Сидней Уитингтон - История инженерного дела. Важнейшие технические достижения с древних времен до ХХ столетия

Системы переменного тока активно развивались в Европе в 1880-х годах. Одной из самых успешных стала система парижан Люсьена Голара и Джона Диксона Гиббса. Они впервые продемонстрировали ее в Лондоне в 1881 году. В 1885 году американец Джон Вестингауз (1846–1914) получил американские патентные права на систему Голара— Гиббса и немедленно приступил к совершенствованию генераторов и трансформаторов. В 1885 году главным инженером компании Вестингауза стал Уильям Стэнли (1858–1916). Он придумал эффективную распределительную систему переменного тока, которую установил за собственный счет в Грейт-Баррингтон, штат Массачусетс, для обслуживания 150 ламп накаливания, освещающих улицы и магазины. В ноябре 1886 года компания Вестингауза установила такую же станцию для коммерческого использования в Буффало, Нью-Йорк. В следующем году системы переменного тока Вестингауза стали успешно конкурировать с системами постоянного тока Эдисона, которых к этому времени было немало.

Признав, что конкуренция серьезная, операторы энергетических систем постоянного тока забеспокоились. В середине 1888 года они сделали попытку дискредитировать станции переменного тока нападками, которые, помимо всего прочего, должны были показать, что «переменный ток – страшная угроза человеческой жизни». Нападки были ожесточенными, и какое-то время обе системы функционировали независимо. Системы постоянного тока работали по большей части в городских районах, где потребности в энергии концентрировались на ограниченных участках, а системы переменного тока снабжали электричеством удаленные территории, где линии передачи были намного более протяженными. Однако очень скоро стало очевидно, что целесообразно совместить две системы, чтобы пользоваться преимуществами обеих. И системы постоянного тока стали проектировать таким образом, чтобы использовать переменный ток для передачи электроэнергии с центральной станции на удаленные вспомогательные подстанции. Там переменный ток преобразовывали в постоянный для местного распределения.

Ранние однофазные установки переменного тока Вестингауза вырабатывали однофазный ток (133⅓ цикла в секунду) и при передаче энергии работали при напряжении от 1000 до 2000 вольт. Они поставляли электричество только для освещения, и только спустя полтора года после первой установки Вестингауза в Буффало в 1886 году был изобретен надежный двигатель переменного тока. Несколько изобретателей, работавших независимо в Соединенных Штатах и Европе в конце 1880-х годов, разрабатывали генераторы и двигатели многофазного тока. Одним из них был хорват по рождению Никола Тесла (1856–1943). Именно он после долгих мытарств получил патентные права на изобретение системы многофазного тока для приведения в действие индукционного двигателя. Многофазный переменный ток, в отличие от однофазного, исходит от катушек генератора, навитых так, чтобы создать две или больше отдельных цепей, поставляющих ток к выводным контактам. В течение следующих десятилетий шло постоянное совершенствование электрооборудования, которое теперь могло приводить в движение все, что угодно, от игрушечной машинки до корабля.

Поскольку ранние генераторы переменного тока Вестингауза (133⅓ цикла в секунду) вырабатывали энергию при слишком высокой частоте для эффективной работы двигателя, постепенно в США распространились 60- и 25-цикловые генераторы. При 60 циклах человеческий глаз не замечает мерцания в лампе накаливания, а при 25 циклах оно хорошо заметно, особенно в небольших лампах. Поэтому какое-то время использовались 60 циклов, если энергия требовалась для освещения, и 25 циклов – когда ток использовался для двигателей. В других странах стандартной частотой для освещения стало 50 циклов, для других нужд – 16⅔ цикла. Большие генераторы Вестингауза на Колумбийской выставке в Чикаго в 1893 году работали при 60 циклах. Напряжения переменного и постоянного тока в 1890-х годах также были стандартизированы, и к концу века 110 вольт стало обычным напряжением для американских цепей освещения.

После развития надежных систем передачи переменного тока и двигателей осталась проблема преобразования переменного тока в постоянный для железных дорог, гальванического производства и некоторых других отраслей промышленности, где использовался только постоянный ток. Около 1892 года инженеры изобрели синхронный роторный преобразователь, состоящий из вращающегося модуля, который получает на одном конце переменный ток, а с другого конца выдает постоянный ток. Роторный преобразователь оказался исключительно полезным в разных областях, где была либо необходимой, либо желательной передача переменного тока при высоком напряжении и использование постоянного тока. В 1902 году американец Питер Купер Хьюитт (1861–1921) придумал статический выпрямитель, состоящий из выкачанной емкости с парами ртути. Электрический ток тек через пары ртути от металлических анодов к ртутному катоду в дне емкости, но не в обратном направлении. Таким образом, происходило преобразование или выпрямление переменного тока в постоянный – подавлялся ток в одном направлении. Устройство являлось своего рода предохранительным клапаном.

В период, когда активно совершенствовались двигатели переменного тока и преобразователи, не оставались без внимания и нити ламп накаливания. В результате в 1905 году появилась лампа с металлизированной угольной нитью – Gem (General electric metallized). Лампа Gem давала световой поток 4,25 люмена на ватт, что, разумеется, было предпочтительнее, чем 1,68 люмена на ватт в 1881 году и 3,4 люмена на ватт в 1905 году для ламп с обычной угольной нитью. Люмен – единица измерения светового потока. Лампы Gem изготавливались до 1918 года, когда их сменили лампы с вольфрамовой нитью. Такие лампы, изобретенные Шандором Юстом и Франьо Ханаманом в 1902 году и дававшие 8 люмен на ватт, впервые использовались для уличного освещения в 1907 году. Усовершенствованная вольфрамовая лампа с нитью из тянутой проволоки появилась в 1911 году. Обе эти лампы были вакуумными. Большие вольфрамовые лампы, наполненные азотом, впервые появились в 1913 году, но только после 1918 года наполненные газом лампы стали доступны для домашнего применения. Более поздние лампы, наполненные на 85 процентов аргоном и на 15 процентов азотом, давали 22 люмена на ватт.

В XX веке появились новые лампы для специального использования – дуговая натриевая и дуговая ртутная. Флуоресцентная лампа впервые появилась в Германии в 1930-х годах и в США – в 1938 году. Она состояла из стеклянной трубки, внутренняя поверхность которой покрыта флуоресцентным материалом. Лампа испускает свет, когда материал возбуждается ультрафиолетовыми лучами дуги, возникающей между электродами на концах трубки. Флуоресцентная лампа стала весьма важным изобретением, являющимся еще одним шагом вперед к повышению эффективности. Лампа давала 22 люмена на ватт, что во много раз больше, чем 1,68 люмена на ватт ранних ламп с угольными нитями.