dependen de una fuente de voltaje que impulsa una corriente conocida que luego se refleja usando algún semiconductor mágico. Para resumir: las fuentes de voltaje son fáciles, las fuentes de corriente son difíciles.

3) Es más fácil trabajar con un voltaje común que con una corriente común, ya que hay mucha variabilidad en la corriente requerida por diferentes dispositivos eléctricos. En teoría, podría evitar esto colocando transformadores en cada dispositivo, pero esto sería increíblemente voluminoso, costoso y, en algunos casos, simplemente poco práctico, ya que las relaciones de bobinado tendrían que ser muy gigantescas.

4) Muchos dispositivos eléctricos, especialmente los electrónicos, requieren CC en lugar de CA. Pero dado que todos los dispositivos están en serie, no podemos rectificar la CA de un dispositivo sin hacerlo para todos los dispositivos de la línea. Por lo tanto, no necesitamos dispositivos de CC o necesitamos insertar un inversor después del dispositivo de CC, lo que nuevamente agrega muchos costos e ineficiencias innecesarias.

5) Su forma de protección de circuito se basa fundamentalmente en cerrar los interruptores cuando el voltaje es demasiado alto. El problema es que construir interruptores de alto voltaje es mucho más difícil que los de bajo voltaje, ya que hay que preocuparse de que los arcos desgasten los contactos. Para una casa típica, es posible que tenga una caída de voltaje de un par de miles de voltios (que, como señaló Samuel, es una gran responsabilidad de seguridad), por lo que su protección contra sobretensiones ya tendría que ser bastante resistente y costosa. Para proteger porciones más grandes de la red, los requisitos de voltaje podrían pasar fácilmente al ámbito de la imposibilidad funcional.

6) Vea la gran respuesta de Samuel sobre los absurdos requisitos de voltaje de suministro.

7) No insistir demasiado en los seguidores del circuito, ya que creo que son una buena idea, pero también estoy bastante seguro de que no podrían cerrarse lo suficientemente rápido como para ser útiles. Usted dijo en los comentarios que el tiempo de aumento de voltaje se ve mitigado por la gran capacitancia del sistema, pero no creo que este sea el caso:

Las reactancias de otras cargas en serie no deberían importar si su fuente de corriente es realmente una fuente de corriente, ya que empujará una corriente constante a través de ellas independientemente. Si difiere significativamente de una fuente de corriente real, esto causará problemas ya que su corriente estándar siempre estará fluctuando a medida que se crean momentáneamente circuitos abiertos en la red.

La capacitancia de derivación (es decir, las capacitancias inherentes formadas entre los cables de transmisión) tampoco limitaría el aumento de voltaje, por lo que sé. Para ver por qué, eche un vistazo a las ecuaciones de Telegrapher para líneas de transmisión:

Ahora, imagina que tenemos una línea de transmisión donde se crea un circuito abierto desde x hasta x+l en el tiempo t. De la segunda ecuación,$\frac{\partial V(x+l,t)}{\partial t}$podría ser arbitrariamente grande, lo que indica que la caída de voltaje se acumularía muy rápidamente. Para ver por qué, tenga en cuenta que la corriente en x+l debería caer casi inmediatamente de un número grande a cero, ya que de lo contrario tendría un arco en el circuito abierto, lo cual es una mala cosa. Pero debido a la velocidad de propagación finita de las ondas de corriente que ves si resuelves esas ecuaciones para condiciones de contorno más simples, la corriente justo después de x+l seguirá siendo distinta de cero en el momento t. Asi que,$\frac{\partial I(x+l,t)}{\partial x}$será increíblemente grande, y cuando lo divides por la ya pequeña C (que suele ser del orden de$10^{-12} F/m$), ya verás$\frac{\partial V(x+l,t)}{\partial t}$puede hacerse arbitrariamente grande. Por lo tanto, la capacitancia de derivación tampoco lo ayuda a mitigar el aumento de voltaje en el circuito abierto.

