Анатолий Томилин - Мир электричества

Далеко не все видели в трехфазной системе панацею от всех бед передачи энергии на большие расстояния. Для обеспечения в линии высокого напряжения переменного тока нужны были трансформаторы. А система Доливо-Добровольского требовала сразу трех однофазных трансформаторов вместо одного при однофазной системе или двух – при двухфазной. Но трансформаторы были дорогие. Нужно было считать, что дешевле: три провода трехфазной системы плюс лишний трансформатор или три провода двухфазной системы с двумя трансформаторами, при условии, что нулевой провод будет иметь больший диаметр.

В 1889 году Михаил Осипович изобретает трехфазный трансформатор. Он пробует разные конфигурации, пока в 1891 году не приходит к конструкции с тремя стержнями, расположенными в одной плоскости. Один из опытов применения трехфазного тока был осуществлен на Лауфенской электростанции.

Варианты ротора с обмоткой «беличье колесо», представленные в патенте М. О. Доливо-Добровольского

Километрах в десяти от промышленного города Гейльброна находилось небольшое селение Лауфен с цементным заводом, который использовал для своего производства часть водной энергии реки Некара. То ли дела у лауфенского завода шли не блестяще, то ли другая какая-то причина возникла, только вдруг среди руководства пошли настойчивые разговоры о необходимости дополнительных финансов. А откуда их взять? Увеличивать выпуск продукции? Но для этого нужно дополнительное сырье и оборудование, то есть те же финансы. Кроме того, необходимы были люди, дополнительные рабочие руки. А Лауфен – селение небольшое. И большинство его жителей уже так или иначе пристроены!…

Слово «энергия» в переводе с греческого языка означает «деятельность». И в приложении к человеку определяет его решительность, настойчивость в достижении цели. В науке энергия есть общая мера различных видов движения и взаимодействия. Например, механическая энергия, тепловая, химическая, электрическая и так далее. Один вид энергии может превращаться в другой, и при всех превращениях общее ее значение не меняется. Это один из важнейших законов современного естествознания. Обсуждения способов получения дополнительной прибыли в правлении лауфенского цементного завода пришлись как раз на время нашумевших опытов передачи электрической энергии по проводам из одного города в другой. Помните линию Депре на Мюнхенской выставке и последующие опыты?

Энергия, энергия… А нельзя ли ее продать? Рядом река, быстротекущий Некар. Нельзя ли заключить силу его течения при помощи электричества в провода и продать, скажем, в промышленный Гейльброн? Там бумажные и химические фабрики, металлические, винодельческие и прочие заводы, которым постоянно не хватает как раз энергии.

Схематический чертеж первичной станции в Лауфене на Некаре

Сначала решили на готовой плотине поставить динамо-машину и соорудить десятикилометровую линию постоянного тока. Она как раз покрыла бы расстояние от Лауфена до Гейльброна. Но инженер Оскар фон Миллер, тот самый, который пригласил Марселя Депре для постройки линии передачи энергии из Мисбаха в Мюнхен, предложил использовать новый трехфазный ток. После некоторых раздумий дирекция цементного завода согласилась.

Но пока шли подготовительные работы, планы переменились. Компания AEG предложила передать энергию из Лауфена не только в Гейльброн, но и дальше, во Франкфурт-на-Майне, за 175 км от места ее выработки! Победить такое расстояние даже в голову никому пока не приходило.

А поскольку большую часть расходов брала на себя АЕG, то работы вскоре начались. На плотине в Лауфене поставили три турбины мощностью по 300 лошадиных сил и соединили их с машинами трехфазного тока. Толстые медные провода подвесили на восьмиметровых столбах, прикрепив их к большим изоляторам. Три отдельных повышающих трансформатора, обмотки которых были для лучшей изоляции погружены в минеральное масло, подняли напряжение до 8,5 кВ. Тоже, между прочим, небывалое напряжение.

У потребителей в конце линии поставили понижающие трансформаторы, которые питали изобретенные Доливо-Добровольским трехфазные двигатели, требовавшие напряжения 65 В. Таким же напряжением зажигали и лампочки накаливания.

