• Глава 10. Да будет свет!
  • Остановиться, оглянуться
  • Электротехнический взрыв
  • Рукотворное освещение
  • «Русский свет» в Париже
  • «Господин Лодыгин, это изумительно!»
  • В тисках научно-технических противоречий
  • Глава 11. Электричество отправляется в путь
  • Главный барьер
  • Линия Депре Мисбах – Мюнхен
  • Повысить КПД!
  • Время «трансформаторных битв»
  • Die Neckarwasser murmeln in Frankfurt-am-Main (Воды Некара журчат во Франкфурте-на-Майне)
  • Глава 12. Укрощение
  • Превращения
  • «Mobilis in mobile» – «подвижный в подвижном»
  • Электростанции на колесах
  • Электроэнергетические системы морских просторов
  • Электричество в полете
  • Электротехнология
  • ЛЭП
  • Электропривод
  • ВРЕМЯ ПРИМЕНЕНИЯ

    Глава 10. Да будет свет!

    Остановиться, оглянуться

    Есть такой совет у мудрых людей: когда долго и упорно преследуешь какую-то цель, очень полезно время от времени останавливаться и оглядываться на пройденный путь. Так сказать, подвести некоторые итоги.

    Наша книга об истории электричества и магнетизма, о том, как люди познакомились с этими явлениями, как от мифических представлений перешли к вопросам, что они собой представляют и каким законам подчиняются. И наконец, о том, что мы могли бы получить от использования электромагнитных эффектов. Так уж устроен человек, что из всего хочет извлечь некую практическую пользу. На этом зиждется прогресс.

    Мы с вами познакомились с самыми древними размышлениями о таинственной силе магнита и электричества, побывали и в эпохе, когда ученые шаг за шагом пытались с помощью опытов и теории уяснить себе законы, которым эти силы подчиняются. Увидели, как практики, пока физики из отдельных феноменов складывали общую стройную картину, старались приспособить открытые явления к требованиям жизни общества.

    Давайте и мы остановимся временно на достигнутом великими и попробуем взглянуть дальше, в конец XIX столетия, когда накопившиеся знания, как взрыв, в течение нескольких лет создали совершенно новую ступень цивилизации, создали тот электрический мир, вне которого не смогла бы сегодня выжить большая часть населения Земли…

    Начнем с самого начала. Польза от магнита древним мудрецам была понятна. Магнитная стрелка может служить путеуказателем. Кроме того, магнит будто бы лечил. Вспомните доктора Гильберта. А что давало нам электричество? Искры, молнию… Сомнительная польза. Хорошо, что Франклин и Ломоносов научили нас защищаться от грозы громоотводами. Но что же дало толчок практическому применению неведомой электрической силы? Посмотрим в начало XIX века. 1802 год. Профессор Петербургской медико-хирургической академии Василий Петров зажигает электрическую дугу, обещающую дать новый источник света и победить тьму ночи. Великое открытие. Но оно не выходит из стен лаборатории. Если согласиться, что это начало практики, то вольтов столб был изобретен еще раньше. Нет, не то…

    А вот еще дата: 1832 год. Барон Павел Львович Шиллинг фон Канштадт устанавливает между Зимним дворцом в Санкт-Петербурге и Министерством путей сообщения электрическую телеграфную связь. Смотрите-ка, это уже не лаборатория. Пожалуй, именно создание телеграфа и есть истинное начало практики, потому что все, сделанное ранее, принадлежало науке.

    В том же году на основании исследований Ампера и Фарадея, выяснивших зависимость между механической энергией и энергией электрической, Пикси строит первую магнитоэлектрическую машину, способную преобразовывать один вид энергии в другой. Пройдет совсем немного лет, и мощные электрогенераторы, правнуки машины Пикси, погонят постоянный и переменный ток по проводам, зажгут миллионы ламп накаливания и вдохнут новую жизнь в производство. Начнется на Земле новая ЭЛЕКТ ИЧЕСКАЯ ЭРА.

    Рождению электротехники и будет посвящена третья, заключительная часть книги. Я не зря говорил, что перед вами история электричества. Время, в которое судьбе угодно было поместить нас с вами, еще не история, это еще современность. Поэтому не сетуйте на автора за то, что он не расскажет вам о технических достижениях конца ХХ и начала XXI веков, а остановится на фактах, уже отплывших по течению великой реки времени. Наша книга об истоках, о том, с чего начался окружающий нас ЭЛЕКТРИЧЕСКИЙ МИ .

    Электротехнический взрыв

    Если посмотреть на хронологию научно-технического прогресса, нетрудно заметить, что он никогда не движется равномерно. Годы и десятилетия могут проходить в спокойном бездействии, а потом вдруг начинается бурное развитие. Появляются новые технические принципы, изобретатели придумывают новые машины, создаются новые технологии.

    На самом деле, наверное, «тихие годы» нужны для того, чтобы накопились противоречия, созрели новые требования и подготовились условия для «взрыва». Мы этой «тихой работы» просто не видим, как не замечали современники Ампера, даже Фарадея и Максвелла их подготовительных трудов для бурной эпохи конца XIX – начала XX столетия. И все же нельзя не удивляться. Деды и бабушки моих читателей еще прекрасно помнят керосиновые лампы, печное отопление в городах, телефоны с разделенными трубками и микрофонами, укрепленными на стене, и детекторные радиоприемники. Ламповые же радиоприемники-новинки были величиной с небольшой холодильник. То есть за время жизни двух-трех поколений окружающий нас мир вещей разительно переменился. И начало этому изменению положили все те события, которые были описаны в предшествующих главах.

    Электрический свет и надежда на применение электричества для совершения механической работы были сверкающим Олимпом, добраться до которого мечтали люди науки и техники. Но для этого нужно было сперва научиться производить электроэнергию, то есть придумать, сконструировать и построить электрогенераторы. Пусть сначала – постоянного тока.

    Затем освоить передачу электроэнергии на расстояние, чтобы использовать ее главное преимущество. И передавать так, чтобы в линии передачи не терялась большая часть энергии, вырабатываемой машинами, то есть добиться высокого коэффициента полезного действия – КПД. А уж потом придумывать приборы и аппараты, которые будут потреблять электроэнергию на приемном конце линии и превращать ее в другие виды необходимой человеку энергии: в свет, в тепло и холод, в механическую силу и движение, в технологический процесс, и так далее, и тому подобное. Позже от простого электрического телеграфа люди перейдут к передаче сообщений с помощью электромагнитных волн, придумают радиолампы, от них уйдут к транзисторам и интегральным схемами дальше по пути микроминиатюризации, к технологиям на молекулярном уровне, вернувшись к лягушкам Гальвани, ученые перейдут к объединению с биологией… Но здесь история уже заканчивается и наступает черед фантастики. А это не наша тема. Мы с вами пока находимся во второй половине XIX столетия, ближе ко второй его трети.

    Рукотворное освещение

    Мы помним, что честь открытия вольтовой дуги принадлежит Василию Владимировичу Петрову, профессору физики Петербургской медико-хирургической академии, о чем он сам и написал в своей книге «Известия о гальванивольтовских опытах», изданной в 1803 году. Семь лет спустя то же открытие независимо от Петрова повторил и продемонстрировал своим коллегам английский ученый Гемфри Дэви. Это было начало XIX столетия. Между тем первые практически пригодные дуговые лампы появились лишь полвека спустя. В чем же причина такой задержки?

    Как ни странно, люди довольно долго не умели ценить свет. Примитивная жизнь древнего общества в основном начиналась с восходом солнца и продолжалась до наступления темноты. С возникновением городов и усложнением общественной жизни дня стало не хватать. И для его продления пользовались светом открытого огня: факелов, масляных светильников, редко – дорогих восковых свечей, которые являлись предметом роскоши. Их стали делать в Париже в XI веке.

    Любопытно, что во времена царствования французского короля Филиппа Красивого были изданы законы против роскоши. В них употребление восковых свечей разрешалось лишь узкому кругу придворных высокого происхождения. Но даже в королевском дворце на пирах залы освещались дымными факелами, которые слуги держали в руках.

    Европейские города даже в XV веке вовсе не освещались. Каждый имущий должен был брать с собой слуг с фонарями, чтобы не только не сломать себе ноги на узких изрытых улицах, но и не быть ограбленным. Но постепенно само развитие городской жизни поставило перед властями проблему освещения.

    В XVI столетии парижская полиция потребовала от домовладельцев в девять часов вечера выставлять в одном из окон нижнего этажа дома зажженный фонарь. А в 1662 году аббат Лодат де Кардифф получил привилегию на организацию в городах Франции артелей факельщиков и фонарщиков, которые за плату сопровождали запоздавших путников.

    Людовик XIV повелел поставить фонарные столбы с масляными светильниками по углам парижских улиц. Была даже выбита медаль по поводу этого события.

    В 1786 году французский инженер и химик Филипп Лебон предпринял первые опыты по применению газового освещения. А в самом конце XVIII века в Англии фонарями со светильным газом была оборудована мануфактура изобретателя паровой машины Джеймса Уатта и его компаньона богатого заводчика Болтона.



    оберт Бунзен (1811–1899)


    В 1804 году было создано первое общество газового освещения. Газовые компании быстро распространились по всему миру. Я вспоминаю о них, поскольку в дальнейшем именно они неоднократно ставили палки в колеса прогрессу электрического освещения.

    История электрического освещения делится на две части: история лампы накаливания и история ламп с электрической дугой. При этом первые попытки практически применить и тот и другой вид светильников относятся почти к одному и тому же времени. Оба принципа прошли нелегкий путь развития, поскольку изобретателям пришлось решать немало технических проблем.

    Прежде всего не существовало надежных и достаточно мощных источников тока. Кроме того, Петров и Дэви пользовались дугой, возникающей между древесными углями. Такие угли были непрочны и быстро сгорали. Выход нашел немецкий химик Роберт Бунзен.

    Он предложил использовать твердый нагар, который остается на раскаленных стенках газовых реторт. Из кусков этого нагара удавалось выпиливать стерженьки, которые хорошо проводили ток и в ослепительном пламени дуги сгорали значительно медленнее древесных углей. Но – сгорали, и как только расстояние между ними увеличивалось, дуга гасла. Для поддержания пламени следовало все время следить за расстоянием между стержнями. Нужно было придумать механизм, автоматически поддерживающий между углями все время одно и то же расстояние. Изобретатели предложили великое множество остроумных конструкций регуляторов.

    Почему понадобилось множество конструкций? Дело в том, что свет дуги чрезвычайно резкий и яркий. Им хорошо освещать большие площади или помещения вокзалов. А для освещения домов желательно было научиться его «дробить», то есть освещать помещение не одной мощной дугой, а несколькими менее мощными. Да еще хотелось бы иметь возможность менять в них силу тока… Но светильники включали только последовательно, друг за другом в единую цепь. Как тут добиться разного тока? Кроме того, стоило погаснуть одной дуге, как гасли и все остальные.



    Дуговая лампа французского изобретателя Жаспара с автоматической регулировкой расстояния между стержнями



    Последовательное и параллельное соединение дуговых ламп


    Вы спросите: почему не подключили их параллельно? Не было бы проблемы. Но не забывайте, что мы находимся еще в XIX веке. Генераторы слабенькие, постоянное напряжение на зажимах машины поддерживается с трудом, провода дороги, а для параллельного включения их нужно больше. Короче говоря, не любили электротехники в то время параллельного соединения. В результате на первых порах это приводило к тому, что каждую дугу обслуживал отдельный генератор. Дорогое получалось удовольствие от такого освещения.

    В 1856 году в Москве российский изобретатель полковник Александр Ильич Шпаковский предложил оригинальный регулятор и зажег одновременно одиннадцать дуговых светильников. Правда, проблему «дробления света» его установка, как и системы других изобретателей, не решала. Справился с нею электротехник Владимир Николаевич Чиколев. В 1871 году несколько экземпляров его лампы было изготовлено в Москве в мастерских физических приборов П. Н. Яблочкова и Н. Г. Глухова, и Владимир Николаевич смог продемонстрировать усовершенствованную модель своей лампы на заседании физического отделения Общества любителей естествознания, антропологии и этнографии.



    Дуговые лампы с различными видами автоматических регуляторов


    Как всегда, новое с трудом пробивало себе дорогу в России. В 1876 году генерал Петрушевский передал описания и чертежи лампы Чиколева Главному артиллерийскому управлению. И лишь в 1880 году ее описание появилось в технических журналах. Зато стоило французским электрикам познакомиться с переводом статьи, как буквально через несколько дней в ряде европейских государств появились заявки на схожие конструкции. Это вызвало немало споров в технической прессе.

    Дуговые лампы с дифференциальными регуляторами широко распространились не только в России, но и за рубежом.

    Владимир Николаевич Чиколев родился в Смоленской губернии. Лишившись родителей, он был отдан в Александровский сиротский кадетский корпус в Москве. Затем – училище пехотных офицеров. Увлекшись физикой, молодой человек оставляет училище до производства в офицеры и поступает вольнослушателем в Московский университет на физико-математический факультет. Закончив курс, он в 1867 году получает приглашение стать ассистентом в физическом кабинете профессора Цветкова, где у него есть возможность заниматься своими экспериментами. Успешность занятий приводит Чиколева к мысли о сдаче магистерских экзаменов. Но всеобщее увлечение проблемами электрического освещения уводит его в сторону от задуманного. На Всероссийской политехнической выставке 1872 года он представляет ряд приборов. Тут – его дуговая лампа, ящичная гальваническая батарея и миниатюрный электродвигатель к швейной машине, питаемый от нескольких элементов Даниэля.



    Владимир Николаевич Чиколев (1845–1898)


    Строго говоря, несмотря на целый ряд созданных им оригинальных электротехнических приборов, Владимир Николаевич Чиколев не был изобретателем. Его больше интересовали факты и явления из области электричества и возможность применения на практике новых устройств. Так, в петербургский период своей деятельности Чиколев много работал в области прожекторной техники, создал теорию расчета, предложил систему дробления света с помощью зеркал. Руководил работами по реконструкции электротехнического хозяйства Охтенского завода. Чиколев отдал немало сил развитию и совершенствованию электротехники. И всегда шел своими оригинальными путями, поддерживая тесную связь с наукой. Он опубликовал около тридцати крупных научно-технических работ и издал ряд книг, в том числе популярного характера.

