Возникновение новой энергетики

Укрупнение заводов и фабрик, вызванное капиталистической концентрацией производства, все острее и острее ставило вопрос об энергоснабжении промышленных предприятий. Это снабжение сначала осуществлялось подвозом местного топлива, но по мере роста предприятий и истощения местных топливных ресурсов приходилось транспортировать топливо из отдаленных районов, и в стоимости топлива значительную долю стала играть стоимость его перевозки.

Так возник разрыв между потребителями энергии - заводами и фабриками, выросшими в зоне потребления их продукта или в зоне производственного сырья,- и энергетическими ресурсами в виде двух основных источников энергии природы: топлива, сконцентрированного в угольных месторождениях, и водной энергии речных потоков. С возникновением этого разрыва возникла и проблема его ликвидации, проблема транспорта энергии, передачи ее на далекие расстояния.

Одновременно укрупнение заводов и фабрик ставило другую проблему - проблему распределения механической энергии от одного двигателя на многочисленные станки, насчитывающиеся в крупных промышленных предприятиях сотнями. Задача решалась удовлетворительно путем устройства трансмиссионных механических передач только до некоторого количественного предела, после которого значительная доля энергии тратилась на потери от трения в широко развитой трансмиссионной системе. Возникла проблема промышленного привода.

Эти проблемы не только возникли, но и решались параллельно, поскольку в основе каждой из них заключено одно и то же техническое содержание: передача энергии, отличающееся в каждой отдельной проблеме дополнительными условиями - дальностью для первой и гибкостью для второй проблемы.

До возникновения этих проблем и их разрешения передача энергии на дальние расстояния решалась транспортом топлива как емкого аккумулятора энергии, а задача промышленного привода - передачей механической энергии. Другие виды энергии для передач и привода не привлекались.

Привлечение других видов энергии для решения задачи энергоснабжения и промышленного привода началось в рассматриваемый период в форме использования в качестве передающей энергии - механической энергии жидкостей и газов.

Рис. 6-1. Принципиальная схема энергораспределения с применением промежуточного энергоносителя (вода, воздух, электричество): 1 - первичный двигатель; 2 - генератор вторичной энергии; 3 - аккумулятор вторичной энергии; 4 - линия передачи; 5 - распределительная сеть; 6 - вторичные двигатели; 7 - орудия

Принципиальная схема подобной возможности представлена на рисунке 6-1. Двигатель 1, развивая механическую энергию за счет первичной энергии природы (топлива, движущейся воды), передает ее генератору вторичной энергии, где эта механическая энергия получает потенциальную форму в виде столба воды или сжатого воздуха. Практически это означает работу теплового или гидравлического двигателя на насос или компрессор 2. Далее носитель вторичной энергии - вода - под напором, постоянство которого поддерживается в резервуаре водонапорной башни 3, или сжатый воздух, постоянство давления которого поддерживается емкостным аккумулятором - резервуаром сжатого воздуха 3, распределяется по магистральным трубам 4 в водяную или воздушную сеть 5, из которой поступает в водяные или воздушные двигатели 6, индивидуально или по группам приводящие в движение технологические машины - станки 7.

Таким образом, между первичным двигателем 1 и станками 7, между которыми в схеме Маркса, характерной для периода утверждения капитализма, была только механическая система твердых тел - трансмиссия, теперь возникла сложная система вторичной энергетики со своими генераторами 2, аккумуляторами 3, передаточными системами 4 и 5, двигателями 6.

Найденное принципиальное решение с введением вторичной энергетики в практике использования механической энергии воды под напором и сжатого воздуха оказалось неспособным полностью разрешить возникавшую и обострявшуюся проблему передачи и привода. Наивысшие достижения в этой области: Лондонская гидропередача (1884 г.) энергии на 2200 гидравлических двигателей по сети труб длиной около 112 км под напором на выходе из насосов в 50-80 ат; Парижская пневматическая передача (1897 г.) с мощностью первичной установки в 2000 л. с, давлением 6 ат и протяженностью сети до 1 км. И при этих данных значительная доля энергии терялась на сопротивление движению по трубам. Очевидно, что для решения передачи энергии на далекие расстояния и для распределения ее с минимумом потерь нужна была другая, более удобная и эффективная вторичная энергия.

Такой энергией оказалась электрическая энергия.

