Глава 10. Война токов

Я знаю, что нет ничего нового в том, чтобы получить вращение двигателя посредством прерывистого перемещения полюсов одной из его частей. Это достигается пропусканием через отдельные намагничивающие обмотки одной из этих частей тока, доставляемого батареей или каким-нибудь другим источником прямого или постоянного тока, причем направление тока с помощью соответствующих механических приспособлений меняется так, что он проходит через обмотки в попеременно противоположном направлении.

Н. Тесла. Дневники

Лаборатория Николы Теслы 13 марта 1895 года сгорела при пожаре, уничтожив результаты многолетних трудов изобретателя и разорив его, не застраховавшего свое имущество…

Тесла, бодрясь перед репортерами, так описывал свои громадные потери на пресс-конференции, созванной им после пожара:

В моей лаборатории были уничтожены следующие самые последние достижения в области электрических явлений. Это, во-первых, механический осциллятор; во-вторых, новый метод электрического освещения; в-третьих, новый метод беспроволочной передачи сообщений на далекие расстояния и, в-четвертых, метод исследования самой природы электричества. Каждая из этих работ, а также многие другие, конечно, могут быть восстановлены, и я приложу все мои усилия, чтобы это восстановить в новой лаборатории…

Между тем по многим признакам данный пожар был далеко не случайным, ведь он произошел в кульминационный момент войны токов, разгоревшейся сразу между тремя группами ученых-электротехников и инженеров. Первые две располагались в Соединенных Штатах, их возглавляли король американских изобретателей Томас Эдисон и сам Никола Тесла. Третья группа состояла из европейских электротехников, ее лидером был выдающийся изобретатель-исследователь Михаил Осипович Доливо-Добровольский.

Суть разногласий, с течением времени переросших в бурные конфликты на страницах печати и судебные разбирательства, сводился к конкуренции трех систем генерации, передачи и потребления электричества: постоянного тока, переменного двухфазного и переменного многофазного тока.

До недавнего времени, на протяжении всей второй половины «века пара и электричества» безраздельно царствовали механизмы и системы, питаемые постоянным током; лишь после изобретения Теслой асинхронного двигателя переменного тока возникла альтернатива традиционным электрическим представлениям.

По словам самого Теслы, конструированием двигателей переменного тока он занялся осенью 1887 года, через пять лет после открытия им технического принципа применения вращающегося магнитного поля. Вскоре он уже рассчитал и построил первые в мире модели индукционного электродвигателя в двухфазном (четырехпроводном) и трехфазном (четырех- и трехпроводном) вариантах исполнения. Эти двигатели пускались в ход и несли нагрузку в соответствии с теорией асинхронных машин, основы которой изобретатель заложил еще при работе в Континентальной компании Эдисона.

В первоначальном виде двухфазный электродвигатель Теслы состоял из кольцевого шихтованного статора с двумя парами взаимно перпендикулярных, распределенных по окружности обмоток с четырьмя выводами и стального ротора в виде диска со срезанными сегментами. В трехфазной модификации статор имел три пары выступающих полюсов-обмоток, размещенных по окружности станины со сдвигом в 60 градусов, и ротор той же продолговатой формы. Изобретатель изготовил двухфазный электродвигатель с двумя замкнутыми на себя роторными катушками, намотанными под прямым углом на стальном барабане или усеченном диске. Этот вариант представлял собой прообраз короткозамкнутого асинхронного двигателя, источником питания которого служили двухфазные или трехфазные синхронные генераторы с несвязанными цепями, снабженными соответственно четырьмя или шестью контактными кольцами.

Вместе с двигателями Тесла уделял большое внимание конструированию генераторов переменного тока. Схемы соединений между генераторами и двигателями являлись первым в лабораторном масштабе опытом передачи электроэнергии по системе многофазных токов. После того как изобретатель наглядно убедился в том, что его двигатели при всей простоте конструкции не уступают по своим эксплуатационным характеристикам двигателям постоянного тока, которые к тому времени начали широко применяться в самых разнообразных электроприводах компанией Эдисона, он вплотную занялся патентованием полученных результатов. В них была предложена схема каскадного соединения электрических машин, которая явилась родоначальником большого и разветвленного семейства каскадных электромашинных установок. Их главные достоинства состояли в увеличении крутящего момента и легкости регулирования скорости вращения применительно к тяжелым видам электропривода. Причем уже тогда изобретатель рассматривал асинхронный двигатель в качестве универсального электромашинного преобразователя, в котором трансформируется не только форма энергии, но также напряжение, частота и число фаз подаваемого тока.

Никола Тесла (1856–1943).

В период с октября по декабрь 1887 года Тесла подал заявки на семь основных патентов, выданных в судьбоносный день для изобретателя – 1 мая 1888 года.

По советам патентных поверенных для лучшей охраны авторских прав Тесла разбил свои изобретения на несколько частей, составив группу отдельных патентных спецификаций, которые частично дублировали друг друга, но в целом охватили все аспекты. В описании патентов Тесла постарался сосредоточить внимание на том, что до его изобретения проблема передачи и преобразования электрической энергии в механическую была далека от удовлетворительного решения. При этом существующие конструкции электродвигателей не обеспечивали постоянства скорости вращения при изменении нагрузки, были малоэкономичны, сложны в обслуживании и дороги в изготовлении.