    Владимир Николаевич был одним из инициаторов создания Шестого (электротехнического) отдела Русского технического общества и журнала «Электричество».

    В 1877 году в Главном артиллерийском управлении организуется электротехнический отдел, и Чиколев получает приглашение занять руководящую должность. Он переезжает в столицу. Петербургский период – основной в деятельности Владимира Николаевича. По его инициативе при Орудийном заводе строятся электротехнические мастерские, устраивается специальная лаборатория. Военно-инженерное ведомство организует офицерские электротехнические курсы, на которых преподает Чиколев. Он создает целый ряд устройств для армии, публикует справочные книги и атласы, курс лекций и руководств по применению электротехники для военных целей.

    В последние годы Владимир Николаевич написал книгу «Не быль, но и не выдумка», которую сегодня можно было бы назвать научно-фантастической. В ней он рассказывал о той роли, которую может играть в жизни человечества электричество. И многие из его предвидений осуществились к нашему времени. Он начинал свои опыты в годы, когда «электротехника сильных токов» (так называли тогда практику применения электричества в технике) еще не вышла из лабораторных стен. 22 февраля 1898 года железнодорожная дрезина, на которой ехал Чиколев, потерпела аварию, и Владимир Николаевич погиб. К этому времени промышленность уже имела в своем распоряжении достаточно мощные электрогенераторы, была решена проблема централизованного производства электроэнергии с передачей ее на большие расстояния и создана система трехфазного тока. Начал внедряться электропривод. Таким образом, за короткий срок жизни талантливого изобретателя в электротехнике произошел настоящий скачок.



    Дифференциальная лампа В. Н. Чиколева



    Швейная машина с электрическим приводом


    Примерно в те же годы был изобретен еще один вид дуговой лампы – с ртутными электродами. Предложил ее доктор Аронс. Он П-образно согнул стеклянную трубку, налил туда немного ртути, выкачал воздух, запаял и в оба колена вставил электроды, подключенные к генератору. Стоило встряхнуть трубку, как между полюсами возникала дуга. Свет ее не был ослепительным, но он оказался настолько богат синими и зелеными лучами, что окрашенные поверхности, освещенные ртутной лампой, меняли свои цвета.



    Дуговые лампы с закрытой дугой

    «Русский свет» в Париже

    В 1875 году в Петербурге открылась новая мастерская физических приборов. Основали ее П. Н. Яблочков и Н. Г. Глухов, два изобретателя, с увлечением конструировавшие электротехнические новинки и обсуждавшие великое будущее электрического освещения.

    Однажды, укрепляя подключенные к источнику питания угли параллельно друг другу, Яблочков случайно замкнул их, и между концами стержней вспыхнула дуга. Изобретатель отшатнулся, ожидая, что дуга погаснет. Но пламя горело ровно и не прерывалось, пока оба угля не сгорели дотла. Но ведь это же гениальное решение проблемы для дуговой лампы!.. Простое решение! Теперь дуговая лампа не будет нуждаться ни в каком регуляторе…

    К сожалению, оба изобретателя оказались плохими предпринимателями. И через некоторое время их предприятие потерпело финансовый крах. Яблочков уехал во Францию, где поступил в электротехнические мастерские, изготавливающие телеграфные аппараты и электрические машины. В одиночку он закончил работу над своим изобретением. Оказалось, что положительный электрод сгорал быстрее, и нужно было рассчитать его толщину. Новизна принципа и простота окончательной конструкции, ее безотказность в работе были несомненны. В 1876 году Яблочков получил в Париже патент на свое изобретение, и на следующий год «свеча Яблочкова» заблистала на Лондонской выставке, где стала гвоздем программы. Предприимчивый француз Денейруз уговорил его за солидный пакет акций вступить в учредители акционерного «Общества изучения электрического освещения по методам Яблочкова». И скоро яркий свет электрических дуг в «свечах Яблочкова» поглотил тусклые огоньки газовых фонарей, освещавших улицу и площадь Оперы в Париже. Для смягчения блеска дуги каждую свечу заключили в матовый колпак, и молочно-белые шары сияли на парижской улице, как спустившиеся с неба звезды.



    Петр Николаевич Яблочков (1847–1894)


    «Из Парижа электрическое освещение распространилось по всему миру, – писал Петр Николаевич в одном из своих писем, – дойдя до дворца шаха персидского и короля Камбоджи». Изобретатель стал знаменит. Но Яблочков не останавливается на достигнутом. Он пробует питать свечи переменным током, и это оказывается еще удобнее и проще, потому что теперь угли сгорали более равномерно и их можно было делать одной толщины. Да и машины переменного тока оказывались проще и дешевле динамо. Одновременно Петр Николаевич стал включать в цепь индукционные катушки с железными сердечниками – прообразы будущих трансформаторов, и это позволило подключать к одной машине несколько свечей.

    Решив вернуться на родину, Яблочков выкупает у компаньонов их паи и переезжает в Петербург, чтобы создать там свое «русское товарищество». Возвращение было триумфальным. Один из репортеров так описывал приезд Петра Николаевича в столицу: «Он поселился в роскошных апартаментах «Европейской» гостиницы, и кто только не бывал у него: светлости, сиятельства, высокопревосходительства, превосходительства без числа, городские головы. Яблочкова всюду приглашали нарасхват, везде продавались его портреты, в газетах и журналах ему посвящались сочувственные, а иногда и восторженные статьи.» Наконец товарищество «Яблочков-изобретатель и Ко» было учреждено, и мастерские стали выпускать по заказам «свечи Яблочкова».



    Чертежи П. Н. Яблочкова: электрическая свеча и гальванические элементы горения


    Но оказалось, что в общем электрическое освещение громадной стране, привыкшей к лучине, свечам и, в лучшем случае, к масляной лампе, не очень-то и нужно. А российские компаньоны малопрактичного изобретателя менее чисты в своих помыслах, чем даже жуликоватые французы. Короче говоря, когда первый бум прошел, дела товарищества резко пошли на спад.

    Тяжелее же всего было то, что Яблочков, познакомившись с первыми лампами накаливания, сразу понял их неоспоримые преимущества перед его «свечой». В 1893 году он тяжело заболел, и тогда его положение вовсе стало критическим. Он писал: «Проработав всю жизнь над промышленными изобретениями, на которых многие люди нажились, я не стремился к богатству, но я рассчитывал, по крайней мере, иметь на что устроить для себя лабораторию, в которой мог бы работать не для промышленности, но над чисто научными вопросами, которые меня интересуют. И я, возможно, принес бы пользу науке, как я это сделал для промышленности, но мое необеспеченное состояние заставляет оставить эту мысль… Я в настоящее время имею на личном счету только нищету, грудную болезнь… Вот мой баланс за семнадцать лет работа…» Через год Петр Николаевич Яблочков скончался.

    «Господин Лодыгин, это изумительно!»

    Мысль применить электрический ток для накаливания проводника, чтобы воспользоваться им для освещения, вытекала из теплового действия электричества. В 1844 году английский инженер де Молейн пробовал раскалить платиновую проволочку, помещенную в стеклянный шар. Похожие попытки предпринимались во Франции и в Германии. Но даже тугоплавкая платина быстро перегорала. И вот снова известия из России…

    Темным осенним вечером 1873 года толпы петербуржцев спешили на Пески. Там их ожидало чудесное зрелище. В двух уличных фонарях керосиновые лампы были заменены какими-то стеклянными пузырьками, от которых шли провода в толстой резиновой оболочке к «световой машине». Рядом суетились люди. Прилично одетый господин в длинном расстегнутом пальто что-то прикручивал, соединял. Провода лежали прямо на панели и путались под ногами. Но вот застучала машина, зачихала, завертела якорь генератора, и пузырьки на столбах вспыхнули ярким светом. Люди вынимали припасенные газеты, сравнивали, на каком расстоянии от старого керосинового или фотогенного фонаря и нового можно разобрать буквы. Разница была впечатляющей. Присутствующие поздравляли изобретателя: «Господин Лодыгин, это прекрасно! Господин Лодыгин, это изумительно!»



    Триумф технического прогресса.

    Рисунок художника XIX века, показывающий победное шествие электричества


    В общем-то, создание системы освещения было для Лодыгина делом случайным, или попутным, что ли. Замахивался он на большее…

    Александр Николаевич Лодыгин родился 6 октября 1847 года в Тамбовской губернии, в имении отца. С юных лет его ожидала обычная для отпрыска небогатого провинциального помещика карьера: кадетский корпус в Воронеже, а потом Московское военное училище. Однако военная служба не прельщала молодого человека, его голова была полна технических замыслов. Отслужив положенный срок, Александр подпоручиком вышел в отставку. Отец был против. Он негодовал, лишил поддержки. Тогда молодой отставной военный из дворян поступает на Тульский оружейный завод. Работает сначала молотобойцем, потом слесарем и одновременно изобретает. Идеи и образы небывалых машин теснятся у него в мозгу, не дают спокойно спать. Лодыгин задумал построить «электролет» – летательную машину тяжелее воздуха, которая будет приводиться в действие электричеством.



    Александр Николаевич Лодыгин (1847–1923)


    Но кому в Туле нужен «электролет»? И Лодыгин едет в столицу, в Петербург. Он передает свой проект в Инженерное управление военного министерства, рассказывает о нем репортерам столичных газет. В газетах появляются сенсационные описания его машины, а министерство молчит.

    В 1870 году Лодыгин решает предложить свой проект Франции, которая воюет с Пруссией. Но у него нет денег на поездку. Знакомые студенты с шапкой по кругу собирают девяносто восемь рублей, и Александр Николаевич уезжает. Однако на одной из промежуточных станций у него пропадает чемодан с чертежами «электролета». Все! Катастрофа! Без чертежей, без денег, практически без языка – ох уж этот французский из кадетского корпуса! Но есть умелые руки, которые одинаково ценятся во всем мире. И Лодыгин поступает слесарем на завод, а вечерами по памяти восстанавливает чертежи. Поддерживает его Феликс Турнашон – командир бригады аэронавтов. Веселый, воинственный француз, хорошо знавший известного писателя Жюля Верна и зачитывавшийся его романами, видит в молодом русском воплощение Робура-завоевателя.

    Несмотря на массу трудностей, русскому изобретателю удается восстановить чертежи своего воздушного аппарата. Комитет национальной обороны Франции ассигнует пятьдесят тысяч франков на постройку «электролета Лодыгина», но…. Война проиграна. «Электролет», так и не родившись, умер. А патент «на применение электричества в воздушной навигации» получили некоторое время спустя воздухоплаватели братья Гастон и Альфред Тиссандье. Впрочем, от проекта воздушного корабля у Лодыгина осталась незначительная деталь. Для освещения своего летательного аппарата изобретатель предлагал лампочку накаливания.

    В кругу друзей изобретатель рассказывал, как однажды, спроецировав изображение вольтовой дуги на экран, он обратил внимание на то, что свет исходит лишь от самых кончиков раскаленных углей. «А что, ежели удалось бы раскалить весь уголь?» Так в голову ему пришла идея перейти к одному тонкому углю. А чтобы тот не перегорал, Александр Николаевич решил заключить его в герметическую стеклянную колбу. «Как только весь кислород израсходуется, – рассуждал он, – разрушение угольного стерженька прекратится.»

    С этой мысли начались его поиски, опыты и пробы. Он сконструировал такой светильник, и некоторое время его лампочка исправно горела. Имея уже некоторый опыт, Лодыгин запатентовал изобретение во Франции и в ближайших государствах, а вернувшись в Россию, получил на нее привилегию. Теперь следовало найти способ показать свое изобретение как можно большему числу заинтересованных лиц.



    Лампа накаливания А. Н. Лодыгина



    Лампа А. Н. Лодыгина, усовершенствованная В. Ф. Дидрихсоном


    В ту пору в Санкт-Петербурге через Неву строился Литейный мост. Лодыгин предложил осветить место подводных работ. Это позволило бы продемонстрировать возможности нового вида освещения. Получив согласие, он конструирует специальный «подводный фонарь».

    Изобретение лампочки накаливания высоко оценила Академия наук, присудившая автору Ломоносовскую премию.

    В 1874 году Лодыгин совместно с банкиром Козловым организовал «Товарищество электрического освещения А. Н. Лодыгин и Ко». Через год во главе товарищества встал предприниматель Кон, который под своим именем выпустил в продажу лампу Лодыгина, усовершенствованную инженером В. Ф. Дидрихсоном. В лампе уголь помещался в баллон без воздуха и по мере сгорания автоматически заменялся другим.

    Но по миру еще шла победным маршем «свеча Яблочкова», простая в производстве и с более ярким свечением, чем лодыгинское изобретение. А капитал «Товарищества» составлял всего десять тысяч рублей. Прошел год с небольшим, скончался Кон, и компания потерпела финансовый крах. Лодыгин снова поступает слесарем. На этот раз в петербургский Арсенал, где скоро переходит на должность инженера.

    В конце 70-х годов XIX века на верфях Северо-Американских Соединенных Штатов по заказу петербургского Адмиралтейства строились корабли. На их приемку выехал в Америку лейтенант русского флота А. Н. Хотинский. Он взял с собой несколько ламп Лодыгина. Может быть, чтобы оборудовать помещения кораблей? А почему бы и нет? Изобретение было запатентовано в России, во Франции, Великобритании, Австрии, Бельгии… Случилось как-то, что молодой лейтенант показал привезенные лампы изобретателю Эдисону, которому новинка чрезвычайно понравилась, и американец принялся за усовершенствование русского изобретения. «Конечно, трудно установить, насколько описанное обстоятельство имело влияние на изобретение Эдисона. Но то обстоятельство, что изобретение Лодыгина было известно в Америке, явствует из судебного разбирательства в процессе между Эдисоном и Сваном», – пишет известный историк электротехники профессор М. А. Шателен. Американский суд аннулировал спорные привилегии обоих изобретателей, мотивируя свое постановление тем, что уже существуют лампы Лодыгина. Тем не менее весь мир справедливо считает современную лампу накаливания «лампой Эдисона». Американский изобретатель проделал тысячи опытов, прежде чем у него в руках оказался стеклянный пузырек с выведенными наружу контактами угольной нити. Из пузырька был выкачан воздух. Эдисон разработал все звенья системы электрического освещения и начал массовый выпуск ламп.

