Кто изобрел постоянный ток

У вас большие запросы!

Точнее, от вашего браузера их поступает слишком много, и сервер VK забил тревогу.

Эта страница была загружена по HTTP, вместо безопасного HTTPS, а значит телепортации обратно не будет.
Обратитесь в поддержку сервиса.

Вы отключили сохранение Cookies, а они нужны, чтобы решить проблему.

Почему-то страница не получила всех данных, а без них она не работает.
Обратитесь в поддержку сервиса.

Вы вернётесь на предыдущую страницу через 5 секунд.
Вернуться назад

У вас большие запросы!

Точнее, от вашего браузера их поступает слишком много, и сервер VK забил тревогу.

Эта страница была загружена по HTTP, вместо безопасного HTTPS, а значит телепортации обратно не будет.
Обратитесь в поддержку сервиса.

Вы отключили сохранение Cookies, а они нужны, чтобы решить проблему.

Почему-то страница не получила всех данных, а без них она не работает.
Обратитесь в поддержку сервиса.

Вы вернётесь на предыдущую страницу через 5 секунд.
Вернуться назад

Война токов: противостояние Томаса Эдисона и Николы Теслы

В 2007 году Нью-Йорк окончательно перешёл с постоянного тока на переменный. Так закончилось столетнее противостояние двух великих изобретателей.

Поделиться:

В наше время преимущества переменного тока кажутся более чем очевидными, но в 80-х годах 19 века из-за вопроса, какой ток лучше и как выгоднее передавать электрическую энергию, разразилось острое противостояние. Главными фигурантами этой нешуточной битвы стали две конкурирующие фирмы — Edison Electric Light и Westinghouse Electric Corporation. В 1878 году гениальный американский изобретатель Томас Алва Эдисон основал свою собственную компанию, которая должна была решить проблему электрического освещения в быту. Задача стояла простая: вытеснить газовый рожок, но для этого электрический свет должен был стать более дешевым, ярким и доступным для всех.

Предвосхищая свои будущие открытия, Эдисон написал: «Мы сделаем электрическое освещение настолько дешевым, что только богачи будут жечь свечи». Вначале ученый разработал план центральной электростанции, начертил схемы подводки линий электропередач к домам и фабрикам. В то время электричество получали с помощью динамо-машин, приводящихся в движение паром. Затем Эдисон приступил к усовершенствованию электрических лампочек, стремясь продлить их действие с имевшихся тогда 12 часов. Перебрав более 6 тысяч различных образцов для нити накаливания, Эдисон наконец остановился на бамбуке. Его будущий коллега Никола Тесла иронично отметил: «Если бы Эдисону пришлось найти иголку в стоге сена, он не стал бы терять время на то, чтобы определить ее более вероятное местонахождение. Напротив, он немедленно, с лихорадочным прилежанием пчелы начал бы осматривать соломинку за соломинкой, пока не отыскал бы искомое». 27 января 1880 года Эдисон получил патент на свою лампу, срок жизни которой был поистине фантастическим — 1200 часов. Чуть позже ученый запатентовал всю систему производства и распространения электроэнергии в Нью-Йорке.

Эдисон. (Pinterest)

В тот год, когда Эдисон занялся освещением американского мегаполиса, Никола Тесла поступил на философский факультет Пражского университета, но проучился там всего один семестр — на дальнейшее обучение не хватило денег. Затем он поступил в Высшее техническое училище в Граце, где стал изучать электротехнику и начал задумываться о несовершенстве электродвигателей постоянного тока. В 1882 году Эдисон запустил две электростанции постоянного тока — в Лондоне и Нью-Йорке, наладив производство динамо-машин, кабелей, лампочек и осветительных приборов. Спустя два года американский изобретатель создает новую корпорацию — Edison General Electric Company, куда вошли десятки компаний Эдисона, разбросанные по всей Америке и Европе.