Entonces, realmente la única capacitancia que nos queda es la pequeña capacitancia en serie formada por la ruptura en la línea misma, que sería del orden de picofaradios. Con la fuente de corriente impulsando decenas de amperios, solo tomaría nanosegundos para que el voltaje se acumulara a miles de voltios. No hay un interruptor en el mundo lo suficientemente rápido como para cerrarse antes de que su bombilla fundida se convierta en un horno de arco improvisado.

En cuanto a su pregunta sobre si la electrónica funcionaría con corriente constante: depende, pero lo más probable es que no, al menos con un diseño lógico familiar. Vea, la mayoría del diseño lógico depende de la suposición de que tiene un riel de alto voltaje y un riel de bajo voltaje con muchos transistores y todo eso en el medio. Es posible que pueda encontrar una forma de implementar la lógica usando corriente constante, pero sería bastante extraño para cualquiera de nuestros ingenieros eléctricos que lo vean (supongo que usaría BJT controlados por corriente en lugar de los BJT controlados por voltaje más frecuentes). MOSFET utilizados en la electrónica contemporánea). Además, para enfatizar el punto 3 anterior, las corrientes en los circuitos integrados a menudo están en el rango de los picoamperios, a menos que esté tratando de diseñar una estufa con forma de computadora. Esto está muy, muy lejos de las decenas de amperios necesarios para electrodomésticos grandes y potentes.

Es poco probable que pueda producir suficiente voltaje.

Cada dispositivo que conectas en serie es otra carga. Cada carga disipa algo de energía, ya que todo está en serie, lo que significa que cada carga representa una caída de voltaje. Para impulsar 120 amperios a través de los electrodomésticos de una nación en serie, necesitarías millones y millones de voltios. Alcanzará rápidamente la resistencia a la ruptura dieléctrica para todos los materiales conocidos. La red eléctrica atravesaría una milla de aire en lugar de pasar por todos esos aparatos.

Incluso dos electrodomésticos en su propia casa podrían tener voltajes peligrosamente diferentes. Un problema incorporado como CA sin conexión a tierra, pero sin una solución fácil.

Supongo que su suposición de las simetrías proviene de los equivalentes de Norton/Thévenin. Pero esos solo son verdaderamente equivalentes en papel e incluso entonces solo en casos específicos. Si realmente construye un circuito de Norton, será más cálido que su equivalente de Thévenin, porque su resistencia está disipando energía constantemente.

Esto demuestra el otro problema que tendrás. Digamos que tengo una secadora de ropa de 1200 W y un calentador de taza de café de 12 W. La secadora bajará 10 V, a 120 amperios para generar su salida nominal. Para asegurarme de que el calentador de mi taza de café no se queme en serie es hacer que el elemento resistivo sea de 0,0008 ohmios (sí, 800 microohmios, aproximadamente 1 pie de cable de cobre de calibre 9 ).

Quizás solo te refieres a la ley de Ohm para las simetrías. Vale la pena señalar que solo porque hay una ecuación que relaciona dos fenómenos, como el voltaje y la corriente (asumiendo una resistencia fija), son animales muy diferentes. Incluso el simple hecho de describir qué es cada uno lo hace obvio. El voltaje es la diferencia de potencial eléctrico entre dos puntos, mientras que la corriente es una cantidad de carga que pasa a través de una sección transversal de un volumen en un tiempo determinado. No hay razón para pensar que se puede intercambiar una cantidad por otra en un sistema físico y esperar que nada cambie.

No se puede hacer una vez que haya conectado una cantidad significativa de dispositivos, y aquí "significativo" significa "muy bajo".

Olvídese de la cuadrícula por el momento y solo considere su casa. Si todos los aparatos eléctricos, todo lo que hay en la casa tiene que estar en serie, ¿qué pasa con toda la comida de tu nevera cuando alguien se olvida de apagar una luz antes de ir a trabajar y se funde la bombilla? Y si vives en un clima más frío, esa también es la energía de tu sistema de calefacción, lo que en invierno significa la posibilidad de una casa congelada, tuberías rotas y todo tipo de alegrías.