    В 1884 году Александр Николаевич Лодыгин уезжает во Францию, а оттуда – в США. Он изобретает еще несколько типов ламп накаливания, в том числе с металлическими нитями, и первым предлагает для нити накаливания вольфрам. Оставив идею лампы накаливания, он конструирует приборы электрического отопления, респираторы, электропечи для плавки металлов.

    После событий 1905 года Лодыгин возвращается на родину. В Петербурге он один из основателей электротехнического отдела Русского технического общества. К сожалению, в разваливающейся империи место для изобретателя нашлось лишь на трамвайной подстанции в должности дежурного техника.

    В 1918 году вместе с первой волной русской эмиграции Александр Николаевич уезжает из России и обосновывается в США. В 1923 году советские электротехники избрали его почетным членом Общества русских электротехников. Но письмо, посланное за океан, в живых Александра Николаевича Лодыгина уже не застало.

    Несмотря на то что «свеча Яблочкова» и лампы накаливания показали, что электрическое освещение обладает неоспоримыми преимуществами, газовые компании не сдавались. Газеты были наполнены заказными статьями о вреде электрического света для зрения и вообще для здоровья. Немало было и политических выступлений. Английский парламент организовал специальную комиссию, которая должна была произвести следствие по этому вопросу, чтобы вынести результаты на суд. Члены комиссии «допросили» многих видных ученых, после чего вынуждены были вынести единодушный вердикт: электрическое освещение признавалось лучшим по сравнению с газовым, а «свеча Яблочкова» – самой яркой по сравнению со всеми другими источниками света, известными в ту пору…



    Дмитрий Александрович Лачинов (1842–1902)


    Сообщение об этом оригинальном процессе для собрания электротехнического отдела Русского технического общества подготовил выдающийся физик и электротехник, доцент Петербургского лесного института Дмитрий Александрович Лачинов. Он же написал о нем и статью в первый номер нового русского журнала «Электричество».

    По просьбе Владимира Николаевича Чиколева, ставшего в 1880 году во главе редакции журнала «Электричество», Лачинов, много занимавшийся теоретическими вопросами электротехники, разработал ряд формул для определения освещенности поверхностей. Чиколев использовал эти формулы в своей статье «Об электрическом освещении улиц, мостов и площадей».

    Но чтобы окончательно вытеснить газ, следовало прежде всего решить проблему централизованного производства электричества и придумать способы передачи электроэнергии на значительные расстояния. Тогда можно будет шире использовать электричество и для питания установок электропривода. Пока же редкие электродвигатели работали только на более или менее крупных предприятиях, которые имели свои достаточно мощные блок-станции с динамо-машинами постоянного тока.

    В тисках научно-технических противоречий

    В начале электричество применялось в основном для освещения. При этом производство электроэнергии не отделялось от потребителя. В отдельных домах, чаще всего в подвальных помещениях, стояли свои генераторы, которые и обслуживали немногих потребителей. Такие частные установки назывались «домовыми», или «блок-станциями». В них входили все основные части электросети. Главной, понятно, были машины, производящие электроэнергию. Но не менее важными оказывались и первичные двигатели, приводящие в движение роторы генераторов. Дальше следует назвать системы и приспособления для распределения электрической энергии по приемникам, сами приемники (или, правильнее сказать, – потребители) и, наконец, – приборы для контроля и всевозможные выключатели тока.

    Очень скоро выяснились и недостатки блок-станций. Кому из домовладельцев понравится иметь у себя в подвале целое производство? Возникали проблемы топлива и дополнительной уборки, шума и обслуживания… Генераторы блок-станций вырабатывали только постоянный ток малого напряжения. Следовательно, обеспечить энергией они могли либо отдельное строение, либо, в лучшем случае, район, радиусом не более одного километра. На больших расстояниях потери в проводах становились настолько большими, что электроэнергия оказывалась нерентабельной.



    Паровой двигатель и динамо-машина, соединенные ременной передачей


    Для дальнейшего развития электрического освещения электротехникам предстояло решить целый комплекс задач. Прежде всего нужно было научиться качественно и в достаточном количестве производить дешевую электроэнергию. То есть на место маломощных магнитоэлектрических машин должны были прийти крупные генераторы с малыми собственными потерями, способные выдерживать достаточно высокое напряжение. Такие генераторы позволят отказаться от блок-станций и перейти к централизованной выработке электроэнергии, создать подлинные «фабрики электричества». Но генераторов таких не существовало, их предстояло еще изобрести. Равно как следовало подумать и о первичных двигателях.

    Наличие центральных станций сразу же требовало увеличения радиуса потребительской сферы. Длина линий передачи энергии должна вырасти, а вместе с тем возрастут и потери. Как тут быть?



    Быстроходная пародинамо фирмы «Вестингауз»


    Посмотрим, как решались проблемы по всем направлениям, начиная с первичных двигателей, приводивших во вращение роторы электрических машин. В качестве первичных двигателей на блок-станциях использовались сначала паровые машины. Ременная передача соединяла их шкивы с роторами динамо-машин, и те вырабатывали электроэнергию. От первичного двигателя требовался очень равномерный ход. Любое нарушение сказывалось на вырабатываемом электрическом напряжении, а на это реагировали лампы накаливания – они начинали «мигать». Даже шов на ремне вызывал заметное мигание света. Кроме того, со временем кожаные ремни вытягивались и начинали проскальзывать. Приходилось ставить генераторы на салазки, чтобы менять натяжение даже во время работы.

    Немало трудностей доставляли и различия в скоростях вращения паровой машины и генераторов. Роторы динамо-машин «хотели» крутиться быстро, а паровые машины могли это делать медленно. Разницу устраняли, меняя диаметры шкивов.

    В 1889 году шведский инженер Карл Густав Патрик де Лаваль изобрел быстроходную паровую турбину. Но опять беда, одноступенчатые турбины Лаваля крутились слишком быстро.




    Силогазовая электрическая станция близ Гарца


    Более паровых машин и турбин в качестве первичного двигателя подходила конструкция «атмосферного двигателя», предложенная в 1867 году немецким изобретателем Николаусом Августом Отто совместно с инженером Эйгеном Лангеном. Позже, используя идею четырехтактного цикла со сжатием, Отто в 1876 году сконструировал четырехтактный газовый двигатель. На Всемирной выставке 1878 года в Париже двигатель получил очень высокую оценку, поскольку отвечал всем требованиям времени, предъявляемым к двигателям подобного рода. Его стали широко выпускать заводы «Отто-Дейтц» и другие предприятия.

    Следующая проблема заключалась в том, что мелкие блок-станции оказывались неэкономичными. Слишком велики были накладные расходы, и слишком дорогой оказывалась их энергия. Между тем потребители, будь то домовладельцы или фабриканты, деньги считать умели. Какой же мог быть выход? Объединить разрозненные блок-станции в центральные и создать «фабрики электричества», что позволит одновременно расширить радиус электросети.

    В XIX столетии «фабриками электричества» называли более или менее мощные электростанции, централизованно вырабатывающие электрическую энергию.

    Сегодня это гигантские сооружения с высоченными трубами, с плотинами или атомными реакторами. Причем это не просто двигатель первого рода плюс электрогенератор, а еще и огромное хозяйство, состоящее из трансформаторов, устройств грозозащиты, измерительной аппаратуры и т. д.

    Глава 11. Электричество отправляется в путь

    Главный барьер

    Полученную энергию нужно было во что бы то ни стало научиться транспортировать на дальние расстояния. И для этого тоже следовало решить ряд проблем. Прежде всего требовалось создать дешевую технологию изготовления проводов. Затем научиться их надежно изолировать. Сколько мучений доставляла вязкая масса сургуча, смешанного с парафином, которой Василий Владимирович Петров изолировал провода, идущие от его «огромной наипаче» батареи к углям дуги. А Павел Львович Шиллинг, изобретатель телеграфа и электрических мин, изолировал провода, уложенные в землю, пенькой, пропитанной озокеритом.

    В 1949 году, в начале строительства ленинградского метрополитена, рабочие откопали кабель, проложенный Борисом Семеновичем Якоби. В деревянном желобе лежала заключенная в стеклянные трубки проволока, обмотанная суровыми нитками, которые были пропитаны смесью воска с канифолью. Лишь после изобретения в 1839 году способа вулканизации каучука этот материал стали применять для изоляции. Ох, дороги были первые провода, дороги!

    Однако главным барьером на пути передачи энергии на большие расстояния оставались потери в проводах. Как их уменьшить? Можно, конечно, увеличить сечение проводов. Известно, что чем толще провод, тем сопротивление его меньше, меньше станут и потери. Но чем толще провода, тем они дороже, а это был отнюдь не пустяк. Для электрических проводов использовалась в основном медь, металл дорогой. Достаточно сказать, что при строительстве электросети стоимость соединительных проводов в XIX веке равнялась примерно трети стоимости станции.

    Пожалуй, одним из первых опытов передачи энергии на сравнительно большое расстояние была работа французского инженера Ипполита Фонтена. На Венской выставке 1873 года он проложил кабель длиной более километра между двумя машинами Грамма. Одна из них давала ток, а другая работала в качестве двигателя. Однако потери даже в этой линии оказались настолько большими, что сам экспериментатор пришел к выводу, что экономичная передача электроэнергии на значительное расстояние вряд ли возможна вообще.

    В сентябре 1874 года в Петербурге на Волковом поле похожими работами занимался русский инженер Федор Аполлонович Пироцкий. Шестисильная динамо-машина приводилась в действие локомобилем и давала ток в линию длиной 50 м. В конце линии стояла вторая динамо-машина, которая приводилась в действие током первой. Опыт подтвердил обратимость динамо-машин, в чем еще далеко не все ученые были убеждены.



    Машина для обматывания проводов изоляцией


    В апреле 1876 года Пироцкий добился разрешения провести опыты передачи электроэнергии по рельсам Приморской железной дороги, соединяющей станцию Сестрорецк с пристанью. Длина линии равнялась 3,5 верстам. В то время считалось, что для дальней электропередачи нужны провода возможно большего сечения. В своей заявке Пироцкий указывал: «Рельсы существующих железных дорог имеют площадь поперечного сечения в 644 раза большую площади сечения телеграфной проволоки».

    В результате подготовительных работ машины установили на расстоянии чуть больше километра. Соединив стыки рельсов, изобретатель запустил динамо и заставил вращаться вторую машину. По его словам, утечка тока в землю была незначительной и коэффициент полезного действия – вполне приемлемым.



    Первый проект Ф. А. Пироцкого, представленный в его статье


    Летом того же года, заканчивая описание своих опытов, Федор Аполлонович утверждал: «…Выработанный мною способ приспособления готового рельсового пути к прохождению тока разрешает, по моему мнению, вопрос передачи работы со стороны практической». Смелое утверждение. Тем не менее в 1880 году Пироцкий по разрешению столичных властей произвел опыт применения электроэнергии для городского транспорта в Петербурге. На Песках, в районе Дегтярного переулка и Болотной улицы, в парке конной железной дороги, он построил небольшую электростанцию. Рельсы конки являлись прямым и обратным проводниками. На раму двухъярусного вагона конки подвесили электродвигатель, который через зубчатую передачу приводил во вращение ведущую ось вагона. Общий вес вагона с пассажирами составлял около семи тонн. Тем не менее вагон поехал. Более того, схема Пироцкого без третьего рельса пользовалась некоторое время успехом. И лишь плохая изоляция рельсов от земли являлась причиной чересчур больших потерь.

    Основываясь на скромных результатах, в 1877 году Федор Аполлонович выступил в «Инженерном журнале» с большой статьей «О передаче работы воды, как движителя, на всякое расстояние посредством гальванического тока».

    Интересно отметить, что редакция журнала, смущенная смелостью Пироцкого, предварила статью своим примечанием: «Помещая эту статью, редакция слагает с себя всякую ответственность относительно практической стороны дела и смотрит лишь на предложение автора как на мысль, во всяком случае заслуживающую внимания».

    На основании своих расчетов Пироцкий писал: «Не странно ли… видеть употребление динамоэлектрических машин исключительно лишь для освещения и частью для гальванопластики, тогда как они далеко с большею пользою могли бы служить для передачи работы, огня и света (как это показано на чертежах) и даже звука».

    Таким образом, надежно овладеть электрической силой означало, прежде всего, умение заставить ее работать там, где требовалось. Другими словами, научиться ее транспортировать от электростанции к потребителю.

    Линия Депре Мисбах – Мюнхен

    В 1882 году городские власти Мюнхена решили устроить в столице Баварии «электрическую выставку». Для демонстрационной электропередачи инженеры выбрали линию телеграфа. Организатор выставки Оскар фон Миллер пригласил французского физика Марселя Депре, с которым был знаком по Первому международному конгрессу электриков 1881 года в Париже.

    Марсель Депре родился в 1843 году и в 1866-м экстерном закончил Высшую горную школу в Париже. До начала франко-прусской войны 1870–1871 годов он занимался механикой и разработал оригинальный прибор, позволяющий измерять скорость движения снаряда в канале ствола пушки. Этим он обратил на себя внимание промышленных кругов Франции. Затем он довольно долго конструировал всевозможные физические приборы, изучал электротехнику и к 1880 году, одновременно с русским электротехником Д. А. Лачиновым, пришел к выводу о независимости коэффициента полезного действия электродвигателя от сопротивления внешней цепи. Год спустя Депре обосновал возможность передачи электроэнергии на расстояние без больших потерь.



    Марсель Депре (1843–1918)


    Свои выводы он изложил в подробном докладе, который прочитал на конгрессе электриков. Тема была острой. Несколько месяцев спустя он получил предложение участвовать в устройстве линии передачи электроэнергии Мисбах – Мюнхен, согласился и возглавил техническую сторону проекта.

    В Мисбахе на шахтах имелась небольшая паровая машина мощностью в две лошадиные силы и динамо-машина Грамма постоянного тока, способная развивать до 2000 В электродвижущей силы. Но что представить на выставке в качестве яркой демонстрации переданной на расстояние электрической силы?

