Нікола Тесла і передача електроенергії змінним струмом

ОЛЕКСАНДР Мікерена, д. Т. Н., Проф. каф. систем автоматичного управління СПбГЕТУ «ЛЕТІ»

Майже все XIX століття в практичних застосуваннях безроздільно панував постійний струм. Головною перешкодою широкої електрифікації в той час була неможливість передачі електроенергії на великі відстані, а переходу на змінні струми заважала відсутність ефективних електродвигунів змінного струму. Рішення було знайдено в новаторських роботах геніального електротехніка Ніколи Тесла.

Причин популярності постійного струму тоді було кілька. Перш за все, джерелами струму служили гальванічні батареї, і всі вироблені генератори і мотори також були постійного струму. Інженери мислили електрогідравлічними аналогіями, в які не вкладалася ідея потоків, які змінюють свій напрямок, тому, наприклад, прихильність Едісона постійним струмів здавалася цілком виправданою. Тим часом недоліки пристроїв постійного струму ставали все більш очевидними в зв'язку з поганою роботою колектора електричних машин (іскрінням і зносом), проблемами освітлення і, головне, неможливістю передачі електроенергії на великі відстані.

Електричне освітлення стали використовувати після появи дугових ламп, серед яких найбільш простий була свічка Яблочкова у вигляді двох вертикально розташованих вугільних електродів, розділених шаром ізолюючого матеріалу [1-4]. Незабаром з'ясувалося, що на постійному струмі різнополярні електроди згоряють неоднаково, тому Яблочков запропонував живити свічки змінним струмом, для чого спільно з відомим французьким заводом Грамма розробив спеціальний генератор змінного струму, конструкція якого виявилася настільки вдалою, що його виробництво доходило до 1000 штук на рік [ 2]. Інший важливий винахід Яблочкова - це схема «дроблення світла» з використанням індукційної котушки (прообразу сучасного трансформатора) для паралельного харчування від одного генератора будь-якого числа свічок, подібно газовому освітленню.

Однак експлуатація виявила серйозні недоліки дугового освітлення, особливо в побуті: необхідність заміни свічок через кожні дві години, шум, мерехтіння, велика дорожнеча в порівнянні навіть з газом. Тому вже з початку 1890-х рр. електричні свічки були майже повсюдно витіснені лампами розжарювання Едісона і застосовувалися тільки в прожекторах або для великих просторів. Проте, саме Яблочкова ми зобов'язані введенням змінних струмів в практичну електротехніку, що, в кінцевому рахунку, призвело до вирішення гострої проблеми далекої передачі електроенергії, званої тоді проблемою «розподілу світла».

Освітлення по системі Едісона мало низьку напругу, 110 В, тому в кожному районі потрібно будувати свою електростанцію. Наприклад, в Петербурзі через дорожнечу землі такі електростанції ставилися на баржах, що стоять в річках Мойці і Фонтанці [2]. Було ясно, що великі генеруючі станції вигідніше будувати поблизу річок і вугільних басейнів, далеко від міст. Але тоді для далекої передачі потрібно або збільшувати переріз підвідних проводів, або підвищувати напругу. Для перевірки першого підходу на практиці російський винахідник Федір Апполоновіч Піроцький пропонував використовувати залізничні рейки. Другий шлях (підвищення напруги) був випробуваний французьким інженером, згодом академіком Марселем Депре (Marcel Deprez), яка вибудувала кілька ліній передачі постійного струму з напругою до 6 кВ. Перша з них, з напругою 2 кВ, мала довжину 57 км і мала двигун постійного струму з насосом для штучного водоспаду на Мюнхенській електротехнічній виставці 1882 г. [2, 4]. Однак для систем освітлення таке висока напруга була непридатна.

Більш просте рішення - перехід на однофазний змінний струм з підвищують і знижують трансформаторами - було запропоновано відомою компанією «Ганц і Ко» з Будапешта для освітлення оперних театрів в Будапешті, Відні та Одесі [2]. Талановиті інженери цієї компанії, Микша Дері (Miksa Dèri), Отто Блаті (Otto Blathy) і Карой Циперновський (Karoly Zipernowsky), створили в 1884 р найдосконаліші конструкції трансформатора (і вони ж придумали сам цей термін). Отто Блаті також винайшов перший електричний лічильник електроенергії і прославився як видатний шахіст.

