Противостояние Николы Тесла и Томаса Эдисона в конце 19 века можно было назвать настоящей войной, не зря их соперничество в том, чья технология передачи электрической энергии станет доминирующей в мире, до сих пор называют «Войной токов».
Технология линий переменного тока Тесла или линий постоянного тока Эдисона, - вот воистину эпохальный спор, точка в котором была поставлена лишь в конце 2007 года, с окончательным завершением перехода Нью-Йорка на сети переменного тока, в пользу Тесла.
Первые электрические генераторы, вырабатывающие постоянный ток, допускали простое соединение с линией, и соответственно, с потребителями, в то время как генераторы переменного тока требовали синхронизации с подключаемой энергосистемой.
Немаловажно, что потребителей рассчитанных на переменный ток изначально не существовало, и эффективная модификация асинхронного двигателя, рассчитанного непосредственно на питание переменным током, была изобретена Николой Тесла только к 1888 году, то есть спустя шесть лет после запуска Эдисоном первой электростанции постоянного тока в Лондоне.
После патентования Эдисоном в 1880 году своей системы производства и распространения электрической энергии постоянного тока, включающей три провода – нулевой, плюс 110 вольт, и минус 110 вольт, великий изобретатель лампочки был уже уверен в том, что «сделает электрическое освещение настолько дешевым, что лишь богачи будут использовать свечи».
Так, как уже было сказано выше, первая электростанция постоянного тока была запущена Эдисоном в январе 1882 года в Лондоне, через несколько месяцев – на Манхэттене, и к 1887 году в Соединенных Штатах работало уже более сотни электростанций постоянного тока Эдисона. В это время Тесла работал у Эдисона.
Несмотря на кажущееся безоблачное будущее систем постоянного тока Эдисона, был у них весьма значительный недостаток. Для передачи электрической энергии на расстояние применялись провода, а с увеличением длины провода, как известно, растет его сопротивление, и следовательно, имеют место неизбежные потери на нагрев. Таким образом, проблема требовала решения, - снижать сопротивление проводов, делая их толще, либо поднимать напряжение, дабы уменьшить силу тока.
Эффективных методов повышения напряжения постоянного тока на тот момент не существовало, и напряжение в линиях по прежнему не превышало 200 вольт, поэтому предать сколько-нибудь значительную мощность получалось лишь на расстояние не более 1,5 км, а если нужно передать электроэнергию дальше – налицо дороговизна проводов большого сечения.
И вот, в 1893 году Никола Тесла и его инвестор, предприниматель Джордж Вестингауз, получили заказ на освещение ярмарки в Чикаго двумя сотнями тысяч электрических лампочек. Это была победа. Три года спустя, была построена первая гидроэлектростанция переменного тока на Ниагарском водопаде для передачи электрической энергии в город Буффало, располагавшийся неподалеку.
В прочем, к 1928 году в США уже перестали развивать системы постоянного тока, полностью убедившись в преимуществах переменного тока. Еще через 70 лет был начат их демонтаж, к 1998 году в Нью-Йорке количество потребителей постоянного тока не превышало 4600, а к 2007 году не осталось ни одного, когда главный инженер «Консолидейтед Эдисон» символически перерезал кабель, и «Война токов» была окончена.
Переход на переменный ток сильно ударил Эдисону по карману, и, чувствуя свое поражение, он начал подавать в суд за нарушения его патентных прав, однако решения судей не были в его пользу. Эдисон не останавливался, он стал устраивать публичные демонстрации, где убивал животных переменным током, пытаясь убедить всех и вся в опасности использования переменного тока, и наоборот – в безопасности его сетей постоянного тока.
В конце концов, дошло до того, что в 1887 году партнер Эдисона, инженер Гарольд Браун предложил казнить преступников посредством смертельно опасного переменного тока. Вестингауз и Тесла не стали поставлять для этого генераторы, и даже наняли адвоката приговоренному к казни на электрическом стуле убийце своей жены Кеммлеру. Но это не спасло, и в 1890 году Кеммлер был казнен переменным током, а Эдисон позаботился о том, чтобы подкупленный журналист облил за это Вестингауза грязью в своей газете.
Несмотря на продолжительный черный пиар со стороны Эдисона, система переменного тока Тесла была обречена на успех. Напряжение переменного тока легко и эффективно можно было повышать посредством трансформаторов, и передавать по проводам на расстояния в сотни километров без особых потерь. Высоковольтные линии не требовали использования толстых проводов, и понижение напряжения на трансформаторных подстанциях позволяло предавать потребителю низкое напряжение для питания нагрузок переменным током.