В том же году Тесла придумал, как использовать явление вращающегося электромагнитного поля, а значит он мог попытаться сконструировать электродвигатель переменного тока. С этой идеей ученый отправился в парижское представительство Continental Edison Company, но в тот момент компания была занята выполнением крупного заказа — сооружения электростанции для железнодорожного вокзала Страсбурга, в ходе выполнения которого возникли многочисленные ошибки. Теслу отправили спасать ситуацию, и в требуемые сроки электростанция была достроена. Сербский ученый отправился в Париж, чтобы получить обещанную премию в 25 000 долларов, однако компания отказалась выплачивать деньги. Оскорбленный Тесла решил больше не иметь ничего общего с предприятиями Эдисона. Он поначалу хотел даже отправиться в Петербург, ведь Россия славилась в то время своими научными открытиями в области электротехники, в частности изобретениями Павла Николаевича Яблочкова и Дмитрия Александровича Лачинова. Однако, один из работников Континентальной компании уговорил Теслу отправиться в США и дал ему рекомендательное письмо к Эдисону: «Было бы непростительной ошибкой дать возможность уехать в Россию подобному таланту. Я знаю двух великих людей: один из них Вы, второй — этот молодой человек».

Edison General Electric Company. (Pinterest)

Прибыв в Нью-Йорк в 1884 году, Тесла приступает к работе в компании Edison Machine Works в качестве инженера по ремонту двигателей — генераторов постоянного тока. Тесла сразу же поделился с Эдисоном своими мыслями насчет переменного тока, но американского ученого идеи сербского коллеги не вдохновили — он очень неодобрительно отозвался и посоветовал Тесле заниматься на работе сугубо профессиональными делами, а не личными изысканиями. Год спустя Эдисон предлагает Тесле конструктивно улучшить машины постоянного тока и за это обещает премию в 50 тысяч долларов. Тесла тут же принялся за работу и очень скоро предоставил 24 варианта новых машин Эдисона, а также новый коммутатор и регулятор. Эдисон работу одобрил, но деньги платить отказался, пошутив при этом, что эмигрант плохо понимает американский юмор. С этого момента Эдисон и Тесла стали непримиримыми врагами.

На счету Эдисона значилось 1093 патента — такого количества изобретений не было ни у кого в мире. Неутомимый экспериментатор, он однажды провел в лаборатории 45 часов, не желая прерывать опыт. Эдисон был к тому же весьма умелым предпринимателем: все его компании приносили прибыль, правда богатство как таковое его мало интересовало. Деньги были нужны для работы: «Мне не нужны успехи богачей. Мне не нужно ни лошадей, ни яхт, на все это у меня нет времени. Мне нужна мастерская!» Однако, в 1886 году у корпорации Эдисона появился очень мощный конкурент — компания Westinghouse Electric Corporation. Первую 500-вольтную электростанцию переменного тока Джордж Вестингауз запустил в 1886 году в Грейт-Баррингтоне, штат Массачусетс.

Так, монополии Эдисона пришел конец, ведь преимущества новых электростанций были очевидны. В отличие от американского изобретателя-любителя, Вестингауз основательно знал физику, поэтому прекрасно понимал слабое звено электростанций постоянного тока. Все изменилось, когда он познакомился с Теслой и его изобретениями, выдав сербу патент на счетчик переменного тока и многофазный электромотор. Это были те самые изобретения, с которыми в свое время Тесла обращался в парижскую компанию Эдисона. Теперь Вестингауз выкупил у сербского ученого в общей сложности 40 патентов и заплатил 32-летнему изобретателю 1 миллион долларов.

Электрический стул. (Pinterest)

В 1887 году в США уже работало более 100 электростанций постоянного тока, однако процветанию компаний Эдисона должен был наступить конец. Изобретатель понимал, что находится на грани финансового краха, а потому решил подать в суд на Westinghouse Electric Corporation за нарушение патентных прав. Однако, иск был отклонен, и тогда Эдисон развернул антипропагандистскую кампанию. Его главным козырем был тот факт, что переменный ток очень опасен для жизни. Вначале Эдисон занялся публичной демонстрацией убийств животных электрическими разрядами, а потом ему подвернулся очень удачный случай: губернатор Нью-Йорка захотел найти гуманный способ казни, альтернативу повешенью — Эдисон тут же заявил, что самой человечной считает смерть от переменного тока. Хотя лично он выступал за отмену смертной казни, тем не менее решить проблему удалось.