Мал. 1. Дистанційна передача Депре

Однак розвиток промисловості вимагав потужних приводів, які не могли бути створені на базі електродвигунів змінного струму з живленням від однофазної освітлювальної мережі. Ця проблема формулювалася як «електрична передача механічної енергії» або «передача сили» [4]. Одне з її перших рішень було запропоновано Депре в 1879 р у вигляді дистанційної передачі в досвідчений вагон руху поршнів парової машини (рис. 1) [5].

У неї був датчик у вигляді щеточного комутатора (1) і приймач (2), що містить ротор (3) з двома взаємно перпендикулярними котушками, який в свою чергу був підключений до комутатора (4) і знаходився в полі магніту (5). Пристрій працювало зі швидкістю до 3000 об / хв і з моментом до 5 Нм. Ця ідея пізніше отримала свій розвиток у вигляді сельсину передач і крокових двигунів, однак підходила для використання тільки в приладових системах.

Вирішення цієї проблеми в цілому прийшло з-за океану, де з'явився діяльна людина, інтуїтивно усвідомив прийдешній перехід на змінний струм. Це був Джордж Вестінгауз (George Westinghouse) (рис. 2) - видатний американський промисловець в сфері обладнання залізниць, засновник компанії Westinghouse, який вирішив зайнятися ще і електротехнічним бізнесом [2, 4].

Мал. 2. Джордж Вестінгауз (1846-1914)

Для того щоб вийти на ринок зі своєю продукцією, йому потрібні були нові патенти, оскільки основні патенти в цій області належали Едісону, Вернеру Сименсу (Verner Siemens) і іншим конкурентам. Перекласти освітлення на змінний струм було порівняно просто, і Вестінгауз легко вийшов на цей ринок, закупивши європейські генератори і трансформатори і запатентувавши ряд своїх ламп розжарювання. У 1893 р він отримай великий поспіль на електрифікацію Всесвітньої виставки в Чикаго, встановивши там 180 тис. Ламп розжарювання і тисячі дугових ламп [4] .Однак електричні машини були зовсім іншою справою, тому для їх розробки він підшукав через патентне відомство нікому не відомого винахідника Николу Теслу, що мав десятки патентів на системи змінного струму. На зустрічі в Нью-Йорку в 1888 р Вестінгауз запропонував Теслі поступитися йому все вже отримані і майбутні патенти в обмін на один мільйон доларів, пост технічного керівника заводу в Піттсбурзі і один долар за кожну л. с. двигунів і генераторів по системі Тесли, встановлених на території США протягом найближчих 15 років. Третя умова угоди зіграло в подальшому важливу роль. Тесла всі ці умови прийняв, і так почалося його плідну співпрацю з Вестінгаузом [4].
Майбутній великий електротехнік Нікола Тесла (рис. 3) народився в родині сербського священика, що жила в Хорватії. Навчався в Градський політехнікумі і Празькому університеті, але, не закінчивши їх, поступив на роботу в відділення компанії Едісона в Парижі, звідки перебрався в США з рекомендаційним листом від директора відділення самому Едісону.

Лист було записано: «Я знаю двох великих людей: один з них ви, а другий - молода людина, якого я вам рекомендую». Зрозуміло, Тесла був прийнятий негайно, і йому доручили найвідповідальнішу роботу з електротехнічним обладнанням, включаючи ліквідацію аварій.

Мал. 3. Нікола Тесла (1856 - 1943)

Втім, робота в цій компанії тривала недовго. Приводом до розставання нібито послужила відмова Едісона виплатити обіцяну премію в 50 тисяч доларів за вдосконалення генераторів постійного струму. Коли Тесла нагадав про це шефу, той сказав: «Юначе, ви не розумієте американського гумору» [4]. Проте швидше за все причиною відходу Тесли було вперте небажання Едісона вирішувати молодому сербу займатися безколекторним електродвигуном змінного струму, з мрією про який Тесла прибув з Європи. Тому, зрозуміло, Тесла з радістю прийняв пропозицію Вестінгауз, яке надавало йому прекрасні можливості для роботи над своєю ідеєю.