Обратимость электрических машин, отчетливо проявившаяся в машине Грамма, заключала в себе возможность, впервые продемонстрированную в 1873 г. на Венской международной выставке французом Фонтеном. Две одинаковые машины Грамма Фонтен соединил проводами длиной в 1 км. Одна из машин приводилась в движение от двигателя внутреннего сгорания и служила генератором электрической энергии. Вторая машина получала электрическую энергию по проводам от первой и, работая как двигатель, приводила в движение насос. Здесь впервые между первичным двигателем внутреннего сгорания и насосом как потребителем энергии была включена система электрической вторичной энергии с генератором, двигателем и передачей на расстояние в 1 км.

Годом позднее, в 1874 г., русский артиллерийский офицер Ф. А. Пироцкий организовал опыты по передаче энергии на расстояние при помощи электрического тока, описанные в его статье "О передаче работы воды как движителя на всякое расстояние посредством гальванического тока", опубликованной в "Инженерном журнале".

Убедившись, что потери энергии в проводнике пропорциональны его длине и обратно пропорциональны площади его поперечного сечения, Пироцкий сделал вывод (как и другие исследователи), что передавать электрическую энергию на дальние расстояния можно только по проводникам большого поперечного сечения. В качестве таких уже готовых проводников Пироцкий безуспешно пробовал использовать железнодорожные рельсы.

Принципиальное решение возможности передачи электрической энергии на большое расстояние было сделано одновременно, но независимо друг от друга французским академиком Марселем Депре и русским профессором физики Д. А. Лачиновым.

В 1880 г. в протоколах Парижской Академии наук был опубликован доклад Депре, в котором он доказывал, что к. п. д. электродвигателя вместе с линией не зависит от сопротивления самой линии, хотя причины этого явления были ему еще неясны.

В 1880 г. Д. А. Лачинов опубликовал в журнале "Электричество" статью "Электромеханическая работа", в которой показал, что независимость к. п. д. от расстояния передачи справедлива только при условии увеличения скорости вращения генератора, т. е. при повышении напряжения тока в линии, пропорционально корню квадратному из увеличения расстояния, и соответственно сопротивления линии.

В 1882 г. Депре осуществил исторический опыт передачи энергии электрическим током на расстояние 57 км от Мисбаха к Мюнхену (в Германии). Передаваемая мощность составляла всего 3 л. с; напряжение на зажимах генератора достигало 1500-2000 в; к. п. д. не превосходил 25%. Низкий к. п. д. передачи привел многих ученых и инженеров к выводу, что передача энергии при помощи электрического тока принципиально не может иметь к. п. д. выше 50%.

Опыты Депре были повторены в Париже с тем же оборудованием и длиной провода в 15 км и дали к. п. д. 48%. Позднее для учета реальных условий была сооружена опытная передача Визель - Гренобль, испытанная в 1883 г. На расстояние в 14 км передавалась мощность в 11,5 л. с. и был достигнут к. п. д. 62%. В 1885 г. масштаб опытов был расширен. Мощность в 50 л. с. передавалась между Крейлем и Парижем на расстояние 56 км при напряжении до 6000 в, получаемом от специально построенных машин; достигнутый к. п. д. был 45%.

Несколько позднее Фонтен показал на опыте, что, соединяя последовательно с целью получения высокого напряжения несколько генераторов тока, можно при таких же условиях получить к. п. д. до 82%.

Высокую оценку опытам по передаче энергии электрическим током на далекие расстояния дали Маркс и Энгельс, усматривавшие в этих опытах не только возможность использования отдаленных энергетических ресурсов, но и связанные с этой возможностью социальные изменения.

Но до этого технике передачи электрической энергии на расстояние нужно было еще пройти немалый путь развития.

На этом пути значительную роль сыграло развитие электрического освещения.

Рис. 6-2. Электрическая свеча П. Н. Яблочкова

В 1875 г. П. Н. Яблочков радикальным образом решил задачу регулирования дуговых ламп, показав, что регулирование становится совершенно ненужным, если расположить угли параллельно, разместив между ними изолирующий слой, выгорающий по мере сгорания "электрической свечи", как стала называться предложенная им электрическая лампа (рис. 6-2).

Однако свеча Яблочкова, сделавшая его имя известным всему миру, была не главным в деятельности изобретателя. Большое значение в развитии электротехники имел тот факт, что свеча была первым потребителем переменного тока, который для нее удобнее применять, чем постоянный, потому что при переменном токе скорость выгорания углей одинакова и не нужно придавать им разное сечение.