Для создания электрического стула Эдисон нанял инженера Гарольда Брауна, который приспособил для карательных целей генератор переменного тока Вестингауза. Ярый оппонент Эдисона был категорически против смертных казней и отказался продавать свое оборудование тюрьмам. Тогда Эдисон купил три генератора через подставных лиц. Вестингауз нанял приговоренным к смерти самых лучших адвокатов, одного из преступников удалось спасти: смертную казнь ему заменили пожизненным заключением. Нанятый Эдисоном журналист опубликовал огромную разоблачительную статью, обвиняя Вестингауза в тех мучениях, которые претерпел казненный.

Westinghouse Electric Corporation. (Pinterest)

«Черный пиар» Эдисона принес свои плоды: ему удалось отсрочить поражение, правда ненадолго. В 1893 году Вестингауз и Тесла выиграли заказ на освещение Чикагской ярмарки — 200 тысяч электрических лампочек работали от переменного тока, а спустя три года тандем ученых смонтировал на Ниагарском водопаде первую гидросистему для непрерывного питания переменным током города Баффало. Кстати, электростанции постоянного тока строились в Америке еще 30 лет, вплоть до 1920-х годов. Затем их строительство было прекращено, но эксплуатация продолжалась вплоть до начала 21 века. Тесла и Вестингауз выиграли «войну токов». А Эдисон отреагировал так: «Я никогда не терпел поражений. Я просто нашел 10 000 способов, которые не работают».

Война токов и победа переменного тока

Переход в конце XIX века от первоначальной системы освещения c лампами накаливания Эдисона к современной трехфазной системе генерации, передачи и потребления электроэнергии сопровождался ярким публичным противостоянием компаний, ученых и общества.

АЛЕКСАНДР МИКЕРОВ, д. т. н., проф. каф. систем автоматического управления СПбГЭТУ «ЛЭТИ»

Под «войной токов» обычно понимают вражду двух крупнейших электротехнических компаний — Эдисона и Вестингауза, внедрявших различные системы электроснабжения. Также это словосочетание отражает идейное соперничество двух великих изобретателей — Томаса Эдисона и Николы Теслы, эти системы предложивших (рис. 1).

Однако картина будет неполной, если не упомянуть и о другой «войне», называемой иногда «битвой cлавянинов», в которой Михаил Осипович Доливо-Добровольский противо­поставил двухфазной системе Тесла свою трехфазную, послужившую основой для современной структуры генерации, передачи и использования электроэнергии.

Война разгорелась в связи с появлением электрического освещения лампами накаливания Эдисона, запатентованными в 1880 г. и ставшими всемирно известными благодаря электротехнической выставке в Париже в 1881 г. [1]. Эта система предполагала, по существу, освещение целого квартала потребителей (П) от одной тепловой электростанции с генератором (Г) постоянного тока, первая из которых была пущена на Перл-стрит в Нью-Йорке в 1882 г. (рис. 2а). Поскольку длина линии электропередачи (ЛН) низкого напряжения 110 В составляла не более 1,5 км, то, очевидно, такие локальные электростанции не могли обеспечить электроснабжение целого города, а тем более удаленных районов страны.

Рис. 1. Война токов

Сразу же появились конкурирующие компании, которые, опираясь на европейский опыт (в частности, компании «Гейнц и Ко»), предложили централизованное (называемое тогда трансформаторным) электроснабжение однофазным переменным током от крупных электростанций любого типа (например, гидравлических) с генератором (Г) переменного тока через высоковольтные линии передачи (ЛВ) с повышающим (Т1) и понижающим (Т2) трансформаторами, а также дополнительными понижающими трансформаторами (Т3) потребителей (П) (рис. 2б) [2]. Одним из таких серьезных конкурентов Эдисона стала компания Вестингауза, вошедшая в электротехнический бизнес в 1884 г., закупив европейские патенты на трансформаторы. Почувствовав угрозу, Эдисон попытался нащупать слабые места конкурентов и увидел их в опасности поражения электрическим током высокого напряжения, без которого дальняя передача электроэнергии в те времена была практически невозможна.