Ahora, avanzando un poco, ¿qué sucede cuando a su vecino se le funde una bombilla, o alguien a unos cientos de kilómetros de distancia? No veo muchos clientes para un sistema en el que alguien en Chicago pueda sufrir grandes daños en su hogar porque alguien en Detroit tenía una bombilla quemada.

Es más, ¿cómo identificas dónde está el problema? En el sistema que tenemos ahora, si una red deja de funcionar, digamos debido a una tormenta, puede recuperar partes de ella y aislar las partes que no aparecen donde están los problemas restantes. Pero con un sistema de miles o millones de dispositivos, ¿cómo encuentras cuál es el único que causa que la red se apague porque rompió el circuito?

Editar

Un problema aparte de todo lo anterior es, en primer lugar, ¿cómo se desarrolla un sistema de este tipo? Incluso si las personas pueden desarrollar interruptores súper rápidos (del orden de nanosegundos), eso no sucederá, salvo los Alien Space Bats, durante bastante tiempo después de que las personas hayan descubierto los sistemas eléctricos paralelos y en serie y los utilicen. Sin esos interruptores súper rápidos, los sistemas paralelos que usan voltaje constante son mucho más fáciles de manejar por todas las razones dadas en otras respuestas de que habrá tanta infraestructura en el lugar que no habrá ninguna ventaja en cambiar a uno más complicado sistema con mayores puntos de falla que requieren un cableado más complicado y costoso sin ningún beneficio.

no funcionará...

Las pérdidas dentro de un conductor son proporcionales a R * I^2.

Por lo tanto, en igualdad de condiciones (temperatura de fusión del aislamiento, etc.), la sección transversal del conductor que determina R debe ser inversamente proporcional a I^2.

Problema n.º 1: si su casa tuviera un circuito de "120 A" en lugar de "120 V", entonces todos los cables tendrían que tener una clasificación de 120 A, lo que los haría imprácticamente grandes y costosos. De hecho, todo tendría que estar calificado para esto, incluso los interruptores, el cable de la lámpara, etc.

Aquí (Francia) el enchufe de pared promedio permite 230V/16A (es decir, 3500W nominal). Así que mantengamos los cables clasificados en 16A y el suministro de corriente constante en 16A también.

Si la casa consume un máximo de 10kW, entonces tendrá 625V en su suministro. Manejable.

Sin embargo, está en serie con las casas de los vecinos a menos que la empresa de servicios públicos proporcione un devanado de transformador para cada suscriptor. Dado que los voltajes se suman, el cableado tendrá potencialmente varios kV en relación con la Tierra de protección. Por lo tanto:

Problema #2: Voltajes inseguros.

Problema #3: Los motores de inducción trifásicos serían un problema. Esto significa que no hay industria.

Problema #4: La eficiencia para cargas bajas sería catastrófica. Digamos un cargador de teléfono celular, dibujando 5W = 0.32V @ 16A. Las pérdidas en el cableado ya no serían insignificantes en relación con la potencia entregada.

¿Hay algún lugar en el que no esté pensando donde esta simetría se rompa, o razones por las que una red eléctrica de red eléctrica no podría funcionar así?

No solo funciona su diseño, usamos su base todo el tiempo.

No voy a dar una clase completa de física aquí, puedes encontrar todo fácilmente si tienes la disposición. La versión corta es que alternamos el voltaje para alternar la corriente. No se puede disociar uno de otro, porque V = ri. Invierta el voltaje e invierte la corriente, y viceversa . La forma en que está conectada la red no cambia eso.

Otra forma de ver esta relación es mirando este gráfico de Wikipedia :

Observe cómo el voltaje y la corriente están representados por el mismo eje en todos los casos.

Por último, pero no menos importante, una curiosidad: mira la etiqueta de datos de potencia de cualquier electrodoméstico y verás una frecuencia en los datos, prácticamente siempre 50 o 60 hz. Así de rápido el aparato espera que el voltaje alterno para que funcione.