Анатолий Томилин - Мир электричества
Но все трудности заключались, как мы сегодня понимаем, лишь в технических возможностях времени. Виновником больших потерь был прежде всего хорошо изученный и удовлетворяющий всем потребностям промышленности постоянный ток. Слишком трудно было поднять его напряжение до значительной величины. Оно было таким, какое снималось с клемм электрических машин. А повышать его более чем до 6000 В электрики боялись. Потребителям же работать с таким высоким напряжением было просто опасно. Последовательное соединение приемников оказывалось по большей части неудобным. Выход был один: требовалось перейти к переменному току. Его применение началось уже давно по инициативе П. Н. Яблочкова.
Я уже рассказывал, что для питания «свечей Яблочкова» переменный ток был удобнее, угли сгорали ровнее. Но самым замечательным свойством переменного тока являлась его способность к трансформации. И здесь, после работ Фарадея, после создания Якоби и Румкорфом первых индукционных катушек, Яблочков показал путь к практическому применению трансформаторов. У него они могли служить для разделения цепей генератора и потребителя и для так называемого «дробления света». Для линий передач переменного тока трансформаторы могли как угодно поднимать или опускать напряжение.
Правда, применялся переменный электрический ток пока только для освещения. Двигателей, работающих на нем, практически не существовало. Дело заключалось в трудностях принципиального характера. Однофазный двигатель не имел пускового вращательного момента, то есть не мог самостоятельно запускаться. Это обстоятельство затрудняло возможность его применения в технике электропривода. Решить проблему мог только переход к новой комплексной области электротехники – к технике трехфазного тока.
Повысить КПД!
После введения в обиход электрического освещения, дающего яркий свет и избавляющего потребителей от массы хлопот, естественно, стали возникать многочисленные компании по эксплуатации новой техники. Они брали на себя постройку генераторных блок-станций, электропроводку в домах и обеспечение потребителей лампами накаливания или дуговыми светильниками. Причем с каждым годом – нет, не годом, потому что бурное развитие электротехники вело счет на месяцы и недели, – появлялись новые генераторы, двигатели, разрабатывалась технология изготовления и прокладки кабелей. Сегодня, пользуясь современной компьютерной терминологией, мы бы сказали: требовались «комплектующие и принадлежности», «периферийные устройства», «сетевое оборудование» и так далее и тому подобное. Новая техника потребовала огромного дополнительного оборудования. С этого начинается каждое новое дело, имеющее впоследствии широкое применение. Ведь даже простой выключатель и предохранитель надо было сначала изобрести.
В 1885 году Марсель Депре построил специальную линию между Парижем и Крейлем – 56 км. Обошлась она очень дорого, поскольку частично состояла из свинцового кабеля. Напряжение должно было быть 7,5 кВ, а сила тока – 10А. Не получилось. С такими электрическими величинами электротехника еще не справлялась. В результате громадная, специально для этого опыта построенная машина массой около 70 т развивала мощность только 50 лошадиных сил. Напряжение колебалось между 5 и 6 кВ, и КПД передачи оказался снова не выше 40–45 %. Полное фиаско замысла и банкротство в придачу.
Год спустя французский электротехник Ипполит Фонтен рискнул все же повторить печальный опыт соотечественника. Он не стал строить новых машин. Он соединил последовательно четыре динамо-машины, каждая из которых давала напряжение по 1500 В, и получил необходимые ему 6 кВ. Со стороны приемника он установил также три двигателя, которые могли крутить якоря генераторов низкого напряжения или служить в качестве привода для необходимых механизмов. Но и этот опыт показал, что коэффициент полезного действия был на уровне 50 %. Еще одна неудача.
Для экономически целесообразной передачи энергии на большое расстояние требовалось повышать и повышать напряжение. Между тем строить генераторы постоянного тока на высокое напряжение электротехники не умели. Возникали проблемы с изоляцией, да и потребитель опасался столь высокого напряжения. Все эти трудности, с одной стороны, вызывали недоверие вообще к возможности транспортировки электроэнергии на большие расстояния, а с другой, благодаря бурному развитию трансформаторной техники, настойчиво подталкивали мысли к использованию переменного тока, который хоть и был менее знаком электрикам, но уже не являлся совершенной новинкой. Но в его использовании тоже были свои трудности.