Рис. 2. Системы постоянного (а) и переменного (б) тока

К концу 1880-х гг. крупные города покрылись густой сетью телеграфных, телефонных и осветительных линий на столбах (включая линии дугового освещения в 3000 В), до сих пор портящих вид американских городов (рис. 3).

Газеты действительно были наполнены описаниями порой душераздирающих случаев поражения электрическим током ремонтников генераторов и линий и обычных пешеходов от упавших проводов. Общественную панику вызвала гибель в 1889 г. монтера телеграфной компании, замкнувшего высоко­вольтные провода и заживо сгоревшего на столбе в деловой части Манхэттена на глазах многочисленной, охваченной ужасом публики и работников муниципалитета [3]. Хотя несчастные случаи были связаны как с переменным, так и с постоянным током, Эдисон сознательно выбрал своей мишенью переменный ток. По современным представлениям, при напряжении до 500 В опаснее переменный ток, а более 500 В — постоянный [4]. Важно отметить, что по системе Эдисона напряжение подавалось большей частью по подземным кабелям.

Рис. 3. Уличная проводка

Непосредственным поводом к началу войны послужили дебаты о высшей мере наказания — электрическом стуле [3]. История введения этого способа казни началась в 1882 г., когда американский дантист Альфред Саутвик (Alfred Southwick), проведя опыты на собаках, предложил заменить повешение более гуманной, по его мнению, казнью электрическим током. Эту тему подхватил электротехник Гарольд Браун (Harold Brown), который при поддержке Эдисона, предоставившего ему свою лабораторию, организовал серию публичных умерщвлений собак, лошадей и даже слона, показав, например, что собаки погибали уже при напряжении в 300 В переменного тока, тогда как при постоянном токе для этого требовалось в три раза большее напряжение. Желая связать ужасы убийства электрическим током с именем своего основного конкурента, Эдисон настоял на использовании в опытах высоковольтных генераторов Вестингауза, которые были приобретены через постороннюю компанию, поскольку сам Вестингауз был категорически против всякой смертной казни. Эдисон предпочитал называть эти процедуры «Westinghoused», т. е. умерщвлением токами Вестингауза.

В результате в 1888 г. штатом Нью-Йорк был принят закон об электрическом стуле с рекомендуемым напряжением 750–1500 В переменного тока. Стул, конструкция которого была создана тюремным ведомством совместно с лабораторией Эдисона, впервые был применен в 1890 г. для публичной казни некоего Вильяма Кеммлера (William Kemmler), убившего свою жену топором (рис. 4). Она произвела весьма тягостное впечатление, поскольку мучительная смерть наступила только со второй попытки. Вестингауз прокомментировал происшедшее словами: «Лучше бы они сделали это топором» [3].

Рис. 4. Казнь Кеммлера

На волне последовавшего общественного возмущения сторонники Эдисона предлагали законодательно разрешить только подземные сети с напряжением не более 300 В, что лишало бы системы переменного тока всякого экономического смысла. Однако первая же попытка введения подобных мер зимой 1889 г. погрузила все улицы Нью-Йорка в полную темноту, после чего было решено ограничиться только ужесточением требований электробезопасности.

Война токов не обошла и Россию, где электрическое освещение изначально строилось на постоянном токе [2]. Когда же в 1889 г. компания «Гейнц и Ко», опираясь на свой успешный опыт освещения одесской оперы, предложила создать систему переменного тока и для Москвы, в печати началась шумная кампания противников такой трансформаторной системы, доказывавших ее еретичность, опасность и безусловную гибельность для России [5].

