Война токов

                Война токов.

                Постоянный или переменный.
 
           К семидесятым годам 19 века  работы по созданию электрических установок  были уже достаточно  широко развернуты.  Начиная с «Вольтова столба» и создания первых вращающихся генераторов ученые и практики имели дело с постоянным током, он стал привычным и все разработки осуществлялись на его основе.
 Были разработаны генераторы,  электродвигатели и осветительные приборы. И если электротехника началась с электрохимических батарей, которые являлись источниками постоянного тока, то и дальнейшее развитие  и совершенство проводилось на постоянном токе.  И генераторы и электродвигатели изготавливались  для постоянного тока. В общем то других токов на горизонте не было.

В Нью Йорке успешно работала фирма основанная и успешно руководимая Томасом Алва Эдисоном.  В 1882 году Эдисон построил первую в Нью-Йорке распределительную подстанцию, обслуживающую 59 клиентов в Манхэттене и основал компанию по изготовлению электрогенераторов, лампочек и кабелей. Естественно все генераторы вырабатывали постоянный ток, на котором работала и вся сеть. В 1892 году компания Эдисона объединилась с другими компаниями в General Electric.

И в этот, казалось бы успешный период электрофикации работавший с Эдисоном инженер Никола Тесла выступил с идеей перевода и генераторов и двигателей и осветительной сети на переменный ток.  Эта  мысль была встречена инженерным миром с большим скепсисом. Возникала ситуация выраженная Эйнщтейном - «Ученые разрабатывают разные проблемы. Но какой-то проблемы они стараются не касаться, считая ее неразрешимой. Но приходит в науку профан, который этого не знает — берется и решает ее».
Однако Никола Тесла,  профаном не был, а наоборот он был талантливым инженером электриком,  поэтому достаточно обосновано доказывал необходимость перехода на переменный ток. Он  посчитал, что постоянный ток и выполненные на его основе генераторы и двигатели недостаточно надежны и сложны в конструкции и не имеют перспективы увеличения мощности. Поэтому он выдвинул мысль об изучении возможностей  переменного тока, с  перевода на него в будущем всех элементов электроснабжения..

Его главным противником был  «мастодонт»  электротехники сам известный изобретатель наиболее практической лампы накаливания и осуществивший  широчайшее электроосвещение  Нью-Йорка. Томас Алва Эдисон, который  выступал против использования переменного тока,  потому при использовании постоянного тока он зарабатывал немалые деньги на патентных отчислениях. Поэтому, не найдя отклика в суде по делу о нарушениях патентных прав, американский изобретатель занялся черным пиаром переменного тока, демонстрируя, например. его опасность для человека. Финансируемый Эдисоном инженер Гарольд Браун даже предложил казнить преступников переменным током.
Интересно отметить, что «война токов» завершилась только в 2007 году с окончательным переходом отдельных зданий Нью-Йорка с постоянного тока на переменный.

Но Никола Тесла не был легковесным прожектёром. Его предложения были основаны на  глубоких  теоретических разработках и подкреплены реальными изделиями.

Еще в 1876 году увлекаясь изучением электричества у Теслы зародилась мысль о несовершенстве машин постоянного тока.  Наличие коллектора, присущего машинам постоянного тока, кроме сложности его изготовления, создавало при протекании тока сильное искрение, то-есть был виден предел увеличения мощности коллекторных машин.. Это убеждало Теслу  в необходимости создания электродвигателя на другом принципе, исключающем возможность искрения.   

Кроме того в наметках по переходу  к переменному току  он увидел получение более  высокого коэффициента полезного действия (КПД). В обмотках  электромашин постоянного тока первоначально образуется переменный ток, выпрямляемый  затем с помощью коллектора в постоянный  у генератора, или наоборот у двигателя  из постоянного тока в переменный, что приводит к неоправданным потерям.

Однако конструктивное оформление генератора и особенно двигателя переменного тока требовало дальнейших исследований и разработок. Это осложнялось тем, что его научные руководители и коллеги опровергали все его доводы.

Он не желал уступать, и продолжая осмысление предлагаемой им системы, он пришел к внезапному озарению — открытию возможности создания а затем использованием вращающегося магнитного поля.

И это  озарение  может быть уподоблен открытию закона Архимеда, пресловутого яблока   упавшего на голову Ньютона, прыгающей крышечки кипящего чайника, привлекшего внимание Джеймса Уатта.

В 1883 году Тесла собственноручно исполнил модели электродвигателя переменного тока, который прекрасно работал, что подтвердило теоретические выкладки изобретателя.

К 1888 году им были разработаны и изготовлены модели генераторы, электродвигатели и трансформаторы.

16 мая 1888 года Тесла прочел  лекцию «Новая система двигателей переменного тока и трансформаторов.

В этом месте только для специалистов электриков можно немножко отклонился в сторону теоретической электротехники. Во вращательной системе в магнитных полях имеется формула вращающего момента, который прямо пропорционален  произведению двух магнитных потоков  умноженный на синус угла между этими потоками. В этом суть вращающегося магнитного поля, которое вращаясь  увлекает во вращение либо диск либо катушку. Таким образом для создания вращающегося магнитного поля необходимо иметь два магнитного потока и угол между ними.  Наибольший вращающий момент будет при угле 90 градусов.

В этом же году статью о новых разработках в английском журнале прочел русский инженер Михаил Осипович Доливо - Добровольский, всего лишь за четыре года до этого окончивший Дармштадтское Высшее техническое училище. Он зримо представил себе принцип действия электродвигателя основанного на использовании явления вращающегося магнитного поля. И он увидел возможность развить эту мысль и создать трехфазный ток, имеющий явные преимущества перед двухфазным.