    После долгих рассуждений решили взять вторую аналогичную машину Грамма, поставить ее в режим двигателя, соединить с центробежным насосом и перекачивать воду в резервуар, установленный на высоте нескольких метров, откуда вода будет низвергаться эффектным водопадом.

    Вы можете улыбнуться: странный, дескать, способ демонстрации. Но здесь, по-видимому, вступали в силу национальные привязанности – немцы обожают водопады. Я был свидетелем, как почтенные обыватели выезжают в субботу за город, чтобы выпить кружку пива под шум падающей воды. Время от времени ее спускает из накопителя бармен с помощью обычного поплавкового затвора от бачка, веревка к которому спрятана за пивной стойкой. Вы бы видели, как радуются эти люди, когда начинает работать искусственный водопад – «вассерфалль». Почтенные бюргеры кричат «ура» и высоко поднимают кружки с пивом, приветствуя чудо – падающую с высоты 2–3 м струю воды. Миллер собирался перекачивать воду на высоту даже четырех метров!..

    К сожалению, машина Грамма на шахтах Мисбаха была старой, а шелковая изоляция ее проводов – сомнительной. Депре тянул и тянул с началом эксперимента, пока из Нью-Йорка не пришло известие о пуске Эдисоном первой в мире «фабрики электричества» – электростанции, обеспечивающей энергией несколько тысяч ламп, шестьсот семнадцать подъемных машин и пятьдесят пять лифтов. Правда, длина линии была небольшой… И Эдисон не боялся потерь в подземных кабелях. Но дольше оттягивать демонстрацию было нельзя.

    15 сентября 1882 года, вечером, когда последние посетители покинули выставку, у бетонного ложа искусственного водопада, декорированного зеленью и снабженного вывеской «Марсель Депре. Силовая электропередача Мисбах – Мюнхен. Расстояние – 57 километров», собрались приглашенные. Миллер послал по телеграфу сигнал, и. двигатель заработал. Прошло несколько минут, и по бетону вниз полились первые струи воды. Браво!.. 57 километров! Такого еще не бывало в мире. Что из того, что установка работала с перебоями, а передача энергии шла с КПД всего двадцать два процента. Все понимали, что стали свидетелями начала начал и что впереди еще будут многие дальнейшие работы в этой области…

    В тот же день Миллер послал телеграмму:

    «Париж, Академия наук. Мы счастливы сообщить вам, что опыт Марселя Депре, имевший целью передачу силы по обыкновенной телеграфной проволоке из Мисбаха в Мюнхен на расстояние 57 километров, полностью удался.

    Комитет специальных электрических исследований.

    Секретарь О. Миллер».

    В общем-то он, конечно, слегка лукавил. Потому что, несмотря на ликование, результаты опыта были ничтожны. Изоляция машины Грамма оказалась настолько ненадежной, что Депре не решился поднять напряжение выше полутора тысяч вольт. Паровая машина сломалась на следующий же день. А большое сопротивление проводов телеграфной линии съело большую часть мощности, вырабатываемой генератором. Но эффект все равно превзошел ожидания.

    Главное заключалось в том, что Депре на опыте смог убедиться, что чем выше напряжение и меньше передаваемый по линии ток, тем меньше в ней потери. Это был важнейший вывод, к которому он пришел почти одновременно с русским электриком Лачиновым.

    Получив финансовую поддержку от банкира Ротшильда, Депре построил еще несколько линий передач во Франции.

    Несколько лет спустя соотечественник Депре Ипполит Фонтен повторил его опыт, взяв те же условия: передать сто лошадиных сил на пятьдесят километров при коэффициенте полезного действия 50 %.

    Он не стал строить специальную машину на задуманное напряжение в 6000 В, а соединил последовательно четыре машины, каждая из которых развивала до 1500 В, и получил требуемое напряжение. Также и на приемном конце он соединил последовательно три двигателя.

    И все-таки именно Депре дал толчок практикам-электрикам к их работам по передаче электроэнергии на большие расстояния. Однако низкий коэффициент полезного действия вызвал среди довольно значительной части электриков скептическое отношение вообще к возможностям передачи энергии на дальние расстояния. Появились даже теоретические попытки доказать, что 50 % – предел для электрических линий.

    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.

    Демонстрировалось изобретение Голяра и на Туринской выставке в 1884 году. Но к этому времени братья Джон и Эдуард Гопкинсоны в Англии придумали первый трансформатор с замкнутым сердечником, который обладал существенно лучшими характеристиками по сравнению с катушкой, снабженной простым стержневым сердечником.

    После создания однофазного трансформатора с замкнутым сердечником и параллельным включением обмоток стала возможна передача электроэнергии переменным током высокого напряжения на большие расстояния с малыми потерями.



    «Вторичный генератор» – трансформатор Голяра и Гиббса


    Трансформаторы послужили одним из решающих аргументов в пользу перехода на переменный ток. Но и сторонники более изученного и привычного постоянного тока не сдавались. Постоянный ток был необходим для телеграфии, в электрометаллургии, на транспорте, для прокатных станов и блюмингов, в судостроении.

    Споры между приверженцами разных систем получили название «трансформаторных битв», настолько они были непримиримыми. Среди сторонников постоянного тока нашлось немало талантливых конструкторов. Они нашли способ заставить ток высокого напряжения вращать электродвигатель, соединенный с динамо-машиной, которая давала ток низкого напряжения. Это определило создание трансформаторов постоянного тока.

    Промышленный интерес к подобным машинам проявила фирма «Шуккерт и Ко» в Германии. Во Франкфурте-на-Майне изобретатель Лемейер придумал разместить на одном якоре машины две обмотки: одну со множеством витков тонкой проволоки, а другую с малым количеством витков толстого провода. Каждую обмотку он соединил со своим коллектором. Получилась машина, объединяющая в себе и двигатель, и генератор. Назвали ее умформером, машиной, способной преобразовывать постоянный ток одного напряжения в постоянный же ток другого напряжения, то есть трансформатор постоянного тока.



    Трансформатор постоянного тока Лемейера


    Напряжение в однофазных цепях легко было повышать и понижать с помощью трансформаторов в любых пределах. Это снимало главную проблему передачи электроэнергии на расстояние. Но однофазные синхронные двигатели либо не имели пускового момента, либо запускались с большим трудом. И это сужало область применения однофазного переменного тока. На его долю оставалось только электрическое освещение. Существующее производство такое решение не устраивало. И в бурно развивающейся электроэнергетике возник научно-технический кризис…

    Die Neckarwasser murmeln in Frankfurt-am-Main (Воды Некара журчат во Франкфурте-на-Майне)

    Вы, наверное, не забыли, как в 1824 году талантливый французский физик Доминик Франсуа Араго демонстрировал коллегам по академии феномен «магнитного вращения». Напомню, он вращал постоянный магнит под немагнитным медным диском, и тот послушно следовал за магнитным стержнем или подковкой.

    Полвека спустя английский физик У. Бейли заставил вращаться медный диск в меняющемся магнитном поле неподвижных электромагнитов. Он доказал, что, будь таких электромагнитов бесконечное множество, магнитное поле стало бы равномерно вращающимся. Это было явление, довольно трудно постигаемое электриками той поры. Многие интересовались им, но больше всех, пожалуй, сделали для понимания и практической реализации феномена итальянский профессор, член Туринской академии наук Галилео Феррарис и перебравшийся в Америку сербский инженер Никола Тесла. Оба независимо друг от друга и почти одновременно сконструировали модели двухфазных индукционных (асинхронных) двигателей и объяснили их действие.



    Схема первоначального двигателя Н. Теслы



    Двухфазный индукционный (асинхронный) двигатель Н. Теслы, изготовленный на заводах Вестингауза


    Феррарис полагал получать сдвинутые по фазе токи от одного генератора при помощи сконструированной им фазосмещающей системы. В отличие от итальянского коллеги, Тесла был всю жизнь сторонником двухфазной системы, считая ее наиболее экономичной. Это была его ошибка. Но выяснилась она позже.

    Двухфазная система требовала четырех проводов, что делало строительство более дорогим. Провода были, как правило, из меди. Именно медь имеет наименьшее электрическое сопротивление, потому и потери в медной линии были меньше, чем в стальной.

    Тесла предложил четыре провода двухфазной линии передачи заменить тремя, объединив два из них в один – нулевой. Но по этому проводу шел больший ток, и его приходилось делать существенно толще. Выигрыш в металле оказывался ничтожным.

    Тесла оказался не только исключительно талантливым инженером-изобретателем, но и весьма оборотистым дельцом. Так, только за 80-е годы он получил более 40 патентов на многофазные системы и в 1888 году продал их фирме Вестингауза, с которой сотрудничал несколько лет.

    В то время конструкторы разных стран разрабатывали многофазные системы. В Англии много сил потратил на это Ч. Бредли. Он построил несколько оригинальных двухфазных и трехфазных генераторов. Однако, не будучи знаком с результатами опытов с вращающимся магнитным полем, он рассматривал все многофазные системы просто как сумму однофазных. И потребители на конце линии передачи энергии должны были включаться в свою однофазную пару проводов.



    Схема пятипроводной системы распределения энергии между потребителями


    Одну из первых многопроводных схем предложил швейцарский инженер Рене Тюри. И по его проекту была сооружена французская линия электропередачи Мутье-Лион длиной 180 км с напряжением 57 кВ. В строй она вошла в 1906 году.

    На гидростанции Мутье последовательно были включены несколько динамо-машин. Напряжение подавалось в линию. В Лионе, на приемном конце, стояли также последовательно соединенные двигатели постоянного тока, которые, в свою очередь, вращали трехфазные генераторы переменного тока. И уж от них ток шел на предприятия и в дома города. Система получилась довольно сложной.

    Тем не менее в мире было построено несколько многопроводных линий. Наибольшее распространение получила трехпроводная система распределения с двумя генераторами и вдвое большим напряжением в линии передачи. На нее в ряде городов стали переделывать даже уже имеющиеся двухпроводные системы.

    Наибольший успех выпал на долю молодого русского инженера-конструктора германской фирмы «АЕG» Михаила Осиповича Доливо-Добровольского.



    Михаил Осипович Доливо-Добровольский (1861–1919)


    Михаил Доливо-Добровольский родился в Санкт-Петербурге в семье чиновника. В шестнадцать лет поступил в Рижский политехнический институт, но в результате студенческих волнений был исключен и закончил образование в Германии на электротехническом отделении машиностроительного факультета Дармштадтского высшего технического училища. По окончании учебы получил предложение остаться преподавателем в том же училище. Он согласился, но скоро перешел на заводы фирмы «Всеобщая электрическая компания» (Allgemeine Electricitats-Gesellschaft – AEG). Здесь и прошла почти вся его трудовая и творческая жизнь.

    Он много занимался проблемами электротехнических измерений и, естественно, не мог не интересоваться проблемами передачи и распределения электроэнергии. Так, он изобрел очень простой и экономичный трехпроводный «делитель напряжения», который позволил использовать в линиях передачи постоянного тока напряжение вдвое большее, чем у потребителей.

    В 1888 году он познакомился с текстом доклада Г. Феррариса и сразу же стал думать о применении не двухфазного тока, как у Феррариса и Теслы, а трехфазного, то есть трех переменных токов, сдвинутых по фазе на одну треть периода (на 120°), создающих вращающееся магнитное поле. Но для широкого практического использования трехфазного тока следовало создать прежде всего соответствующий двигатель. И Доливо-Добровольский его изобретает. Это была удивительная машина с ротором, имеющим короткозамкнутую обмотку в виде «беличьего колеса». Михаил Осипович сразу же получает на него патент. Кстати, его конструкция асинхронного двигателя в принципе сохранилась и до наших дней, как, впрочем, и вся созданная Доливо-Добровольским трехфазная электрическая система.

    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.

    Глава 12. Укрощение

    Превращения

    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.

    Четвертый – современный этап. Начавшись в середине 80-х годов XIX века, он продолжается по сей день. Его можно назвать эпохой переменного трехфазного тока. Именно он – трехфазный переменный ток – позволил осуществить передачу электроэнергии на далекие расстояния, создать единую энергетическую сеть и обеспечить надежную работу электропривода.

    Развитие мощных трехфазных машин – турбогенераторов – началось с новым, ХХ столетием. Уже через 20 лет в США был изготовлен двухполюсный турбогенератор немыслимой, казалось бы, мощности – 62,5 МВт и частоте вращения 1200 об/мин. Но технический прогресс подгоняет сам себя и имеет тенденцию к ускорению. Одновременно с двухполюсными появились четырехполюсные турбогенераторы еще большей мощности. К 1937 году в СССР был разработан и построен самый мощный в мире турбогенератор мощностью 100 МВт и частотой вращения 3000 об/мин. Это была очень непростая работа. Энергетиков беспокоили проблемы охлаждения обмоток. Внушали опасения огромный диаметр ротора и расстояние между его опорами. Хватит ли прочности у металла? Трудности возникали и при создании громадных поковок для ротора. А какая точность обработки требовалась от электромашиностроителей… Ведь у гигантских машин есть недремлющий враг – вибрация, способная разрушить даже самую прочную конструкцию.

    Великая Отечественная война задержала стремительный рост советского энергомашиностроения. Но после победы народное хозяйство потребовало еще более мощных машин. Были разработаны и построены турбогенераторы вдвое большей мощности, втрое, в пять и десять раз. Для Костромской ГРЭС был разработан проект турбогенератора мощностью 1200 МВт и частотой вращения 3000 об/мин.

    Чтобы повысить мощность гигантских машин, было предложено много усовершенствований. Главным явилось увеличение плотности тока в обмотках. Вы спросите: «А как же с охлаждением? Ведь уже на довоенном гиганте их нагрев представлял собой проблему». Правильно! Дальнейший прогресс потребовал глубоких теоретических и экспериментальных исследований, создания опытных машин и уникальных испытательных стендов. Конструкторы ленинградского завода «Электросила» впервые в мировой практике разработали и внедрили водородное охлаждение роторов. Статор же охлаждался водой, которая текла по полым медным проводникам обмотки. Для крепления были применены новые материалы, позволившие насколько возможно убрать вибрацию и не допустить резонанса.

