Наиболее общим и первым по времени техническим воплощением принципов, лежащих в основе техники переменного тока, была знаменитая Лауфен-Франкфуртская передача, которая имеет такое очень большое значение для создания и развития всей техники переменного тока.
На расстоянии 175 км от Франкфурта на Майне (вблизи города Гейльброна) в местечке Лауфен находился небольшой цементный завод, который пользовался для своих силовых нужд энергией реки Некар. В 1890-м году возникла мысль о передаче электроэнергии во Франкфурт и немецкий промышленник и изобретатель Оскар фон Миллер (1855 - 1934) начал вести переговоры об этом с различными фирмами.
В конце года было решено, что цементный завод предоставит для этого свою турбину на реке Некар, фирма Эрликон (Maschinenfabrik Oerlikon) поставит в Лауфене генератор, а Всеобщая компания электричества (AEG) — электродвигатель во Франкфурте.
Линия электропередачи из Лауффена на Франкфурт была изготовлена двумя фирмами совместно, но уже с первых шагов электрической технике пришлось столкнуться с определенными трудностями. Оскару фон Миллеру и другим организаторам этого дела пришлось преодолеть ряд препятствий, которые ставили владельцы земли и предприятий.
В компании AEG с 1887 года работал русский изобретатель Михаил Осипович Доливо-Добровольский (1861 - 1919). Находясь в этой компании, М. О. Доливо-Добровольский выполнил свои знаменитые работы по трехфазному току, которые создали мировую известность автору и произвели переворот в технике использования и передачи электрической энергии.
Он получил несколько патентов на трехфазные трансформаторы, двигатели и генераторы. Причем интересно отметить: его конструкция трансформатора до последнего времени сохранилась практически без каких-либо принципиальных изменений.
М. О. Доливо-Добровольский
Именно Доливо-Добровольский первым обратил внимание на техническое решение, приводящее к существенной экономии меди линий передачи - использование трехфазных линий для систем передачи переменных токов. Благодаря ему начался новый этап в развитии фирмы AEG, оказавшейся монопольной обладательницей важнейших патентов в области новой системы тока.
Официальная наука, техническая печать и инженерные круги того времени отрицательно относились к проекту передачи и предрекали, что только 5% энергии дойдет до Франкфурта. Не мало было высказано опасений о судьбе телефонных линий. Вообще первая трехфазная передача встретила то же враждебное сопротивление, как и первые железные дорога, первая передача постоянного тока и т. д.
Однако линия была построена. Она состояла из трех медных проводов, подвешенных на опорах на высоте 8 м. Для трехфазной воздушной линии потребовалось около 3000 опор, 9000 масляных изоляторов и 60 тонн медного провода диаметром 4 мм. Воздушная линия проходила в основном по железной дороге.
Ток передавался под напряжением 8500 В (потом были проведены еще две серии опытов, в которых напряжение передаваемого тока поднималось до 15000 и 25000 В) из Лауфена во Франкфурте-на-Майне. Трехфазная линия электропередачи была запущена во Франкфурте во время работы Международной электротехническая выставки в 1891 году. На этой выстовке впервые был продемонстрирован трехфазный ток как новая система.
Вся передача была спроектирована и построена AEG и Maschinenfabrik Oerlikon под руководством Оскара фон Миллера и Михаила Осиповича Доливо-Добровольского. Трансформаторная установка, генератор и масляные изоляторы были спроектированы Чарльзом Брауном-младшим (1863 - 1924) — конструктором и инженером, изобретателем и предпринимателем, оставившем яркий след в истории техники.
Официальный запуск первой передачи электрической энергии с высоковольтным трехфазным током на Международной электротехнической выставке состоялся во вторник 25 августа 1891 года в 12 часов дня. Первый тестовый запуск был выполнен на несколько дней ранее.
В Лауфене турбина приводила в движение генератор трехфазного тока Броуна. Это типичная машина 90-х годов XIX века, один из первых трехфазных генераторов. Здесь электромагнит вращался перед неподвижным охватывающим его якорем.
Якорь состоял из 96 стержней, соединенные между собой в три обмотки, причем в каждом из них перемена тока происходила со сдвигом фазы на 120°. Ток в статоре при полной нагрузке составлял до 1400 А, что требовало использования сплошных медных стержней диаметром почти 30 мм и термостойкой изоляции с использованием асбестовых труб.
Ток возбуждения, подаваемый аккумуляторами, подавался на ротор через два провода из медной проволоки, которые были прикреплены к роликовым контактным кольцам в передней области генератора к оси. Генератор был рассчитан на 150 оборотов в минуту. Частота трехфазного переменного тока составляла 40 Гц.
Этот генератор давал ток напряжением в 55 В, который повышался трансформатором. Во Франкфурте другой трансформатор понижал напряжение до 65 В. Использовались два трансформатора с масляным охлаждением - один на 100 кВА от AEG и второй трансформатор на 150 кВА от Maschinenfabrik Oerlikon.
Станция в Лауфене
На электротехнической выставке во Франкфурте ток приводил в движение трехфазный двигатель Доливо-Добровольского в 100 л. с., приводившего в действие гидравлический насос, который подавал воду для ярко освещенного десятиметрового декоративного водопада.
Это был самый мощный на то время трехфазный асинхронный двигатель в мире. Кроме этого, выставку освещало 1000 электрических ламп накаливания. Эти лампы окружали вывеску, в центральной части которой значилось: "Линия электропередачи Лауфен — Франкфурт". Ниже была указана протяженность линии — 175 км, а по бокам — наименования фирм, осуществивших эксперимент — "Эрликон" и "AEG".