Переменный ток позволил Яблочкову найти решение "дробления света", т. е. питания нескольких осветительных приборов от одного источника тока. Это решение наглядно представлено в патенте Яблочкова (рис. 6-3). Потребители энергии "свечи" С присоединены к питающей линии не непосредственно, а через индукционные катушки В. Поэтому изменение режима любой свечи никак не отражается на режиме другой, питающейся индуктированным в другой катушке током. Но для работы катушек нужен либо пульсирующий ток (установка прерывателя, как это сделано у изобретателя катушки Румкорфа), либо переменный ток.

Рис. 6-3. Схема 'дробления электрического света' П. Н. Яблочкова: А - прерыватель; В - индукционные катушки; С - электрические свечи

Таким образом, в схеме "дробления электрического света" Яблочкова заключены все необходимые элементы будущих электрических систем: генератор, трансформаторы тока (катушки), сеть, потребители. Не случайно поэтому, что именно Яблочкову принадлежат слова о том, что электричество будут вырабатывать на особых "фабриках" и распределять по домам, как водопровод распределяет воду.

Введение переменного тока в практику указывало на возможность использования трансформаторов для получения высоких напряжений, которые невозможно получать непосредственно в обмотках генератора. А повышение напряжения в линии электропередачи означает увеличение ее дальности.

Особенно эффектной была демонстрация возможностей электрической энергии в системе переменного тока, проведенная в 1882 г. во время Московской промышленной выставки лаборантом Московского университета И. Ф. Усагиным. В цепи переменного тока (рис. 6-4), питаемой от генератора 1, Усагин через индукционные катушки 2 включил различные потребители тока, дающие различный эффект: электрический двигатель 6, электронагреватель 5, дуговую лампу с регулятором 4 и четыре "свечи" Яблочкова 3.

Рис. 6-4. Схема распределения энергии, показанная И. Ф. Усагиным (1882 г.): 1 - генератор переменного тока; 2 - катушки-трансформаторы; 3 - электрические свечи; 4 - дуговая лампа Ренье; 5 - нагревательный прибор; 6 - электродвигатель

Так, развитие электрического освещения и опыты передачи энергии на расстояние выдвинули проблему трансформатора, которая была разрешена усилиями ряда ученых и техников.

В 1882 г. Голяром и Гиббсом, был запатентован трансформатор, названный ими "типичным генератором", позволивший в 1884 г. передавать на Туринской выставке мощность на расстояние 40 км при напряжении 2000 в.

В 1884 г. англичане братья Гопкинсоны предложили трансформатор с замкнутой магнитной системой, повысившей к. п. д. трансформатора.

В 1885 г. венгерские электрики Блати, Дери и Циперновский разработали несколько модификаций экономичных трансформаторов.

В конце 80-х годов Свинберн ввел масляное охлаждение трансформаторов.

Таким образом, к 90-м годам сложились условия для постройки линий дальних передач при помощи электричества. Однако к этому времени освещение являлось уже не единственным потребителем электрической энергии. Все насущнее становится проблема электрического привода, для которого однофазный переменный ток оказался неприемлемым.

Пока решалась задача привода, практические применения электричества продолжали развиваться.

Рис. 6-5. Первые лампы накаливания А. Н. Лодыгина (1872 г.)

В области электрического освещения произошел решительный поворот от дуговых ламп к лампам накаливания. Развивая идеи своих предшественников Грове, Гебеля, Свана, А. Н. Лодыгин в 1873 г. демонстрировал в Петербурге свои лампы накаливания (рис. 6-5), за которые Академия наук присудила ему в 1874 г. Ломоносовскую премию. В 1879 г. в США Эдисон запатентовал лампу накаливания (рис. 6-6) с обугленной бамбуковой нитью, способную выдерживать несколько сотен часов непрерывного горения. В конце XIX в. Лодыгин предложил и запатентовал лампу накаливания с вольфрамовой нитью накала, продемонстрированную им на Парижской всемирной выставке в 1900 г.

Рис. 6-6. Электрическая лампа накаливания Эдисона (1879 г.)

Электрическая энергия стала применяться на транспорте. Уже упоминавшийся Ф. А. Пироцкий впервые в России в 1880 г. продемонстрировал первый вагон конно-железной городской дороги, движимый электрической энергией. В 1879 г. в Берлине на Промышленной выставке была построена демонстрационная электрическая железная дорога Сименса (рис. 6-7). В этом же году в г. Брейль во Франции была пущена внутризаводская линия длиной около 2 км на электрической тяге. С 80-х годов в Западной Европе и США началось строительство трамвайных линий. В России первый трамвай, заменивший паровую тягу, был открыт в Киеве в 1892 г. (рис. 6-7 а).