Началось с того, что в 1885 году Тесла уволился от Эдисона, и вместе с Вестингаузом приобрел несколько трансформаторов компании Голар-Гиббс, и генератор переменного тока производства Siemens & Halske, после чего, при поддержке Вестингауза начал собственные эксперименты. В результате, спустя год после начала экспериментов, в Грейт-Баррингтон, штат Массачусетс, начала работу первая ГЭС переменного тока на 500 вольт.
Тогда еще не было моторов подходящих для эффективного питания переменным током, а уже в 1882 году Тесла изобрел многофазный электромотор, патент на который он получил в 1888 году, в этом же году появляется и первый счетчик переменного тока. Трехфазная система была представлена во Франкфурте-на-Майне, на выставке в 1891 году, и в 1893 году Вестингауз выиграл тендер на постройку электростанции на Ниагарском водопаде. Тесла считал, что энергии этой ГЭС хватит на все Соединенные Штаты.
Для примирения Тесла и Эдисона, Ниагарская Энергетическая Компания поручила Эдисону строительство линии электропередачи от станции на Ниагарском водопаде до города Буффало. В итоге, принадлежащая Эдисону компания «General Electric» купила компанию «Томсон-Хьюстон», изготавливавшую машины переменного тока, и сама начала их производство.
Так, Эдисон снова стал при деньгах, однако черный пиар против переменного тока не прекратил, - он предал огласке и растиражировал по газетам снимки казни переменным током слонихи Топси, которая затоптала в 1903 году троих работников цирка нью-йоркского Луна-парка.
Постоянный и переменный ток - достоинства и недостатки
Постоянный ток, так сложилось исторически, нашел широкое применение для питания электродвигателей с последовательным возбуждением на транспорте. Такие двигатели хороши тем, что развивают большой крутящий момент при небольшом числе оборотов в минуту, и это число оборотов можно легко регулировать, просто меняя постоянное напряжение, подаваемое на обмотку возбуждения двигателя, или посредством реостата.
Электродвигатели постоянного тока способны почти мгновенно менять направление своего вращения при смене полярности питания на обмотке возбуждения. Так, двигатели постоянного тока по сей день широко применяются на тепловозах, электровозах, трамваях, троллейбусах, на различных подъемниках и подъемных кранах.
Постоянным током можно без проблем питать лампы накаливания, различные приборы для осуществления промышленного электролиза, гальванопластики, сварки, также его успешно используют для питания сложного медицинского оборудования.
Безусловно, постоянный ток полезен в электротехнике, ведь соответствующие цепи легко рассчитываются и просто управляются, не зря к 1887 году в Соединенных Штатах насчитывалось более ста электростанций постоянного тока, работу над которыми возглавляла компания Томаса Алва Эдисона. Ясно, что постоянный ток удобен в случае, когда нет необходимости в преобразовании, т.е. повышении или понижении напряжения, это и есть главный недостаток постоянного тока.
Несмотря на усилия Эдисона по внедрению систем передачи постоянного тока, был у таких систем и значительный минус – необходимость использования большого количества материалов и существенные потери при передаче.
Дело в том, что напряжение в первых линиях постоянного тока не превышало 200 вольт, и передавать электричество можно было на расстояние, не превышающее 1,5 км от электростанции, при этом много энергии рассеивалось при передаче (вспомните закон Джоуля-Ленца).
Если все же требовалось передать большую мощность на большее расстояние, приходилось применять толстые тяжелые провода, а это выходило очень дорого.
В 1893 году Никола Тесла начал внедрение своих систем переменного тока, которые показали высокую эффективность благодаря самой сути переменного тока. Переменный ток можно было легко преобразовывать посредством трансформаторов, повышая напряжение, и тогда стала возможной передача электрической энергии на многие километры с минимальными потерями.
Так происходит потому, что при подаче одной и той же мощности через провода силу тока удается снизить благодаря повышению напряжения, поэтому и потери при передаче меньше, и необходимое сечение проводов, соответственно, уменьшается. Именно поэтому сети переменного тока стали внедряться по всему миру.
Переменным током питаются асинхронные двигатели в машинах и станках, индукционные печи, им также можно питать и простые лампы накаливания, и любую другую активную нагрузку. Асинхронные двигатели и трансформаторы произвели настоящую революцию в электротехнике именно благодаря переменному току.
Если же для какой-нибудь цели необходим непосредственно постоянный ток, например для зарядки аккумуляторов, то теперь его всегда можно получить из переменного при помощи выпрямителей.