Электродвигатель Доливо-Добровольского
Схема Лауфен-Франкфуртской передачи
Лауфен-Франкфуртская передача была подвергнута всестороннему изучению. Экспертная комиссия произвела детальные испытания работы машин.
Выводы этой комиссии сводятся к следующему: передача электрической энергии на расстояние в 170 км переменным током при напряжении 8500 В голым медным проводом доставляла, во Франкфурт от 68,5% до 75,2% выработанной в Лауфене энергии. Потери при передаче ограничивались сопротивлением проводов. Влияние емкости было совершенно ничтожным. Передача была такой же бесперебойной, безопасной и правильной, как при напряжении в несколько сот вольт и расстоянии в несколько метров.
Это заключение имело громадное историческое значение, так как к Лауфен-Франкфуртская передача соединила в себе все звенья новой электротехники, она включила трехфазный генератор и двигатель, трансформатор и высоковольтную линию переменного тока.
Динамомашина трехфазного тока Чарльза Брауна показала по документам проверочной комиссии КПД, равный 93,5%. нагрузка составляла 190 л. с. КПД трансформаторов был равен 96%.
Принцип превращения механической энергии в электричество и обратного превращения электричества в механическую энергию, принцип, получивший свое воплощение в революции, произведенной электричеством, получил адекватную форму техники переменного тока. Сама техника переменного тока, начиная с этой передачи, развилась в форме трехфазной электротехники.
На конгрессе, который проходил одновременно с выставкой, М. О. Доливо-Добровольский выступил с большим докладом, в котором изложил основы теории электрических цепей трехфазного тока. Его доклад послужил отправной точкой для многих последующих теоретических работ и разработок в этой новой отрасли.
Важнейшим мероприятием выставки явился "Международный конгресс электротехников 1891 года во Франкфурте-на-Майне", который проходил в течение недели, с 7 по 12 сентября.
Посещение электростанции в Лауфене участниками Международного конгресса электротехников. Чарльз Браун (верхний ряд 4-ый справа). На переднем плане: Эмиль Ратенау (6-ой слева) Марсель Депре (7-ой слева), Гисберт Капп (позади двух вышеупомянутых), д-р Джон Хопкинсон (8-ой слева), справа за ним — Петр Эмиль Губер, Уильям Генри Прис (2-ой справа), директор почтовой службы Фридрих Эберт (1-ый справа).
Последнюю точку в работе Франкфуртской выставки поставил подробный двухтомный "официальный отчет", во всех деталях отразив ее организацию, работу и освещение в прессе.
Генераторы переменного тока строились еще Граммом и другими конструкторами 70-х годов XIX века. В 80-х годах появилось много новых конструкций (Циперновский, Мордей, Форбс, Томсон, Ферранти и др.).
Машина Ферранти
Больше всех для понимания причин вращения магнитного поля сделали итальянский профессор Галилео Феррарис и американский инженер из Сербии Никола Тесла. Независимо друг от друга они пришли к сходным результатам. Почти одновременно выступили в 1888 году с докладами о своих работах. Никола Тесла описал различные многофазные системы. Однако и он считал наиболее целесообразной — двухфазную.
Она и была принята на огромной для своего времени Ниагарской гидроэлектростанции, построенной в Америке, а также еще в нескольких установках в Европе. Однако по прошествии короткого времени с момента первой передачи трёхфазного тока из Лауффена на Франкфурт трехфазные системы, распространившиеся в Европе, доказали свои преимущества и заставили американцев переоборудовать "системы Тесла" на трехфазный ток.
В 90-х годах XIX века перешли от однофазных генераторов переменного тока к многофазным. В этом деле главная заслуга принадлежит Доливо-Добровольскому — до него пользовались малоэкономичным соединением однофазных машин.
После выставки генератор был использован для электроснабжения Гейльброна, который, таким образом, стал первым городом в мире, получившим трехфазный источник питания. В настоящее время оригинальный генератор находился в Немецком музее в Мюнхене.
Генератор с Лауфена в музее
Можно смело сказать, что в период с 1888 по 1891 год были разработаны все основные элементы трехфазной электрической системы, которые полностью сохранили свое значение и получили широкое применение и развитие в настоящее время.
Передача электрической энергии из Лауфена во Франкфурт-на-Майне убедительно показала возможность принципиального решения сложной проблемы централизованного производства электроэнергии и ее передачи на большие расстояния.
Значение выставки во Франкфурте также состоит в том, что она оказала огромное влияние на общественное мнение. Современники оценили Франкфуртскую выставку как решительно поворотный момент в истории электроснабжения. Электротехника превращается в ведущую технологию. Фирмы, использующие переменный ток, вышли из выставки победителями, а компании, применяющие только постоянный ток, стали срочно приобретать лицензии на технологии переменного тока.
Эмиль Ратенау обобщил успех электропередачи на столь значительное расстояние: "Новейшие достижения позволят нам строить великолепные центры выработки электрической энергии в любом месте — в горах и на морском берегу, чтобы использовать энергию горных потоков и приливов, а также у крупнейших речных порогов — чтобы превращать их до сих пор бесцельно растрачиваемую силу в полезное электричество, транспортировать его на любые расстояния и там распределять и использовать любым способом".
Именно с опытной передачи трехфазного переменного тока из Лауфена на Франкфурт в 1891 году берёт своё начало вся современная электрификация.