    Аналогичный путь исследований и устранения трудностей проходили и зарубежные турбостроительные фирмы. В США и Японии ныне строятся турбогенераторы в основном с водородно-водяным охлаждением мощностью до 1100 МВт. Фирма «Сименс», создающая турбогенераторы для атомных электростанций, освоила выпуск агрегатов мощностью 1500 МВт, частотой вращения 1800 об/мин и частоте тока 60 Гц. Фирма использует только водяное охлаждение как для обмоток статора, так и для ротора. А фирма «Альстом-атлантик» построила для атомных электростанций серию четырехполюсных турбогенераторов мощностью 1600 МВт.

    Однако такие гиганты, как выяснилось из опыта мирового энергомашиностроения, кое в чем проигрывали по сравнению с турбогенераторами средних мощностей. Особенно если сравнивать их с более простыми парогазовыми установками. Первый такой турбогенератор мощностью 150 МВт и частотой вращения 3000 об/мин с более простой системой воздушного охлаждения был построен в АО «Электросила» для Северо-Западной ТЭЦ в 1996 году.

    Следующим, вторым, звеном нашей цепи является линия электропередачи, ЛЭП, с преобразовательными подстанциями, трансформаторами и всевозможными вспомогательными устройствами. Главная задача ЛЭП – экономичная передача электрической энергии от генератора к приемнику, от электростанции к потребителю. Сегодня линии представляют собой грандиозные сооружения из высоченных мачт-опор с подвешенными на них многокилометровыми проводами (не менее грандиозными являются и линии подземных и подводных кабелей).

    Россия – самая протяженная страна в мире. Основное население и промышленность сосредоточены в ее европейской части, а источники электроэнергии в большей степени – в восточной. И с каждым годом для транспортировки энергии нам приходится строить линии электропередачи на все большие и большие расстояния. Вы, конечно, понимаете, что чем длиннее линия передачи, тем больше в ней неизбежных потерь. Чтобы их снизить (я уже не раз об этом говорил), надо повышать напряжение. Вы помните, что чем выше напряжение на линии, тем меньшая сила тока нужна для передачи одной и той же мощности. А чем меньше сила тока, тем ниже потери. Этими соображениями и руководствуются проектировщики и строители, испытывая на полигонах модели линий электропередачи на 100 и 1000 кВ.

    Третье звено – потребитель, от электрической лампочки и до. Пожалуй, сегодня не то что перечислить основных потребителей, но даже обозначить их границы невозможно. Мы живем в электрическом мире, и этим все сказано. Представить себе жизнь современного города без электричества невозможно! Мы создали для себя искусственный мир и не заметили, как сами оказались в его плену. Но пути назад не существует. Колесо истории и прогресса крутится только в одну сторону. Значит, надо работать дальше – изобретать, конструировать, двигать техническую мысль. Это интересно, в этом смысл жизни инженера.

    «Mobilis in mobile» – «подвижный в подвижном»

    Помните, чей это девиз? Надпись была выбита на корпусе «Наутилуса», подводной лодки капитана Немо. Роман «Двадцать тысяч лье под водой» был написан Жюлем Верном в 1870 году. Запомните эту дату.

    А теперь переберем в памяти некоторые подробности конструкции фантастического «Наутилуса». Длина – 70 м. Максимальная ширина – 8 м. Водоизмещение – 1500 т…

    По сравнению с современными атомными подводными крейсерами – габариты скромные. Но вспоминаем дальше: двойной корпус из стали повышенной прочности позволял подводной лодке погружаться на любую глубину. При этом мощный прожектор разгонял мрак мира безмолвия на полмили вперед. Не поднимаясь на поверхность, «Наутилус» мог пройти до 4000 км!.. Знатоки скажут: «Тоже не очень…» Но я еще раз напомню – 1870 год! А какие подводные лодки знали к этому времени в мире?

    1863 год. Во Франции спущена на воду подводная лодка, изобретенная капитаном Буржуа и инженером Брюном: 41,5 м длины, 6 м ширины и 3,5 м высоты. Лодка вооружена шестовой миной и благодаря машине, работающей на сжатом воздухе, развивает скорость до пяти узлов. После удачных испытаний и лестных отзывов комиссии лодка сдана порту.

    1866 год. В России на Кронштадтском заводе построена и спущена на воду подводная лодка конструкции петербургского фотографа Александровского: длина – 33,5 м, ширина – около 4 м и высота – 3,5 м. Водоизмещение – 220 т. Двигалась она силой сжатого воздуха, который хранился в 200 газгольдерах. Испытание прошло удачно. Однако когда в дальнейшем лодку опустили на глубину примерно 30 м, обшивка не выдержала, и судно затонуло.

    Строились в ту пору лодки в Англии и в Америке, так что сама идея подводного плавания, как говорится, витала в воздухе.

    Но пока то, что выходило из мастерских, больше походило на цистерны. Это были клепанные из стальных листов неуклюжие, беспомощные аппараты. Двигатели на сжатом воздухе могли работать не более получаса. Да и вообще большая часть этих монстров тонула еще на испытаниях. А «Наутилус»? Великолепный подводный корабль оживляло электричество!

    Жюлю Верну было 10 лет, когда по волнам реки Невы поплыла против течения шлюпка, приводимая в движение «магнитной машиной» Якоби. Может возникнуть вопрос: откуда автор серии романов «Необыкновенные путешествия» черпал технические идеи для своих произведений?

    Я не знаю, был ли знаком французский романист с трудами российского изобретателя, но можно предположить, что был. Потому что основные работы Бориса Семеновича Якоби публиковались не только в «Известиях Санкт-Петербургской академии наук», но и в Германии – в физико-химическом журнале «Анналы» Иоганна Поггендорфа, а также были изданы Парижской академией наук.

    Однажды настойчивая английская журналистка Мэри Бэллок уговорила Жюля Верна показать ей свой рабочий кабинет, ввести ее в «тайное тайных». Ей пришлось подняться по узкой винтовой лестнице на верхний этаж, где она увидела скромную небольшую комнату со столом, рабочим креслом и кроватью.

    – Как, и это все? – удивилась журналистка.

    И тогда хозяин дома повел ее коридором, сплошь увешанным географическими картами, и отворил дверь в комнату, заставленную книжными шкафами. Это была библиотека. Всевозможные труды по географии и записки путешественников, книги по геологии, физике, химии, по астрономии и технологии бесчисленных производств заполняли шкафы. Тут же находилась великолепная картотека, составленная самим Верном и содержащая интересные сведения по всем отраслям знаний. Громадный стол посредине был завален газетами, журналами и бюллетенями научных обществ. Когда он успевал все это прочитывать и что мог он найти для фантазий, опережающих время, в научной литературе своей эпохи?

    Итак, жюль-верновский «Наутилус» жил и действовал благодаря электричеству. Прислушаемся к диалогу, который ведут между собой капитан Немо и его пленник профессор Аронакс.

    «– Тут, господин профессор, я должен буду дать вам некоторые разъяснения, – сказал капитан Немо, – не угодно ли выслушать их? Помолчав немного, он сказал: – В природе существует могущественная сила, послушная, простая в обращении. Она применима в самых различных случаях, и на моем корабле все подчинено ей. От нее исходит все! Она освещает, отапливает, приводит в движение машины. Эта сила – электрическая энергия!

    – Электрическая энергия? – удивленно воскликнул я.



    Подводные лодки XIX столетия



    «Наутилус» капитана Немо


    – Да, сударь.

    – Однако ж, капитан, исключительная быстроходность вашего корабля плохо согласуется с возможностями электрической энергии. До сей поры динамическая сила электричества представлялась весьма ограниченной и возможности ее чрезвычайно ничтожны.

    – Господин профессор, – отвечал капитан Немо, – способы использования электричества на корабле значительно отличаются от общепринятых…»

    Вот в чем оказывалась причина мощности «Наутилуса». Таинственные гальванические элементы, использующие, по словам капитана Немо, извлеченный из морской воды хлористый натрий, то есть обычную поваренную соль, в соединении со ртутью давали электрический ток и питали насосы и двигатели, освещали, отапливали и осуществляли вентиляцию подводной лодки. Поскольку капитан Немо был уверен, что его пленник отныне навсегда связан с подводным кораблем, он не скрывал от профессора Аронакса своих технических секретов…

    «– Вы видите, – сказал капитан Немо, – я пользуюсь элементами Бунзена, а не Румкорфа. Последние не дали бы мне такого высокого напряжения. Батарей Бунзена у меня не так много, но зато работают они на большой мощности. Электрическая энергия, выработанная батареями, передается в машинное отделение, приводит в действие электромоторы, которые через сложную систему трансмиссий сообщают вращательное движение гребному валу. И несмотря на то что винт в диаметре равен 6 метрам, скорость вращения его доходит до 120 оборотов в секунду.

    – И вы развиваете скорость.

    – Пятьдесят миль в час.



    Первая электрическая дорога на Берлинской выставке 1879 года


    Тут крылась тайна, и я не настаивал на ее разъяснении. Как может электричество дать столь высокое напряжение? В чем источник этой сверхмощной энергии? В высоком ли качестве арматуры нового образца, в которой индуктируется ток? В системе ли трансмиссий неизвестной дотоле конструкции, способной довести силу напряжения до бесконечности? Я не мог этого понять…»

    Жюль Верн был убежден, что именно электричество «в будущем заменит ветер, воду и паровые двигатели», преобразует технику и коренным образом изменит жизнь общества.

    Электростанции на колесах

    Пожалуй, самой первой областью применения электродвигателей стал транспорт. Конно-железные дороги в разросшихся городах не справлялись с пассажиропотоком. Паровой транспорт не устраивал горожан из-за грязи, дыма и копоти.

    Сначала инженерная мысль вертелась вокруг создания автономных тяговых устройств. Гальваническая батарея или аккумуляторы размещались на лодке или в самом экипаже, там же стоял и питаемый ими двигатель. Эта система требовала совершенствования аккумуляторов и зависела от них.



    Электрический локомотив фирмы «Сименс и Гальске» для рудников


    После изобретения генератора Грамма внимание изобретателей перекинулось на неавтономные системы, в которых электрическая энергия передавалась по проводам к двигателю, установленному на экипаже.

    В 1879 году фирма «Сименс и Гальске» построила на Берлинской промышленной выставке небольшую электрическую железную дорогу, способную перевозить пассажиров. Электроэнергия по отдельному контактному рельсу подводилась к двигателю моторного вагона, напоминающего современный электрокар. Обратным проводом служили рельсы, по которым двигался поезд, состоящий из моторного вагона и трех тележек. На них размещалось 18 пассажиров.

    Затем американский инженер Ван-Депуль и Вернер фон Сименс независимо друг от друга изобрели питание моторного вагона от верхнего контактного провода. Новоизобретенный способ передвижения быстро завоевал популярность, и буквально в считанные годы во многих городах были построены электрические железные дороги (трамвайные линии). Нашли они применение и в горнодобывающей промышленности.



    Один из первых американских трамваев с контактным проводом

    Слово «трамвай» составлено из двух английских: tram – вагон и way – путь. В России первый трамвай был пущен в Киеве в 1892 году. Городские власти долго сопротивлялись постройке линии. Были испробованы конная и паровая тяги для подъема по крутой горке с окраинного Подола к Крещатику. Но ни то ни другое средство осилить подъем не смогло. Пришлось строить электрический трамвай.

    Первый трамвай побежал по берлинским улицам, вернее, в берлинском пригороде в 1881 году. Электрический ток по рельсам подводился к двигателям мощностью всего по 4,5 лошадиных силы. Вагоны с открытыми площадками были рассчитаны на 24 пассажира. Потом американцы предложили верхний контактный провод с роликовым токоприемником, а еще через год немецкие изобретатели сделали контактную петлю.

    С этого момента трамвай начал быстро распространяться и в европейских странах, и в США. Некоторые компании пробовали составить ему конкуренцию, вводя омнибусы с аккумуляторами, которые устанавливались под пассажирскими сиденьями. Но они оказались дороже в обслуживании и вообще в эксплуатации. Тем не менее городской электрический транспорт с автономным питанием довольно долго не сдавал своих позиций.



    Немецкий трамвай с контактной петлей


    В местах, где городские власти не разрешали вешать воздушные провода, применялись вагоны с комбинированным питанием. В Ганновере, например, аккумуляторные батареи заряжались во время пробега вагона по пригородным участкам пути, снабженным контактным воздушным проводом, и запасали достаточно энергии, чтобы провести вагон по беспроводному центру города.

    Теснота берлинских улиц, загруженность их транспортом и пешеходами вызывали неизбежное снижение скорости передвижения и это привело Вернера фон Сименса к мысли о постройке воздушной дороги. Однако он встретил категорическое противодействие со стороны полицейского управления. Десять лет проект пролежал под спудом, обрастая новыми подробностями. И когда в 1891 году фирма «Сименс и Гальске» добилась пересмотра своего предложения, то чиновники магистрата увидели план, на котором была изображена обширная сеть не только воздушных, но и подземных дорог. Город согласился на постройку одной линии, идущей от Варшавского моста к Зоологическому саду, с ответвлением к Потсдамскому вокзалу. И в 1893 году железные виадуки первой воздушной электрической дороги в Берлине с положенными на них рельсами были воздвигнуты.



    Электрическая воздушная дорога в Берлине


    Примерно тогда же директор газомоторной фабрики Ланген предложил другую систему воздушной электрической железной дороги. Он пустил вагон не по рельсам, а подвесил его под ними. И «Акционерное общество Шуккурт и Ко» построило висячую железную дорогу Эльберфельд-Бармен в долине реки, соединив ряд городов.

    В 1882 году родился новый вид городского транспорта – троллейбус. Первая троллейбусная линия была построена в Германии, в Шпандау.

    Слово «троллейбус» состоит из двух английских: trolley (так называется контактный провод с роликовым токоприемником) и bus – омнибус, автобус.

    В России первые троллейбусы, построенные заводом «Динамо», появились в Москве в 1933 году.