Рис. 6-7. Электрическая железная дорога В. Сименса (1879 г.)

Электрическая энергия начала внедряться в производственные технологические процессы. В 1886 г. русский изобретатель Н. Н. Бенардос запатентовал изобретенный им ранее способ дуговой электросварки при помощи угольного электрода, названный им "электрогефест". В 1891 г. горный инженер Н. Г. Славянов разработал другой способ электросварки - с металлическими электродами, соединенными со специально построенным генератором тока (рис. 6-8).

Рис. 6-7а. Первый киевский паровой трамвай

Электродвигатели постоянного тока с их удобными пусковыми и рабочими характеристиками все шире и шире применялись для привода разнообразных рабочих машин.

Таким образом, к 80-м годам XIX в. сложилось в развитии электротехники своеобразное кризисное положение, когда передача энергии на расстояние могла успешно разрешаться при помощи однофазного переменного тока, а привод технологических машин - при помощи постоянного тока. Общего решения задачи о передаче энергии на расстояние и использовании ее для целей промышленного привода не было.

Рис. 6-8. Электрогенератор Н. Г. Славянова для сварки током. (Государственный Политехнический музей. Москва.)

Это решение было найдено М. О. Доливо-Добровольским на основе работ его предшественников, открывших явление вращающегося магнитного поля: итальянца Г. Феррариса и серба Н. Тесла.

В 1888 г. Феррарис сообщил Туринской Академии наук о сделанном им в 1885 г. открытии, заключавшемся в том, что если две перпендикулярно расположенные катушки питать двумя переменными однофазными токами со сдвигом по фазе 90°, то можно получить вращающееся магнитное поле, способное увлекать за собою ротор, т. е. осуществить режим электрического двигателя.

Феррарис построил двухфазный электродвигатель переменного тока, но при его конструировании допустил некоторые ошибки, которые привели не только к низкому к. п. д. двигателя, но и к принципиальной ошибке автора, решившего, что такой двигатель теоретически не может иметь к. п. д. больше 50%.

Тесла построил систему из двухфазного генератора и двухфазного двигателя, которая оказалась более эффективной, чем предложение Феррариса, и получила некоторое распространение. В частности, двухфазная система была принята на Ниагарской гидроэлектростанции в США.

Существенным недостатком двухфазной системы переменного тока являлась необходимость устраивать линию передачи из четырех проводов вместо двух у однофазной системы.

Доливо-Добровольский, исследовав различные системы обмоток машин постоянного тока, пришел к заключению об эффекте трех ответвлений от трех равноотстоящих точек, дающих ток с тремя фазами, сдвинутыми под углом 120°. Трехфазный ток, как и двухфазный, дал возможность получить вращающееся магнитное поле. Используя эту возможность, Доливо-Добровольский весной 1889 г. построил трехфазный двигатель, показавший при испытании удовлетворительные результаты. В исключительно короткий срок им были также разработаны трехфазный генератор и трехфазный трансформатор.

В 1891 г. на Международной электротехнической выставке во Франкфурте-на-Майне Доливо-Добровольский продемонстрировал в действии завершенную систему трехфазного тока, разрешавшую комплексную проблему электропередачи и электропривода и закладывавшую основы современной электротехники. Энергия водопада на р. Неккар около местечка Лауфен передавалась на территорию выставки во Франкфурт на расстояние 170 км. Гидравлическая турбина в Лауфене приводила в действие генератор переменного трехфазного тока мощностью 230 квт с напряжением 95 в. От этого генератора ток поступал в повышающий трансформатор, где его напряжение повышалось до 15 000 в, проходил по линии длиной 170 км в понижающий трансформатор, где напряжение понижалось до 65 в, и поступал в осветительную сеть выставки, где его потребляли 1000 ламп накаливания. Кроме того, ток питал трехфазный двигатель (рис. 6-9), расположенный в выставочном павильоне.

Рис. 6-9. Трехфазный двигатель М. О. Доливо-Добровольского (1891 г.) (Государственный Политехнический музей. Москва.)

К. п. д. передачи Лауфен-Франкфурт колебался в пределах от 68,5% до 75,5%, а при специальных испытаниях с повышением напряжения в линии передачи до 25 100 в достиг величины 78,9%.

Так, в рассматриваемый период от 1870 до 1900 г. сложилась электроэнергетика, заложив основы электрификации народного хозяйства как технической основы для построения материальной базы социалистического общества, так и основы все углубляющегося кризиса капиталистических производственных отношений.