Анатолий Томилин - Мир электричества

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.

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.