Время «трансформаторных битв»
Мы помним, что явление электромагнитной индукции есть возникновение электродвижущей силы в замкнутом проводнике при изменении проходящего через контур проводника магнитного потока.
И открыл это замечательное явление Фарадей. Потом ряд изобретателей сконструировали индукционную катушку на разомкнутом железном сердечнике, в которую немецкий механик Генрих-Даниил Румкорф добавил вторую обмотку. Он включил в первичную обмотку гальваническую батарею с вибрационным прерывателем. При этом во вторичной обмотке, обладающей большим количеством витков, возникало высокое напряжение, позволявшее получать искру. Это была первая ласточка неизбежного наступления эпохи переменного тока.
Подобное устройство для практических целей впервые применил Якоби для дистанционного подрыва мин. А Петр Николаевич Яблочков запатентовал применение катушки Румкорфа для «дробления света». Его система – питание электрических «свечей» от одного источника – демонстрировалась на электротехнических выставках 1881 и 1882 годов в Париже и Петербурге. В российской столице всю цепь смонтировал и показывал посетителям механик-самоучка Иван Усагин.
Иван Филиппович Усагин (1855–1919)
Иван Филиппович Усагин родился в деревне, в крестьянской семье и систематического образования, кроме церковно-приходской школы, не получил. Приехав в Москву, он поступил работать в университетские мастерские, изучил множество физических приборов и с успехом демонстрировал их действие на лекциях профессоров перед студентами. На Петербургской выставке он включал во вторичную цепь индукционных катушек не только свечи Яблочкова, но и нагреватель, и даже двигатель. Тем самым он показал, что система Яблочкова может быть применена для приведения в действие любого прибора переменного тока. За свои работы Усагин был удостоен диплома, а позже Московское общество любителей естествознания, антропологии и этнографии присудило ему почетную премию.
Изобретатели осветительных приборов уже давно заметили, что для питания дуговых ламп можно пользоваться не постоянным, выпрямленным током, а током переменного направления. Это значительно упрощало задачу. Электрогенератору переменного тока ненужным становился коллектор. Конструкция машины оказывалась проще, а следовательно, и дешевле.
Сначала генераторы переменного тока находили себе применение только для нужд освещения, и динамо-машины, вырабатывавшие постоянный ток, держали первенство. Но постепенно в действие вступали и другие факторы, стимулировавшие развитие машин, вырабатывающих переменный электрический ток.
Наступил период, когда машины переменного тока, казалось, вообще начали вытеснять динамо. Но с изобретением трансформатора оба типа генераторов в конце концов сравнялись по своему значению, и каждый обрел в электротехническом хозяйстве свою область применения.
Машина переменного тока Грамма
Машины переменного тока, начиная от выпущенной «Компанией Альянс», можно четко разделить на две группы. Если первая содержит в себе ранние образцы машин в общем-то для единичных применений переменного тока, то ко второй группе относятся электромашины отраслевые, то есть изготовленные специально для отраслей, пользующихся переменным током. В конце XIX столетия к таковым относились, например, машины предприятия Сименса и Гальске.
Особенно широко производство генераторов переменного тока развилось с постройкой центральных электростанций и линий электропередачи (ЛЭП).
Машина переменного тока фирмы «Сименс и Гальске» и рядом машина постоянного тока для возбуждения электричества
Главное достоинство переменного тока – возможность его трансформации. Использовать же эту возможность помогла катушка Румкорфа, имевшая вначале две одинаковые обмотки. Но в 1882 году французский электротехник Люсьен Голяр и английский банкир Дж. Д. Гиббс получили во Франции патент на катушку Румкорфа с разным числом витков в первичной и вторичной обмотках, названную ими преобразователем напряжения. Она позволила получать на вторичной обмотке более высокое напряжение переменного тока. Кроме того, напряжение на вторичной обмотке регулировалось выдвижением стержней сердечников. Эти трансформаторы были установлены в лондонском метрополитене на подстанциях и служили для освещения подземных помещений.