    Троллейбусы имеют много преимуществ перед трамваями и автобусами: они не столь шумны, не загрязняют атмосферу и очень просты в обслуживании, особенно в холодное время года.

    Чтобы освободить улицы городов, дорожники уже давно строили подземные переезды, по которым шли поезда с обычными паровозами. Метрополитены строили разным способом. В Лондоне прокладывали тоннели. В Будапеште рыли канавы вдоль улиц и перекрывали их мостовыми. С тех пор эти способы принципиально мало изменились. Разве что техника на строительства пришла другая. Сегодня метрополитен даже более привычен, чем трамвай, доживающий свое время. Главная проблема городского транспорта по-прежнему – теснота улиц. Большие города без подземок просто не могли бы существовать. И конечно, для движения в тоннелях электродвигатели оказались вне конкуренции.



    Так выглядели аккумуляторные батареи в вагоне «Большого берлинского общества городских дорог»


    Повсеместно на электрическом транспорте получил применение постоянный ток. Он обеспечивал удобное регулирование и надежную работу электродвигателей. Дальше, по мере перехода энергетического хозяйства на переменный ток, для транспорта и для других промышленных нужд пришлось разрабатывать и сооружать подстанции, преобразующие переменный ток в постоянный.

    Сегодня электрический транспорт настолько развился, что его целесообразно разделить на системы. Сначала это железнодорожный и городской транспорт, а также подъемно-транспортное оборудование. За ним следуют судовые электроэнергетические системы. Наконец, авиационное и авиакосмическое электрооборудование. Каждая из систем имеет свою историю развития и свои особенности.



    Электрическая висячая дорога Эльберфельд-Бармен


    В железнодорожном транспорте по-прежнему существует два вида тягового подвижного состава. Один из них – автономный, с первичным двигателем (обычно дизелем) на локомотиве и связанным с ним генератором постоянного или переменного тока (синхронного). От генератора электропитание идет к тяговым электродвигателям, связанным с колесными парами, которые и гонят состав по рельсам.

    Существует и неавтономный подвижной состав – хорошо знакомые всем нам «электрички», поезда метрополитена… Их двигатели получают электроэнергию через линию электропередачи от электростанции.



    Строительство подземной дороги в Будапеште


    В зависимости от потребляемого тока, электрическая тяга бывает трех видов: постоянного тока с номинальным напряжением на токоприемнике 3 кВ, однофазного переменного тока промышленной частоты с напряжением 25 кВ (в этом случае на электровозе приходится ставить понижающий трансформатор и выпрямитель) и, реже, однофазного тока пониженной частоты.

    В 1924 году на Коломенском машиностроительном заводе был построен отечественный тепловоз с электрической передачей по проекту инженера Якова Гаккеля. А первые восемь электровозов СССР получил в 1932 году из США. Кстати, на шести из них уже стояли отечественные двигатели, выпущенные заводом «Динамо». В том же году «Динамо» совместно с Коломенским машиностроительным заводом изготовил два отечественных аналога американских электровозов, и в проектном бюро начались работы по созданию отечественного электровоза, более подходящего для российских железных дорог. Первый шестиосный грузовой электровоз был выпущен в СССР в 1936 году. И дальше развитие электровозов постоянного тока шло по пути наращивания мощности, чтобы они могли таскать за собой более длинные составы.

    После Великой Отечественной войны выпуск электровозов был освоен на восстановленном паровозостроительном заводе в Новочеркасске. В 60-70-х годах наши железные дороги получали электровозы из Чехословакии и Грузии. Но после распада СССР эти поставки прекратились.

    Электроэнергетические системы морских просторов

    Во флоте практика применения электричества началась в XIX веке с установки прожекторов. Питались первые установки от поршневых машин с генераторами постоянного тока. Безопасное электрическое освещение внутренних помещений корабля трудно переоценить. Кроме всего, свет ламп накаливания продлил время боевой службы на военных кораблях. А электропривод существенно увеличил их боеготовность. Именно поэтому конец XIX столетия ознаменован усиленными разработками в этой области. После русско-японской войны, продемонстрировавшей отставание России в техническом вооружении флота и малую живучесть ее кораблей, основными источниками электроэнергии на кораблях становятся турбогенераторы. В 1911 году проектное бюро Балтийского завода предложило при проектировании линейного корабля «Севастополь» для обеспечения экономического хода судна использовать совместно дизель-генераторы и гребные электродвигатели постоянного тока. Но уже испытания минного заградителя «Амур» с двигателями переменного тока показали преимущество последних. И проект электроэнергетической системы «Севастополя» решили пересмотреть, с тем чтобы частично перевести на переменный ток.

    С 30-х годов во всем мире при проектировании новых кораблей стали переходить к более простому и надежному электрическому оборудованию переменного тока.

    После Великой Отечественной войны и восстановления промышленности нашей страны было принято решение о постройке мощных ледоколов для освоения Северного морского пути и специальных транспортных судов ледового плавания, способных следовать за ледоколами в условиях Арктики.

    Первым дизель-электроходом отечественной постройки стал танкер «Генерал Ази-Асланов», вошедший в эксплуатацию в 1950 году. По его примеру дизель-генераторами со специально спроектированным оборудованием была оснащена большая серия китобойных судов и мощных рефрижераторов.



    Электрические вентиляторы в гражданском строительстве


    Корабли всех военных флотов мира стали оснащаться электронными системами радиолокации, управления, навигации связи и т. д. Все это требовало новых электроэнергетических мощностей. Корабли становились с энергетической точки зрения настоящими плавучими электростанциями. Например, на американском авианосце «Энтерпрайс» в бортовых отсеках установлены шестнадцать турбогенераторов мощностью по 2500 кВт каждый. Кроме того, имеются еще четыре резервных дизель-генератора мощностью по 1000 кВт. Получается, что на корабле располагаются двадцать самостоятельных электростанций, обеспечивающих живучесть всего сооружения.

    Совершенно новые тактико-технические свойства всем кораблям, и особенно подводному флоту, придала атомная энергетика.

    В 1958 году Советский Союз построил первую атомную подводную лодку. И это явилось крупным техническим достижением в области военного кораблестроения. А в следующем году вступил в строй первый в мире атомный ледокол «Ленин».

    Долго, в течение десяти лет, с середины 60-х годов по заказу военных разрабатывался первый отечественный атомный надводный корабль, задуманный сначала как атомный сторожевик. В конце концов он был выпущен как тяжелый атомный ракетный крейсер с энергосистемой из четырех электростанций.

    Но для успешной боевой работы, кроме движения и управляемости, корабль должен иметь надежное оружие. Сначала главным видом морского вооружения являлась артиллерия. Затем к ней добавились мины и торпеды. После Второй мировой войны – ракеты. При этом любой вид вооружения требовал самых новых, самых последних достижений электротехники и электроники, радиосвязи, радиолокации и радиоуправления.

    Любопытно отметить, что первая отечественная торпеда с электроприводом была разработана И. Ф. Александровским еще во второй половине XIX века. Но идеи талантливого конструктора не были поддержаны, и торпеды для русского флота закупались в Англии.

    В 1950 году была создана и принята на вооружение первая отечественная торпеда с электронным самонаведением. Тогда же конструкторы приступили к разработке и совершенствованию ракетных противолодочных комплексов. И в 1971 году для вооружения первых атомных подводных лодок были созданы комплексы «Брест» и «Спрут». Для больших авианесущих кораблей – комплекс управления стрельбой «Пурга», а затем – универсальный комплекс «Лахна», способный производить стрельбу торпедами, ракетами-торпедами и глубинными бомбами.

    Период с середины 60-х до начала 80-х годов специалисты называют «золотым веком» отечественного судостроения. В это время в Центральном научно-исследовательском институте судовой электротехники и технологии (ЦНИИСЭТ) были выполнены важнейшие работы и достигнут существенный прогресс в создании мощных надводных кораблей, снабженных различного рода ракетным, торпедным и артиллерийским вооружением, а также дизель-электрические и первые атомные подводные лодки. Военный флот получил тяжелые атомные ракетные крейсеры, противоминные корабли, быстроходные ракетные и артиллерийские катера, мощные десантные суда на воздушной подушке и катера на управляемых подводных крыльях. В строй вступили атомные подводные лодки третьего поколения, вооруженные комплексами ракетного оружия «Гранит», которые не имели аналогов нигде в мире…

    Для освоения природных ресурсов Мирового океана на судостроительных заводах в 80-е годы было начато строительство полупогруженных добывающих буровых установок и многоцелевых платформ, требующих электроэнергетического обеспечения большой мощности. Эти сооружения потребовали и новой энергетики. На повестку дня встает вопрос о внедрении сверхпроводниковых электрических машин, высоковольтного оборудования и нового увеличения единой мощности генераторов и нагрузки. Поистине технический процесс безграничен. Но, возможно, именно в этом и заключается его главное достоинство.

    Электричество в полете

    Помните, как русский инженер Лодыгин изобретал электролет? Было это в 70-х годах XIX века. Реализация проекта не состоялась, и от грандиозного замысла осталась маленькая лампочка накаливания, которая должна была освещать кабину летательного аппарата. В 1881 году французские воздухоплаватели братья Тиссандье взяли патент на «применение электричества в воздушной навигации». Сначала они удачно продемонстрировали на Парижской выставке модель электрического аэростата длиной 3,5 м. Затем, собрав деньги, приступили к строительству рабочего аппарата. Французский изобретатель Труве построил для него электромотор по типу двигателей Сименса мощностью 100 лошадиных сил и запускал его от гальванической батареи из 24 элементов. Искусный часовой мастер Виктор Татен, известный своими летающими моделями с тянущими винтами, спроектировал двухлопастный пропеллер.

    8 октября 1883 года состоялось первое испытание. День был почти безветреный. Скорость движения воздуха не превышала 3 м/с, но аэростат с трудом удерживался на месте при включенном на полную мощность двигателе. При втором испытании скорость аэростата возросла, но только до 4 м/с. Конечно, этого было мало. Однако все так желали видеть в аппарате Тиссандье не просто воздушный поплавок, а управляемый новой силой аэростат, что предприимчивые братья полностью ощутили вкус славы.

    Новая сила – электричество – заявила о себе и как победительница воздушной стихии. Французский рисовальщик и писатель-юморист Альбер Робида выпустил в 1883 году фантастический роман «Двадцатое столетие» с массой рисунков, посвященных будущему триумфу электричества. (В 1894 году, переведенная на многие языки, его книга вышла и в России под названием «ЭЛЕКТРИЧЕСКАЯ ЖИЗНЬ. Двадцатое столетие».)

    В книге множество забавных рисунков, которые показывают, какой представляли себе жизнь в электрическом веке французские романисты конца XIX столетия. Есть тут и телевизоры – автор называет их телефоноскопами, – и автоответчики. Многое из того, что казалось сто с небольшим лет назад фантастикой, в наше время осуществлено. Более того, электротехника шагнула неизмеримо дальше, в такие области, которые не снились даже самым дерзким фантастам. Особенно усердствует французский автор, описывая применение электричества на воздушном транспорте.



    Испытание аэростата с электрическим управлением братьев Гастона и Альбера Тиссандье


    С самого начала авиации на борту аэропланов стали устанавливать источники постоянного тока. На военных самолетах в период Первой мировой войны электрические лампочки освещали кабины пилотов и использовались для внешних габаритных огней. Ротор генератора приводил во вращение отдельный ветряной двигатель или привод от моторного вала. К примеру, на русском самолете «Илья Муромец» стоял генератор, дававший напряжение 500 В.

    В СССР на пикирующем бомбардировщике В. Н. Петлякова в 1939 году впервые были применены различные виды электроприводов. Они обеспечивали управление различными элементами скоростной машины.

    Новые самолеты требовали все больше электроэнергии. Это вело к увеличению веса электрооборудования. А проблема собственного веса всегда была одной из серьезнейших в авиации. Вот если бы можно было поднять напряжение. Но самолетное оборудование обслуживалось постоянным током. А поднимать постоянное напряжение, как мы знаем, и сложно, и опасно. Назревала необходимость перехода авиационной электротехники на переменный ток.



    Могучая, но не вполне еще прирученная рабыня

    Электричество (карикатура XIX века)


    Тут далеко не все было просто. Условием параллельной работы генераторов переменного тока является их синфазность, то есть строгое совпадение частоты. Обеспечить это в реальных условиях полета трудно. Но к середине 60-х годов многие трудности были устранены. Например, на борту транспортного самолета Ан-22 «Антей» (первый полет 27 февраля 1965 года), бывшего тогда крупнейшим в мире, кроме пилотажно-навигационного и радиооборудования, имелись электрическая грузовая лебедка, электротельфер, рольганговое и другое электросиловое оборудование. Все это обеспечивали энергией четыре генератора мощностью по 120 кВт каждый. На пассажирском самолете Ту-144 стояли четыре генератора переменного тока мощностью по 60 кВт.

    В последние годы наметилась тенденция создания смешанных электрогидравлических и электропневматических устройств. В них электричество выполняет функции управления, а силовые функции – менее инерционная и более легкая гидравлика. Но главным элементом в новом электромеханизме по-прежнему остается электродвигатель.

    Автономные источники электроэнергии получили новый толчок развития с освоением космического пространства. К космической энергетике и электротехнике предъявляются особенно жесткие и специфические требования, прежде всего – высокая надежность, длительный ресурс работы без внешнего обслуживания и устойчивость к необычным условиям окружающей среды. Сегодня в качестве таких источников конструкторы используют в основном солнечные батареи и атомную энергию, получаемую с помощью либо реакторов, либо радиоизотопных источников. Частично применяются и химические источники электроэнергии. Каждый вид имеет свои достоинства и недостатки.



    Воздушный кабриолет


    Так, аппаратура первого искусственного спутника Земли, запущенного СССР в 1957 году, работала от серебряно-цинковых аккумуляторов. Но уже на третьем нашем искусственном спутнике Земли в 1969 году стояли солнечные батареи в сочетании с энергоемкими аккумуляторами. «Крылья» солнечных батарей стали буквально символом космических станций и межпланетных кораблей. Неиссякаемая энергия нашего светила – что может быть более привлекательным для энергетиков?