Ще в травні 1888 р Тесла отримав сім патентів США на системи змінного струму і безщіточні двигуни [4]. Головним в них було новаторське пропозицію будувати весь ланцюжок генерації, передачі, розподілу і використання електроенергії як багатофазну систему змінного струму, що включає генератор, лінію передачі і двигун змінного струму, названий Теслой «індукційним». Приклад такої системи показаний на рис. 4.

Тут: 1 - синхронний генератор з порушенням від постійних магнітів і з двома взаємно перпендикулярними фазами обмотки ротора (2), з'єднаними через контактні кільця (3) і лінію передачі (4) з двофазним індукційним двигуном (5) з обмоткою статора (6) і ротором (7) у вигляді сталевого циліндра зі зрізаними сегментами [4]. Дія такого двигуна, званого тепер асинхронним, пояснювалося формуванням «переміщається», а по сучасній термінології обертового магнітного поля. Для лінії далекої передачі пропонувалося включення двофазних підвищує і понижувального трансформаторів. У травні того ж року Тесла виступив з великим доповіддю про багатофазних системах на семінарі Американського інституту інженерів-електриків AIEE (попередника IEEE). Продовжуючи дослідження, він незабаром реалізував і інші ідеї: двофазний і трифазний асинхронний двигун з обмоткою в зірку, трифазний генератор з нейтраллю і без, трьох- і чотирипровідні лінії електропередачі і т. Д. Всього по багатофазним системам у Тесли був 41 патент [2] .

Мал. 4. Двофазна система Тесли

Безсумнівно, Теслі належить патентний, а Вестінгауз промисловий пріоритет на багатофазні системи змінного струму, оскільки їм відразу ж було розгорнуто масове виробництво двигунів, генераторів і іншої апаратури таких систем. Вершиною цієї бурхливої ​​діяльності було будівництво в 1895 р найбільшою на ті часи Ніагарському електростанції на американському березі Ніагарського водоспаду, висота якого складала 48 метрів. На греблі було встановлено 10 двофазних генераторів по 3,7 мВт кожен, а також прокладена лінія електропередачі 11 кВ довжиною 40 км в Буффало, де був створений промисловий район з численними споживачами електроенергії змінного струму [2, 4].

Мал. 5. Досвід Тесли

Однак Теслу обтяжувала виробнича діяльність, і він пішов від Вестінгауз, бажаючи і надалі розвивати ідею далекої передачі електроенергії, але вже без проводів. Цим він і став з захопленням займатися у власній лабораторіі.Его першою думкою було створити за допомогою високовольтного і високочастотного випромінювача потужне електричне поле, що діє на значні відстані, з якого споживач міг би черпати електроенергію. Тесла винаходить перший електромеханічний СВЧ-генератор, використаний пізніше в перших радіостанціях і для індукційного нагріву, передавальну і приймальну антени, а також резонансний контур приймача для виділення певної частоти. Всіх вразив досвід Тесли, коли при включенні генератора без жодних проводів в його руках спалахувала електрична лампа, як показано на рис. 5.

Тесла був в одному кроці від винаходу радіо, але не пішов цим шляхом, оскільки його займала думка про передачу електроенергії, а не інформації. Однак саме йому належить пріоритет у створенні телемеханіки, реалізованої в 1898 р у вигляді дистанційно керованого водяного катера.

Тим часом, численні досліди показували, що електролампу вдається запалювати тільки на відстані не більше декількох сотень метрів. Тесла спробував реалізувати інший спосіб передачі електроенергії: чи не через атмосферу, а прямо крізь землю шляхом порушення в земній кулі, як величезному конденсаторі, поверхневих стоячих хвиль, в пучности яких можна було відбирати енергію в будь-якій точці поверхні Землі. Для цього він побудував у містечку Уорденкліф під Нью-Йорком величезну антену з потужним надземним та підземним збудниками, підключеними до окремої електростанції, як показано на рис. 6. Досліди з цією вежею по бездротової передачі електроенергії в період з 1899 по 1905 р, судячи з усього, не дали бажаного ефекту, оскільки Тесла їх несподівано закинув, що не опублікувавши результатів. І вчені досі сперечаються, чого ж все-таки досяг Тесла в цьому експерименті, оскільки він працював без помічників і не залишив ніяких записів [4, 6].