Вернемся в США. Несмотря на мнимое преимущество, сторонники Эдисона ничего не могли противопоставить основному достоинству систем переменного тока — передаче энергии на любые расстояния. В 1893 г. компания Вестингауза выиграла заказ на электрификацию Чикагской выставки, а в 1895 г. завершила строительство самой большой по тем временам Ниагарской электростанции [2, 3, 6]. Однако постепенно у двухфазной системы Теслы стали выявляться недостатки, такие как повышенный расход меди для дальних передач, невысокие характеристики конструкций асинхронных двигателей и невозможность регулирования их скорости. Для формирования современного вида системы генерации, передачи и использования электроэнергии решающее значение приобрели работы выдающегося инженера-электрика М. О. Доливо-Добровольского [5–7].

Рис. 5. М О. Доливо-Добровольский (1862–1919)

Михаил Осипович Доливо-Добровольский (рис. 5), происходивший из русско-польского дворянского рода, родился в Гатчине. Учился сначала в Рижском политехническом институте, а затем в Дармштадском высшем техническом училище (Германия). С 1887 г. и до конца жизни работал в компании AEG в Берлине, дойдя до поста технического директора. Доливо-Добровольский всегда сохранял связи с Россией, принимал активное участие в организации электро­механического отделения Петербургского политехнического института, основанного в 1902 г., и сотрудничал с ЭТИ (ЛЭТИ), по инициативе которого впоследствии ему было присвоено звание почетного инженера-электрика.

Желая найти нишу для компании AEG, Доливо-Добровольский тщательно изучил работы Теслы, начав с многофазных систем электропередачи. На рис. 6 приведены три самые распространенные линии электропередачи, питающие асинхронные электродвигатели (М): двухфазная четырехпроводная (a), двухфазная трехпроводная (б) и трехфазная трехпроводная (в). Все эти системы были запатентованы Теслой, однако на практике он использовал только двухфазные. Для линий передачи, достигающих порой длины во много тысяч километров, важнейшими показателями являются число и масса соединительных проводов. Поэтому имеет смысл сравнивать только трехпроводные линии (б) и (в).

При трехфазной линии (в) токи во всех проводах и фазах сдвинуты на 120°, но имеют одинаковую амплитуду. При двухфазной линии (б) с общим проводом (2) токи в проводах (1) и (3) равны:

где i_m — амплитуда тока и w — его частота. Тогда в общем проводе (2) ток равен их сумме:

Таким образом, провод (2) должен иметь сечение на 41% больше, нежели провода (1) и (3). И вот это обстоятельство, на которое первым обратил внимание Доливо-Добровольский в 1891 г., приводило к существенной экономии меди проводов и было решающим преимуществом трехфазных линий передачи и систем переменного тока [5].

Рис. 6. Подключение двигателя к линии

Доливо-Добровольский не ограничился передачей электроэнергии, он создал и запатентовал такие важнейшие и общепринятые сейчас устройства многофазных систем, как:

• асинхронный двигатель с ротором типа «беличья клетка» (1889 г.);
• распределенные обмотки якоря машин переменного тока (у Теслы обмотки были сосредоточенными, катушечными);
• первый асинхронный двигатель регулируемой скорости с обмоткой ротора, подключенной через контактные кольца к пускорегулирующему реостату;
• трехфазный трансформатор (1889 г.); до него в трехфазной линии использовали три однофазных трансформатора.

Широкому внедрению трехфазных систем весьма способствовал блестящий успех Доливо-Добровольского на электротехнической выставке во Франкфурте 1891 г., для которой он построил трехфазную линию передачи на 16 кВ из города Лауфен (в 175 км от Франкфурта), от генератора с водяной турбиной на 300 л. с. [5–8]. Это позволило зажечь на выставке 1100 ламп накаливания и запустить самый мощный по тем временам трехфазный асинхронный двигатель в 100 л. с. (рис. 7) с водяным насосом, питающим эффектный девятиметровый водопад, который демонстрировал возможность передачи механической энергии на расстояние.