    Американская фирма «Спектролаб Инк.» разработала и поставила на своих спутниках солнечные батареи мощностью 10 кВт. Их солнечные элементы имеют двухслойную структуру и наносятся на германиевую основу. При этом наружный слой состоит из фосфата галлия с индием, который чувствителен к коротковолновой части солнечного спектра, а внутренний слой из арсенида галлия преобразует длинноволновую часть спектра.

    Разработкой новых солнечных элементов заняты за рубежом многие фирмы. Ведущими в этой отрасли являются японская фирма «Шарп» и германская «Телефункен».


    Опыты по золочению с помощью химических элементов

    Электротехнология

    Технология – это наука о воздействии на сырье или полуфабрикаты для получения конечного продукта. Технологией же называют и совокупность методов обработки, изменения состояния свойств, то есть опять же изготовление конечного продукта из материала-полуфабриката.

    Занимаясь поисками более надежных источников питания для своего двигателя, Борис Семенович Якоби обратил внимание на то, что слой меди, оседающей на электроде, нарастает исключительно равномерно, повторяя в точности все неровности и все царапинки на поверхности электрода. При этом осажденный слой было довольно легко снять. Счастливая мысль поразила исследователя. Он снял с входной двери медную табличку, на которой было выгравировано его имя, сунул на место медного электрода и скоро получил точное негативное изображение надписи. Он взял тяжелый медный пятак и получил оттиск с одной и с другой стороны. Это было чудесное открытие. Ведь в качестве одного из электродов можно брать хоть серебро, хоть золото, а в качестве второго – металлическое изделие. Не очень долгий процесс под током от тех же гальванических батарей – и металл изделия оказывался посеребренным или вызолоченным!

    Новыми опытами увлеклись многие. Открытие Якоби оказалось весьма своевременным. Россия готовилась к реформе перехода на денежную систему ассигнаций взамен кредитных билетов. Реформа затягивалась из-за изготовления граверами точных клише, которые нельзя было бы подделать. Изобретение Якоби снимало проблему.



    Гальванопластическая мастерская XIX века


    В 1842 году из печати вышло первое «Теоретическое и практическое руководства к золочению, серебрению, платинированию, лужению». Автор – А. Ф. Греков. Еще через два года – «Гальванизм в техническом применении» князя В. Одоевского. Процессами золочения в железосинеродистых электролитах активно занимался князь Петр Багратион. Отдал дань всеобщему увлечению и Эмилий Ленц, занявшись изготовлением копий медальонов методом гальванопластики.

    Сам Якоби получил возможность организовать мастерскую гальванотехники.



    Электрический взрыватель мин


    В заказах недостатка не было. Статуи и барельефы для Исаакиевского собора, для Зимнего дворца и Петропавловского собора в Санкт-Петербурге, для Большого театра в Москве и для других зданий. Более сорока пяти пудов золота пошло на золочение куполов соборов Санкт-Петербурга и храма Христа Спасителя в Москве, все эти заказы выполнили мастерские гальванопластики. Чтобы познакомить со своим изобретением европейских ученых, Якоби сделал гальванопластическую копию с металлической пластинки, на которой было выгравировано: «Фарадею от Якоби с приветствием». Копия поехала в Англию, откуда скоро пришел ответ «короля физиков»: «Меня так сильно заинтересовало Ваше письмо и те большие результаты, о которых Вы даете мне такой обстоятельный отчет, что я перевел его и передал почти целиком издателям «Философикал мэгэзин» в надежде, что они признают эти новости важными для своих читателей…»

    Фарадей не ошибся. Мастерские гальванопластики стали возникать во всех странах. А отчет Якоби, представленный на Всемирной выставке 1867 года в «Записках Академии наук», оказался едва ли не самым популярным экспонатом.

    Интересно, что при раскопках в древних египетских гробницах археологи нашли немало деревянных предметов, покрытых слоем меди. Скорее всего, древние египетские жрецы владели способом гальванопластики. Искусство химического превращения строго охранялось в египетских храмах от непосвященных. Со временем и с нашествием арабов древнее искусство сначала забыли, а потом и потеряли его секреты.

    В 1800 году английские физики Уильям Никольсон и Энтони Карлейль сообщили о том, что им удалось с помощью электрического тока от вольтова столба разложить воду.

    Сегодня с помощью электрохимических процессов ведется в промышленных масштабах электролитическое разложение воды, получение хлора и щелочи, электрохимический синтез соединений, гальванотехника, получение и рафинирование металлов и другие процессы.


    Электрические запалы мин



    Электрическая печь Вильяма Сименса


    В 1802 году Василий Петров исследовал электролиз воды, оксидов свинца, олова, ртути, а также электролиз органических соединений.

    В 1838 году российский академик Борис Якоби заявил о разработанном им методе гальванопластики, создал целый ряд приборов, нашедших широкое применение в промышленности и военном деле. Среди них телеграфный аппарат и линия связи между Зимним дворцом, Царскосельским дворцом и Главным штабом. Наконец, во время Крымской войны он разработал новый метод подрыва мин с помощью магнитоэлектрической машины и создал дистанционный электрический минный взрыватель.

    В запал мины вставлялся проводник, который раскалялся электрическим током, воспламенял запальную смесь и… ба-бах! Были и другие запалы, взрывающиеся от искры, которая проскакивала между проводниками от электрической машинки.

    Для промышленного применения электродугового нагрева французы Депре и Пишон, а также «английский» Сименс изобрели электроплавильные печи. В тигели с платиновым или угольным отрицательным электродом в днище загружали куски стали. С другой стороны присоединяли «плюсовой» провод от динамо-машины. Возникала дуга, которая плавила металл. Потом уже другие изобретатели придумали специальные печи для плавки металлов электрическим способом.



    Николай Гаврилович Славянов (1854–1897)


    В 1888 году в России горный инженер Николай Гаврилович Славянов изобрел метод электрической отливки и сварки металлов, получив патенты во многих европейских странах. Он же изобрел метод «электрического уплотнения металлических отливок» и в судостроении заменил клепку корпусов сваркой.

    Англичане в самом конце XIX века разработали теорию и практику индукционного нагрева и плавки. По сути, к 90-м годам XIX века в мире возникла новая отрасль промышленности – электротехнология. Сегодня она настолько широко внедрена в промышленность и получила такое развитие, что понадобилась специальная классификация.

    Прежде всего это электротермические процессы, при которых электрическая энергия преобразуется в тепловую, а уже та используется в технологии производства. При этом нагрев может происходить самым разным образом: либо как нагрев резистивный (нагрев сопротивления), либо – электродуговой. Нагрев проводников в электромагнитном поле – индукционный нагрев и нагрев диэлектрический, когда температура повышается в диэлектрике. Обрабатываемые детали могут нагреваться в потоке плазмы, электронным лучом, с помощью лазера, в высокочастотном электромагнитном поле.

    Примерами первых бытовых применений резистивного нагрева в XIX веке являлись электрические самовар, камин, инкубатор и грелка для щипцов, чтобы завивать волосы дамам.

    Но затем идут более серьезные задачи – электросварочные процессы, которые не нуждаются в особом разъяснении. Достаточно представить себе картину цеха, где производилась электросварка при помощи вольтовой дуги. Все процессы и атрибуты нам хорошо знакомы. То же темное стекло, предохраняющее глаза от яркого света, те же или почти те же электроды.

    Далее назовем электрофизические процессы, использующие различные физические эффекты для механической обработки. К ним относится электроэрозионная обработка. Суть ее заключается в разрушении участков заготовки под действием электрических разрядов. В качестве источников электрической энергии применяются специальные генераторы импульсов.



    Электрический самовар



    Электрический инкубатор


    Метод электроимпульсной обработки давлением (электровзрывная обработка) применяется при штамповке, чеканке, дроблении хрупких материалов и при вытяжке изделий. Есть и другие виды электрофизической обработки различных материалов: электронно-ионная технология, электроочистка с помощью сильного электрического поля. Нанесение защитных покрытий в электрическом поле, электропечать и другие…

    Следующим классом электротехнологических процессов является электрохимическая технология.

    В середине 60-х годов XIX века в Англии инженер Элкингтон, используя имевшуюся в его распоряжении магнитоэлектрическую машину Вильде, попытался осуществить электрическую очистку меди. Но первая успешная установка для очистки меди была сконструирована в 1878 году фирмой «Сименс и Гальске». Электролитом служил раствор медного купороса, и медь с катода снималась достаточно чистой (99,5 %).

    Химические процессы, происходящие в электролите при прохождении через него постоянного электрического тока, называются электролизом. При этом на катоде выделяются продукты восстановления, входящие в состав электролита, а на аноде – продукты окисления. Количественные изменения описываются законами Фарадея.

    На электролизе основано получение многих металлов, щелочей, хлора, водорода, кислорода, некоторых органических веществ и химических продуктов.

    На электролитическом методе был основан способ получения цинка, золота, магния и, что особенно привлекало интерес промышленников, – алюминия. Благодаря электролизу этот легкий серебристый металл из драгоценного и труднодобываемого в малых количествах (в 1856 году один килограмм алюминия стоил 1200 франков) к концу XIX века превратился в широко распространенный и общеупотребительный (стоил он уже около 30 франков за килограмм).



    Электрическая грелка для парикмахерских щипцов


    С помощью электролиза получают и различные неорганические вещества. В частности, хлор и щелочь. В свое время американцы у Ниагарского водопада, рядом с грандиозной по своему времени электростанцией, построили завод для получения карбида кальция, который использовался в промышленности XIX века.

    Широко применяется в промышленности и в других отраслях анодная обработка металлов, в частности, электрополирование и анодное оксидирование. Что такое полирование, я думаю, понятно каждому. Но на всякий случай напомню историю появления процесса. В 1910 году русский химик Е. И. Шпитальский обнаружил эффект полирования поверхности металла при погружении его в концентрированный раствор кислородосодержащих кислот и пропускании через раствор электрического тока. Сегодня таким способом осуществляется электрополирование многих металлов.

    При анодном оксидировании поверхность алюминия становится более прочной и изнашивается не столь быстро.

    ЛЭП

    Выработка и потребление электрической энергии невозможны без создания крупных энергосистем. В их составе могут параллельно работать и тепловые и гидравлические электростанции. Это дало бы возможность наиболее эффективно использовать природные энергетические ресурсы. Такие идеи не могли не породить грандиозных проектов.

    И вот в начале XX столетия появились очень интересные разработки инженеров Вьеля и Зергеля. Вьель предложил создание единой энергетической системы Европы.



    Сварка дугой


    Но в 1911–1912 годах в Европе бушевали войны. Италия воевала с Турцией за земли Триполитании и Киренаики. В 1912 году началась Балканская война, а в 1914-м – Первая мировая… Войны и политика показали невозможность осуществления межгосударственных проектов.

    Зергель предложил энергетическую систему Средиземноморья. По его проекту предусматривалось строительство громадных плотин в Гибралтарском и Дарданелльском проливах, а также Тунисской и Мессинской плотин. При этом уровень Средиземного моря в западной его части должен был понизиться на 100 м, а в восточной – на 200. Обнажившееся морское дно у берегов Южной Европы и Северной Африки даст дополнительные плодородные земли, а гидроэлектростанции, построенные на задуманных плотинах, обеспечат более 200 000 МВ/ч электроэнергии в год.

    Интересный проект, жаль только, что кроме экономических трудностей глобального характера он не учитывал трудностей политических. По опыту человечество знает, что труднее всего оказывается договориться с соседями через границу. У всех свои интересы!…



    Сварочная машина Томсона


    Строительство линий электропередачи в XX веке стало нарастать стремительными темпами. В начале века были построены первые линии на напряжение 35–40 кВ. Через десять лет напряжение поднялось до 50–70 кВ, а еще через десять лет – до 100 кВ. Потом, в начале 30-х годов, американцы построили ЛЭП на 287 кВ, а после войны, в середине 50-х, – на 345 кВ. Напомню еще раз о причине гонки за высоким напряжением: выше напряжение – меньше потери в линии.

    До 1990 года потери в сетях Министерства энергетики СССР были немногим меньше 10 %. Много это или мало? Примерно столько же потребляла в то время одна из самых энергоемких отраслей – черная металлургия. Получается, что эти 10 % – цифра громадная. Еще большее впечатление может произвести на вдумчивого читателя известие о том, что при этом до 85 % всех потерь приходилось на распределительные сети низкого напряжения… Весьма наглядные цифры, не так ли?

    Для России с ее необозримыми пространствами строительство и совершенствование линий электропередачи имеют особенно важное значение. В 1956 году была введена в эксплуатацию ЛЭП на напряжение 400 кВ протяженностью 85 км. Ее проектирование началось еще до Великой Отечественной войны в Ленинградском политехническом институте под руководством профессора Александра Александровича Горева, одного из крупнейших отечественных ученых не только в области техники высоких напряжений и электроэнергетики, но и в электрофизике.



    Установка с динамо-машиной для получения чистой меди электролитическим путем


    В ходе развития народного хозяйства в СССР еще в 30-х годы образовались две крупные научные электротехнические школы: ленинградская и московская. В Ленинграде при Политехническом институте под руководством А. А. Горева создается так называемое «Бюро Куйбышевских работ» для проведения предпроектных исследований ЛЭП на 400–500 кВ. Был построен знаменитый высоковольтный корпус, в котором исследователи получали на больших разрядниках искусственные молнии и изучали переходные процессы в линиях, а также работу изоляторов и их характеристики.

    В послевоенное время проблемами сооружения сверхвысоковольтных ЛЭП занимались многие институты. Строительство крупных тепловых и атомных электростанций в европейской части СССР потребовало нового повышения напряжения в линиях передачи. В Московском энергетическом институте (МЭИ) ученые-энергетики Валентин Андреевич Веников и Теодор Лазаревич Золотарев разработали метод физического моделирования системы электропередачи. Была построена модель ЛЭП от Волжской ГЭС до Москвы, на которой отрабатывались основные проблемы новой техники. Позже такие физические модели взяли на вооружение специалисты всего мира. Многие проектные и научно-исследовательские институты работали над созданием ЛЭП на 500 кВ. Советские электрики построили высоковольтные линии электропередачи в Венгрии, Польше, Румынии и Болгарии.