Много было споров, взаимных претензий и даже судов, связанных с патентным правом, но реальная выгода от применения переменного тока ломала все препоны и переменный ток  стал безальтенативным.  И чем интенсивнее развивалась промышленное и бытовое потребление электроэнергии, тем больше росла потребность в увеличении генераторов и пропускной способности линий электропередачи.

Вскоре двухфазная система Теслы была заменена трехфазной системой, как более эффективной. (Сам Тесла к этому времени уже ушел в другие области электричества и поэтому обиды не испытывал. Тем более сама идея многофазности остается за ним.)

Электростанции было выгодно  строить около месторождений угля или  на реках с сильным течением и большим расходом воды.   В то время как фабрики и заводы целесообразно  возводить около источников сырья. Для этого нужно было повышать мощность генераторов и создавать линии электропередачи большой пропускной способности.   Коллекторные генераторы постоянного тока  с этой задачей справиться не могли. Также для увеличения  пропускной способности  линий электропередачи необходимо строить линии высокого напряжения.  Это стало реальным  с помощью переменного тока — изготавливались соответствующие генераторы и трансформаторы для повышения и понижения напряжения.  Мощности генераторов  в наше время достигает 1000 мгВт,  Линии электропередачи уже строятся 1150 кВ

Постоянный  ток также остался  нужным в своих областях. Он применяется в системах автоматики, является источником для всех радиосистем,  компьютерных установок, при     эксплуатации аккумуляторных батарей  и так далее. С появлением надежных полупроводниковых диодов, тиристоров и прочих полупроводниковых приборов постепенно отходят вращающиеся генераторы постоянного тока.

Энергетика мира продолжала расти. Появились сверхмощные энергосистемы  или объединение нескольких энергосистем, где передаваемые мощности достигают очень больших величин.  На линиях электропередачи сверхвысоких высоких напряжений начинают   применять расщепленные провода. То-есть в каждой фазе монтируется несколько проводов. Этим достигается увеличение  пропускаемого по линии тока и  понижение эффекта «короны».

Однако, с дальнейшим ростом потребления, а следовательно и выработки электроэнергии, возникает  проблема с  наличием индуктивного сопротивления линий электропередачи на переменном токе.  Приблизительные величины индуктивного сопротивления воздушных линий составляет около  0.4 Ома/км. У расщепленного провода  эта величина снижается до 0.3 Ом/ км. Казалось бы немного. Но  когда линия передачи достигает длины несколько сотен или даже тысяч километров, это сопротивление  становится достаточно большим, препятствующим прохождению нужных мощностей, и  ухудшает условия сохранения устойчивости синхронной работы генераторов.

И инженеры вспоминают о постоянном токе, для которого индуктивное сопротивление равно нулю.

В философии существует понятие — перехода количества в качество. В свое время, при малом потреблении электроэнергии было достаточным использование постоянного тока. Когда техника перешла к большим мощностям, промышленность и быт были переведены на переменный ток. 

Выработка и потребление продолжали возрастать, возникли межсистемные связи и связи между объединенными системами. И в этих условиях индуктивное сопротивление линий электропередачи  стало мешать этому объединению. И специалисты увидели выход в использовании линий на постоянном токе, у которых индуктивное сопротивление равно нулю.

Вводятся в эксплуатацию линии межсистемных связей на постоянном токе. Понятно, что такой переход стал возможен благодаря разработке  новых выпрямляющих систем  на управляемых тиристорах.

Исполнение линий электропередач на постоянном токе позволяет следующее.

1. Передавать большие мощности, ввиду отсутствия индуктивного сопротивления, а следовательно резкого снижения полного сопротивления.

2. Обеспечивать  устойчивость  работы совместно работающих энергосистем и их объединений. Повышается предел статической а также  динамической устойчивости.

3. В длинных кабельных линиях не будет протекать емкостной ток, который у кабелей на много выше чем у воздушных ЛЭП. Этот ток будет возникать только в момент включения.

4. ЛЭП постоянного тока позволяют   транспортировать электроэнергию между несинхронизированными энергосистемами.

5. Позволяет совместную работу энергосистем с разными частотами, например 50 герц и 60 герц.


В определенных случаях связь между системами удобно выполнять  с минимальной длиной линии, то- есть переменный ток одной системы преобразовывается в постоянный ток, который по кратчайшей связи — 10-100 метров подается на преобразователь — постоянный ток в переменный и далее в другую энергосистему
Таким образом работает уже длительное время Выборгский Преобразовательный  Комплекс (ВПК) , осуществляющий совместную работу энергосистем России и Финляндии.  Такое сооружение называется - «ВСТАВКОЙ  ПОСТОЯННОГО ТОКА,» 

 Высоковольтные ЛЭП постоянного тока более экономичны при передаче электроэнергии на большие расстояния. Использование постоянного тока линий которые прокладываются по морскому дну позволяет избежать потерь реактивной мощности, возникающих из-за большой емкости кабеля.
В определённых ситуациях ЛЭП постоянного тока могут оказаться полезными даже на коротких расстояниях, несмотря на высокую стоимость оборудования.
Так же ЛЭП постоянного тока позволяет транспортировать электроэнергию между несинхронизированными энергосистемами переменного тока, предотвращая каскадные сбои из-за рассинхронизации  между отдельными частями крупной энергосистемы.
ЛЭП постоянного тока также позволяет передавать электроэнергию между энергосистемами переменного тока, работающими на разных частотах, например, 50 и 60 Гц. Такой способ передачи повышает стабильность работы энергосистем, так как в случае необходимости они могут использовать резервы энергии из несовместимых с ними энергосистем.