Так закончилась битва «двух славянинов» (Теслы и Доливо-Добровольского), положившая конец и всей войне токов. К тому же, инициатор этой войны, Эдисон, после создания в 1892 г. компании General Electric (путем слияния его компании с компанией Thomson-Houston) потерял интерес к освещению, переключившись на обогащение руд. А сама эта компания после прихода в нее выдающегося электротехника Чарльза Штейнмеца резко поменяла курс, став активной сторонницей трехфазных систем и уже при строительстве Ниагарской электростанции получив подряд на трехфазную линию электропередачи в г. Буффало напряжением 11 кВ [3, 8, 9].

Рис. 7. Асинхронный двигатель Доливо-Добровольского

Однако датой окончательной победы переменного тока считается 2007 г., когда Нью-Йорк полностью перешел с постоянного тока на переменный [3, 9]. Тем не менее многие специалисты считают, что нас ждет ренессанс систем постоянного тока [9]. Это связано, конечно же, с развитием электроники, которое привело к созданию мощных полупроводниковых устройств преобразования как рода тока (AC/DC), так и уровня напряжения, в результате чего на расстоянии более 1000 км линии электропередачи сверхвысокого напряжения (сотни киловольт) постоянного тока становятся экономически более выгодными. Кроме того, в системы постоянного тока легче интегрируются все возобновляемые источники электроэнергии (ветровые, солнечные и др.), а кабельные линии электропередачи также строятся преимущественно на постоянном токе. С другой стороны, все технические системы в промышленности, на транспорте и в быту становятся все более интеллектуальными на базе компьютерной техники и регулируемых электроприводов постоянного и переменного тока. Все они требуют источников питания постоянного тока. Таким образом, скорее всего война токов еще не закончена.

Война токов — это борьба двух принципов электроснабжения: локального (Эдисона) с питанием от местной низковольтной электростанции постоянного тока и централизованного (Вестингауза) в виде сети переменного тока с высоковольтными линиями электропередачи.

Главным аргументом сторонников Эдисона была сравнительно большая опасность высоковольтного оборудования переменного тока, подтвержденная опытами Брауна на живых существах, а также первой публичной казнью на электрическом стуле.

Но решающее преимущество системы Вестингауза — возможность электропитания множества удаленных потребителей — привело на первом этапе войны к ее победе в виде двухфазной системы, разработанной Теслой.

Завершающий этап войны, «битва славянинов», ознаменовал переход к современной структуре мирового электроснабжения на базе трехфазной системы Доливо–Добровольского.

Однако развитие электроники и ее широкое применение делает вероятным ренессанс в недалеком будущем систем передачи и распределения электроэнергии постоянного тока.

1. Микеров А. Г. Торжество постоянного тока и роль Томаса Эдисона // Control Engineering Россия. 2016. № 4 (64).
2. Микеров А. Г. Никола Тесла и передача электроэнергии переменным током // Control Engineering Россия. 2016. №5 (65).
3. Война токов. https://en.wikipedia.org/wiki/War_of_Currents
4. Пиголкин Ю.И. и др. Судебная медицина. М.:ГЭОТАР-МЕД. 2002.
5. Электротехника переходит на переменный ток. www.famhist.ru/famhist/klasson/000c6e49.htm#000e59a4.htm
6. Белькинд Л. Д. и др. История энергетической техники. М.-Л.: Госэнергоиздат. 1960.
7. Бутюгина А. А., Микеров А. Г. Выдающийся инженер-электрик Михаил Осипович Доливо-Добровольский (к 150-летию со дня рождения) // Известия СПбГЭТУ «ЛЭТИ». 2012. №7.
8. Герман-Галкин С. Г. Карл Август Штейнмец — ученый, инженер, конструктор, изобретатель, педагог// Control Engineering Россия. 2015. №6 (60).
9. Зотин О. В преддверии возрождения постоянного тока // Силовая электроника. 2013. № 3, 4, 6.