    В ноябре 1967 года под Москвой заработала во многом еще экспериментальная ЛЭП на 750 кВ, длиной около 100 км. Подобные же линии на 735–800 кВ в то же время начали разрабатывать и строить в ряде стран Северной и Южной Америки и в Японии…



    Одна из первых генераторных установок на алюминиевом заводе, построенном на Рейнском водопаде


    Но в 70-е годы мир поразил энергетический кризис. И среди специалистов-энергетиков возникла идея, что для передачи энергии от тепловых и гидроэлектростанций на дальние, все увеличивающиеся расстояния скоро потребуются линии ультравысокого напряжения (УВН). В СССР был уже накоплен большой опыт в этом направлении. Однако при таких сверхвысоких и ультравысоких напряжениях перед инженерами и зарубежными специалистами, появились новые проблемы, связанные с электроизоляцией воздушных линий, подстанций и всего оборудования.

    Может возникнуть вопрос: а что особенно трудного в повышении напряжения, скажем, на воздушной линии? Как ни странно, главная проблема – это проводимость воздуха. Ведь чтобы не происходило «пробоя» (короткого замыкания) между проводами, воздух должен обладать очень большим сопротивлением. Но его проводимость, к сожалению, после определенного предела начинает резко возрастать. И тут инженерам-электрикам приходится идти на массу ухищрений, чтобы «обмануть природу».

    Некоторые специалисты стали связывать дальнейшее развитие передачи электроэнергии не с воздушными линиями, а с кабельными, подземными. Казалось бы, здесь-то проводимость должна быть еще выше, чем в воздухе. Но все дело в изоляции. Ученые предложили использовать в качестве изолятора газ, обладающий чрезвычайно низкой электропроводностью и большой электрической прочностью. Такой диэлектрик уже существует – это шестифтористая сера (SF6). Электрики называют ее элегазом.

    Энергетический кризис 70-х годов подтолкнул человечество к поискам удешевления энергоресурсов. Были открыты новые месторождения нефти и газа и придуманы новые способы их транспортировки.



    Электрические печи завода карбида кальция у Ниагарского водопада


    Построены громадные танкеры и газопроводы. Перевозка нефти и перекачивание газа по трубам оказались дешевле строительства и эксплуатации ЛЭП УВН. Интерес к дорогостоящим линиям ультравысокого напряжения тотчас же угас. Одна лишь Япония построила экспериментальную линию на 1100 кВ на опорах высотой до 120 м и длиной 250 км. На ней хотели отрабатывать ультравысоковольтное оборудование. Но пока, в начале XXI века, эта линия работает на пониженном напряжении в 550 кВ и судьба ее туманна.

    В СССР в июне 1985 года было закончено строительство опытно-промышленной ЛЭП УВН на 1150 кВ, длиной 500 км, от Экибастуза до Кокчетава. Были спроектированы, построены и смонтированы подобные линии и на других направлениях. Но и они работают сегодня на пониженном напряжении. У создателей уникальных сооружений накопилось за это время великое множество интереснейших, пока не решенных вопросов.

    Известно, например, что если проводник из чистого алюминия (99,99 % Al) охладить до температуры жидкого водорода (-253 °C, или 20 K), то его электрическое сопротивление уменьшится примерно в 500 раз! Это явление называется сверхпроводимостью. Температура, при которой сопротивление некоторых чистых металлов и сплавов стремится к нулю, называется критической и приближается к температуре жидкого гелия (-268,8 °C, или 0,2 K). Правда, для такого охлаждения пришлось бы затратить очень много энергии. Но сегодня известны уже сплавы, имеющие и более высокую критическую температуру. К сожалению, сверхпроводников, существующих в обычных условиях, мы пока не знаем. Однако есть немало специалистов, уверенных в том, что именно сверхпроводимость – будущее ЛЭП.

    Продолжая разговор о линиях электропередачи, нельзя не упомянуть о многоступенчатых распределительных сетях, которые обеспечивают непосредственную передачу энергии от понижающих подстанций к потребителю. В них применяются разные значения напряжений. Если энергия подается по ответвлениям длиной 1 км, то напряжение может быть от 35 до 110 кВ. В пределах микрорайонов крупных промышленных городов, многих предприятий, на железнодорожных узлах обычное напряжение – 6 и 10 кВ, а в квартальных сетях, то есть в проводах и кабелях, что подводятся к распределительным щитам наших домов, к цехам заводов, напряжение не превышает 1000 В. Более дешевыми распределительными сетями являются, конечно, воздушные линии. Но в городах и на промышленных объектах приходится прокладывать кабели. Это большое и сложное хозяйство, требующее постоянного контроля и ремонта. И жители городов хорошо знакомы с ним, отмечая постоянно разрытые участки улиц и дворов, развороченные тротуары и прочие прелести кабельного строительства.

    Говоря о линиях электропередачи, мы акцентировали все внимание на линиях переменного тока. Вряд ли это правильно. Сегодня и постоянный ток находит широкое применение в промышленности и на транспорте. Линии электропередачи постоянного тока имеют немало преимуществ. На их работу не влияют распределенные реактивные параметры, то есть емкость и индуктивность проводов. Это значит, что не нужно преодолевать накопления в них энергии.

    Вы, наверное, знаете, что мощность в электрической цепи переменного тока бывает активной и реактивной. Активная мощность – это реальные потери на нагревание. А реактивная характеризует скорость накопления энергии в емкости и индуктивности цепи, обмен энергией между отдельными участками цепи. Без нее не обходится работа цепей переменного тока. Исследователи выяснили, что одним из эффективных средств повышения КПД линий электропередачи переменного тока могло бы стать уменьшение их реактивной мощности. Но для этого необходимо усложнение всей системы, а следовательно, и ее удорожание. У цепей постоянного тока этих проблем нет.

    Другим достоинством линий электропередачи постоянного тока является то, что персонал, обслуживающий не связанные между собой линии, может не заботиться о синхронности их совместной работы. Наконец, ЛЭП постоянного тока создают значительно меньше помех родственной электро– и электронной аппаратуре. Особенно значительны преимущества передачи постоянного тока по кабелям.

    В 1947 году в ряде научно-исследовательских институтов СССР начались работы по созданию преобразователей для ЛЭП постоянного тока. Три года спустя была осуществлена первая в мире кабельная электропередача постоянного тока между Каширой и Москвой. Длина опытной линии составляла 120 км, напряжение – 200 кВ и мощность – 30 МВт. Позже построили и ввели в эксплуатацию уже крупнейшую в мире линию электропередачи постоянного тока Волгоград-Донбасс с напряжением 400 кВ и длиной линии 473 км.

    В 1981 году началась передача электроэнергии через вставку постоянного тока Россия – Финляндия. Такие вставки облегчают и улучшают работу основных ЛЭП переменного тока. ЛЭП на 330 кВ от подстанции Ленэнерго Восточная шла до преобразовательной подстанции в Выборге. Там энергия преобразовывалась и по вставке постоянного тока уходила в Финляндию. На подстанции Юликкяля постоянный ток снова превращался в переменный с напряжением 400 кВ и входил в систему Иматран Войма, которая являлась частью энергообъединения Скандинавских стран.

    Немалую роль играют в строительстве ЛЭП и средства защиты от перенапряжений. При ударе молнии в воздушную линию, в фазовый провод или в опору в проводе возникает импульс грозового перенапряжения. Он распространяется по проводами, дойдя до подстанции, может вывести из строя ее электрооборудование. Это особенно опасно на линиях сверхвысокого напряжения. У подстанций ставят специальные разрядники, а все сооружение защищают стержневыми молниеотводами, предложенными еще Ломоносовым.

    Внутренние перенапряжения возникают в основном при переключениях. Оказывает влияние на развитие перенапряжений и коронный разряд на проводах воздушных линий.

    Интересно, что еще в 1910 году российский ученый-электротехник Владимир Федорович Миткевич, будущий академик Академии наук СССР, предложил расщепление проводов фаз для подавления коронного разряда. Но тогда эта проблема не была столь актуальной. Напряжения на линиях были незначительными. И лишь сорок лет спустя предложенная идея была реализована и получила признание во всем мире.

    Электропривод

    До сих пор мы говорили в основном о том, как получать и транспортировать электроэнергию, и лишь вскользь – о ее использовании. Настало время поговорить на эту тему более основательно.

    Главное преимущество электрической энергии в ее сравнительно легкой транспортировке для использования в отдалении от места получения, для превращения ее там снова в механическую или в любой другой вид энергии.

    Цепочка превращения может быть разной и зависит от уровня развития техники и экономической целесообразности. Согласно закону сохранения, энергия не возникает из ничего и не исчезает бесследно. Она может только превращаться из одного вида в другой. Это мы помним. И вся история цивилизации – это борьба за энергию и превращение ее человеком в нужные ему формы. Костер доисторического человека – превращение энергии, накопленной топливом, в тепло. «Огромная наипаче» баратея Василия Петрова – превращение химической энергии в электрическую и электрической – в свет.

    На гидро– или теплоэлектростанциях происходит превращение механической энергии падающей воды или пара в электрическую. Электроэнергия идет по ЛЭП к потребителю, и потребитель (мы с вами) использует ее по своему желанию: превращает в тепло, свет или с ее помощью приводит в действие необходимые ему машины и механизмы. Пожалуй, одним из первых таких примеров можно считать электродвигатель Бориса Семеновича Якоби – типичный электропривод.

    Электропривод – чрезвычайно распространенное устройство для преобразования электроэнергии. Но прежде чем перейти к его описанию, вспомним, что такое привод вообще. Начнем с определения. Привод – это устройство для приведения в действие машин или механизмов. Состоит оно из источника энергии, устройства для ее передачи и из управления. Производителем энергии в приводе может служить человек или лошадь (слон, буйвол, любой источник мускульной силы), гидравлический, тепловой или электрический двигатели, а также накопители механической энергии: пружины, гири, маховики и т. д.

    Привод может быть групповым, индивидуальным и многодвигательным. В первом движение от одного двигателя через трансмиссии передается группе рабочих машин. Индивидуальным привод становится тогда, когда каждая рабочая машина снабжена собственным двигателем с передачей движения. В многодвигательном приводе уже не вся рабочая машина, а ее отдельные механизмы приводятся в движение отдельными же двигателями через свои системы передачи.



    Электродвигатель группового привода в заводском цеху XIX века


    Примером самого раннего механического привода являлось, наверное, водяное колесо. Наиболее же распространенным видом привода на любом производстве до изобретения электродвигателя была паровая машина. Она крутила вал со шкивами, от которых шли ременные передачи на станки. Сегодня даже трудно себе представить такой цех с бесконечными ременными передачами.

    С появлением электродвигателей наметились два пути развития. Первый – замена единого большого и мощного двигателя (паровой машины), работавшего на трансмиссию. И второй путь – строительство и применение индивидуальных двигателей, малых и больших, в зависимости от обслуживаемых механизмов.

    Промышленники во всем мире сразу поняли преимущества электрической энергии по сравнению с паросиловыми установками. А понимаем ли мы ее сегодня так же наглядно?

    Только представьте: для обеспечения средней мощности в 200 000 кВт, каковую сегодня легко дает энергетический блок, состоящий из одного котла, одной турбины и одного электрогенератора, нам пришлось бы установить в котельной станции 300 средних паровых котлов конца XIX века и 10 громаднейших, лязгающих поршнями паровых машин.

    Первые блок-станции предназначались исключительно для питания осветительных приборов. Однако устройство центральных электростанций с последующим распределением энергии уже дало основание для создания промышленного электропривода.

    Уже первые опыты применения электродвигателей в системе групповых приводов существенно изменили ситуацию на производстве. Не нужны стали собственные гидро– и тепловые станции с водяными колесами и паровыми котлами. Дорогостоящие и ненадежные ременные передачи заменились электрическими проводами, хотя при групповом электроприводе внешний вид цеха изменился мало.

    В конце XIX века среди сторонников группового и индивидуального приводов было немало споров. Одни считали, что переход к малым индивидуальным двигателям усложнит производство и продукция станет соответственно дороже. Другие настаивали на уменьшении потерь при механических передачах, на независимости размещения оборудования от центрального распределения, на повышении безопасности и общей культуры производства, а следовательно, и на повышении производительности труда. Почти четверть века шли эти препирательства, пока индивидуальный привод не победил полностью.

    В 50-60-е годы XX столетия в системах управления приводом стали применяться полупроводниковые приборы. Новая силовая электроника существенно повлияла на многие области техники, в том числе и на схемы питания и управления электропривода. Особенно большую роль сыграли мощные тиристоры. Они позволили отказаться от громоздких и ненадежных ртутных выпрямителей и тиратронов.

    Тиратронами (от греческого «дверь или «вход» – thyra и (элек)трон) назывались ионные приборы тлеющего разряда (с холодным катодом) или несамостоятельного дугового разряда (с подогревным катодом) и управляющими сетками. Тиратроны тлеющего разряда применялись в качестве реле, а тиратроны дугового разряда – в качестве управляемых вентилей.

    В конце ХХ столетия тиратроны были вытеснены полупроводниковыми тиристорами, выполняющими те же функции.

    Одна из важнейших задач в проектировании и создании электропривода – его силовое управление. В 90-х годах ХХ века ряд фирм выпустили силовые транзисторы на немыслимые, казалось бы, токи силой до 600 А при напряжениях до 1200 В. Эти приборы позволили создать новые управляющие схемы и устройства для регулируемого привода.

    Современный регулируемый элекропривод – сложная комплексная система, которая является основным поставщиком механической энергии для большинства агрегатов, связанных с движением. Единый силовой канал, состоящий из разного рода преобразователей энергии, тесно сплетен с информационным каналом, в который входят всевозможные измерительные и управляющие устройства. Диапазон применений современного электропривода неоглядно широк: от аппарата для искусственного дыхания и до гигантского рольганга или шагающего экскаватора.

    По прогнозам специалистов, в будущем подавляющее большинство регулируемых электроприводов будет работать на переменном токе. Лишь примерно 15 % останется на долю постоянного тока и около 10 % займут гидроприводы. Ну и 7 % устройств останется за механическими приводами.



    Оглавление


    Все материалы представлены для ознакомления и принадлежат их авторам.