Масляный трансформатор Лауфенской электростанции

Если учесть, что система носила все же характер экспериментальной, то можно признать ее успех полным! На Франкфуртской выставке энергия воды Некара, переданная по проводам, приводила в действие водяной насос, который поднимал воду для водопада на высоту 10 м. И снова посетители, задирая голову, терпеливо ожидали моментов пуска воды и в восторге кричали: «O! Das ist wundervoller Wasserfall! Die Neckarwasser murmeln in Frankfurt-am-Main!» («О! Это удивительный водопад! Воды Некара журчат во Франкфурте-на-Майне!»)

Удачный опыт дал мощный толчок промышленному развитию электрических сетей. Во всем мире люди стали внимательно присматриваться к запасам водной энергии. Несколько гидроэлектростанций были построены в Европе. Но самой большой в мире стала американская гидроэлектростанция, построенная на Ниагарском водопаде.

История этого строительства небезынтересна. Известно, что Ниагара находится на самой границе Соединенных Штатов и Канады. И в 1889 году, еще до пуска Лауфенской станции, в Америке возникло акционерное общество, которое приобрело права на использование от водопада 200 000 лошадиных сил мощности с американской стороны и 250 000 – с канадской. Совет директоров принял решение о постройке электрической линии передачи. По рекомендации английского электрика профессора Форбса электростанцию задумали разбить на отдельные части, каждая мощностью в 5000 лошадиных сил, и применить двухфазную систему Теслы. В целом Ниагарская электростанция была поистине грандиозным сооружением.

Двигатель трехфазного тока в 100 лошадиных сил конструкции М. О. Доливо-Добровольского, установленный во Франкфурте-на-Майне

Но строителям не повезло. В своем первоначальном виде электростанция проработала недолго. Скоро практичные американцы убедились, что трехфазный ток гораздо выгоднее всех прочих систем. И станция встала на переделку.

Превращение всякого другого вида энергии в электромагнитную, как вы знаете, осуществляется с помощью устройства, аппарата или машины, которую называют генератором. Так, в химических элементах мы превращаем одни вещества в другие, высвобождаем энергию химических связей и преобразуем ее в энергию электрическую. Используя силу падающей воды, пара или любого иного вида первичного двигателя, мы вращаем ротор генератора в магнитном поле и превращаем механическую энергию в электрическую. Используя силу ветра и солнца, мы тоже превращаем их энергию в электрическую, потому что электрическая энергия – самый удобный и легко транспортируемый вид энергии из освоенных человечеством.

Трансформаторы Ниагарской гидроэлектростанции, повышающие напряжение до 11 кВ

Давайте еще раз пройдем по всей электроэнергетической цепи, но теперь не с исторической точки зрения, а с позиций техники. Первыми источниками электрической энергии, как вы помните, были гальванические батареи. От них зажглась и дала свет электрическая дуга, они закрутили первый электродвигатель. Но они же своей малой мощностью затормозили развитие электричества и его практическое применение.

С 1831 года – времени открытия Фарадеем явления электромагнитной индукции – начинается эпоха рождения и совершенствования электрических генераторов. Генератор – первое звено цепи. Мы уже познакомились с историей создания электрических генераторов, с непростым путем, по которому от вращающейся проволочной рамки ученые, изобретатели и конструкторские коллективы пришли к современным гигантам-генераторам.

Зал динамо-машин мощностью в 5000 лошадиных сил на Ниагарской электростанции

Специалисты делят пройденный путь на четыре этапа. Первый, охватывающий 20 лет, знаменует создание электрогенераторов с возбуждением от постоянных магнитов. Это время так называемых магнитоэлектрических машин.

Второй этап – время между 1851 и 1867 годом – объединяет тоже машины постоянного тока, но уже с независимым возбуждением, то есть не от собственных постоянных магнитов, а от электромагнитов, питающихся от постороннего независимого источника.

Третий этап характеризуется тем, что почти одновременно разные исследователи открыли принцип самовозбуждения. Вернер Сименс в 1867 году, рассказывая о сущности нового принципа, назвал его динамоэлектрическим. С этой поры генераторы с самовозбуждением, а потом и другие генераторы постоянного тока стали называть динамо-машинами, или просто динамо.