Мал. 6. Вежа Уорденкліфф

Завдання бездротової передачі електроенергії не вирішена досі. Останні досягнення використовують вузькоспрямовані мікрохвильове або лазерне випромінювання для віддаленого електроживлення космічних апаратів від супутника з сонячними батареями або від керованих дронів [7]. Експериментально доведено можливість передачі порядку десятка кіловат на відстань кілометрів. Інший напрямок розробок - це лазерна зброя, провісником якого був знаменитий «Гіперболоїд інженера Гаріна».
Проте заслуги Тесли були всесвітньо визнані. На честь нього одиниця індукції магнітного поля в системі SI названа «тесла», він був обраний членом і почесним доктором наук багатьох академій і університетів. Одна з найпрестижніших нагород IEEE - медаль Тесли - щорічно присуджується за видатні заслуги в області виробництва і використання електроенергії. Теслі належить близько 800 патентів, причому, на відміну від патентів Едісона, вони вважаються більш новаторськими. Існує кілька пам'ятників Теслі і присвячених йому музеїв, серед яких найбільш вражаючий знаходиться в Белграді, випущені банкноти з його портретом (рис. 7).

Мал. 7. Банкнота Сербії

Однак особисте життя Тесли склалася невдало [4, 6]. В кінці XIX ст. в США вибухнула економічна криза, що поставила компанію Вестінгауз на межу розорення. Дізнавшись про це, Тесла з'явився в штаб-квартиру свого колишнього патрона і публічно розірвав їх первинне угоду, втративши близько 10 млн доларів, які були належні йому відповідно до третього пункту цього договору. Буквально через два тижні після цього великодушного жесту дотла згоріла його чудова лабораторія, і він залишився без засобів. На відміну від Едісона, він не був бізнесменом і вклав все, що у нього було, в цю лабораторію. Після цього Тесла був змушений проводити свої подальші дослідження на різні гранти і пожертви, зокрема, вежа Уорденкліфф була побудована на гроші американського фінансиста Моргана.

Біограф Тесли Велимир Абрамович писав: «Намагаючись уявити собі Теслу, я не бачу його усміхненим, а навпаки, сумним ...» [6]. Тесла не пив вина, ніколи не знав жінок, не мав сім'ї і помер на самоті і бідності в готелі «Нью-Йоркер» [4].

Потреба в передачі електроенергії на великі відстані виникла в кінці XIX ст., Перш за все у зв'язку з широким впровадженням систем освітлення.

• Така передача на постійному струмі була технічно доцільною тільки при високій напрузі і практично неприйнятною для низьковольтного освітлення.

• Лінії передачі змінного струму з трансформаторами задовольняли завданням освітлення, однак для промисловості були потрібні потужні електродвигуни, всі відомі конструкції яких були постійного струму.

• Вирішення цієї комплексної проблеми було запропоновано винахідником Теслой і підприємцем Вестінгаузом, які створили багатофазні системи змінного струму з синхронними генераторами, лініями передачі і асинхронними двигунами.

• Дослідження ж Тесли по бездротової передачі електроенергії до сих пір не отримали практичного завершення.

1. Мікерена А. Г. Торжество постійного струму і роль Томаса Едісона . Control Engineering Росія. 2016. № 4 (64).
2. Історія електротехніки / Под ред. І. А. Глєбова. М .: Изд-во МЕІ. 1999.
3. Шателен М. А. Російські електротехніки XIX століття. М.-Л .: Госенергоіздат. 1955.
4. Цверава Г. К. Нікола Тесла (1856-1943). Л .: Наука. 1974.
5. Електродвигун в його історичному розвитку / Упоряд. Д. В. Єфремов, М. І. Радовський. Під ред. В. Ф. Миткевича. М.-Л .: Изд-во АН СРСР. 1936.
6. Абрамович В. Метафізика і космологія вченого Ніколи Тесли. http://nowimir.ru/DATA/030025_3_3.htm
7. Wireless power. https://en.wikipedia.org/wiki/Wireless_power