Через две недели после получения семи основных патентов на систему многофазных токов Тесла по настоянию редакции журнала The Electrical World согласился выступить с публичной лекцией «О новой системе двигателей переменного тока и трансформаторов». Это было первое крупное публичное выступление изобретателя перед видными специалистами в области инженерной электротехники, которое состоялось 16 мая 1888 года в Нью-Йорке на собрании АИИЭ, и было напечатано в «Трудах» Института за тот же год. Лекция сопровождалась демонстрацией двух действующих моделей двухфазных двигателей.

В своем докладе Тесла попытался не только рассказать о достигнутых результатах, но и обрисовать дальнейшие перспективы бытовой и промышленной электрификации как «передачи силы» на расстояние посредством электрической энергии. Далее он подробно, но в доступной форме с минимальным привлечением математического аппарата постарался изложить физический смысл явления, названного впоследствии вращающимся магнитным полем, и механизм действия индукционных машин. Не опираясь на еще не существующий опыт промышленного использования многофазных токов, изобретатель сделал попытку конкретизировать высокие эксплуатационные качества асинхронных двигателей и многофазных трансформаторов. В этой лекции Тесла впервые упомянули о найденном им способе регулирования скорости вращения индукционных двигателей посредством изменения числа полюсов. Это изобретение было заявлено 15 мая 1888 года, а патент опубликован 13 декабря 1892 года.

В то же время на другой стороне Атлантики русский инженер Доливо-Добровольский, занимавший руководящие посты в крупнейшем электротехническом концерне AEG в Берлине, разрабатывал важнейшие принципы техники многофазных токов. Работа в этом направлении привела его к разработке трехфазной электрической системы и совершенной конструкции асинхронного электродвигателя.

Главная особенность асинхронного двигателя Доливо-Добровольского – ротор с обмоткой в виде «беличьей клетки». Он выполнил ротор в образе стального цилиндра, а в просверленные по периферии каналы заложил медные стержни. На лобовых частях ротора эти стержни электрически соединялись друг с другом. В 1889 году этот, в принципе не изменившийся до настоящего времени, двигатель был запатентован.

Следующим шагом Доливо-Добровольского явился переход к трехфазной системе. В результате исследования различных схем обмоток ученый сделал ответвления от трех равноотстоящих точек якоря машин постоянного тока. Таким образом были получены токи с разностью фаз 120 градусов. Так была найдена связанная трехфазная система, отличительной особенностью которой являлось использование для передачи и распределения электроэнергии только трех проводов.

Весной 1889 года Доливо-Добровольским был построен стоваттный трехфазный асинхронный двигатель, напитываемый от трехфазного одноякорного преобразователя. Затем были созданы еще более мощные преобразователи и началось изготовление трехфазных синхронных генераторов. Важными достижениями ученого были новые способы звездообразных и треугольных обмоток, распределенных по всей окружности статора. Кроме того, Доливо-Добровольский улучшил использование статора с помощью разрезной обмотки, встречного соединения противолежащих катушек и заменой кольцевой обмотки статора на барабанную. Так асинхронный двигатель Доливо-Добровольского с короткозамкнутым ротором приобрел современный вид.

В 1889 году Доливо-Добровольский построил электрическую систему, предназначенную для передачи трехфазного переменного тока напряжением 8500 В и мощностью 220 кВт на расстояние в 175 км. Тогда же он изобрел трехфазный трансформатор с радиальным расположением сердечников, впоследствии замененный конструкцией «призматического», в котором удалось получить более компактную форму магнитопровода. Позднее изобретателем была сделана патентная заявка на трехфазный трансформатор с параллельными стержнями, расположенными в одной плоскости. В принципе и эта конструкция практически без изменений сохранилась до настоящего времени.

В 1891 году Доливо-Добровольский принял активное участие в международной выставке во Франкфурте-на-Майне, демонстрировавшей все электротехнические достижения того времени. Там им была осуществлена знаменитая Лауфен-Франкфуртская электропередача, снабжавшая вместе со всем действующим электрооборудованием выставки еще и стоваттный асинхронный двигатель Доливо-Добровольского, который приводил в движение насос, подававший воду к искусственному водопаду перед главным входом на выставку. Небольшая гидроэлектростанция с трехфазным синхронным генератором, которая с помощью трансформаторов передавала электроэнергию на невиданное в те времена расстояние, была построена на реке Неккар, в местечке Лауфен. Выставка имела грандиозный успех и сыграла громадную роль в пропаганде переменного тока и соответствующего оборудования.

Тесла также был осведомлен об успехах трехфазной системы электропитания, но настойчиво предпочитал ей двухфазный ток, проявляя непростительный консерватизм. В то же время изобретатель продолжал всяческую борьбу с «империей постоянного тока Эдисона».

В это же время начиная с восьмидесятых годов XIX века рядом с Теслой активно действовал дальновидный предприниматель, не побоявшийся вложить свое состояние в экзотическую по тем временам электроэнергетику переменного тока. Это был Джордж Вестингауз (1846–1914), уроженец штата Нью-Йорк и сын владельца завода сельскохозяйственных машин. В 1869 году он, в возрасте двадцати трех лет, получил патент на воздушный железнодорожный тормоз, что позволило ему основать фирму Westinghouse Air Brake Co. и в последующие годы запатентовать различные аппараты и устройства электрической железнодорожной сигнализации.

Система выработки, трансформации и потребления двухфазного переменного тока Теслы.

В самом начале за основу своей электротехнической производственной деятельности компания Вестингауза взяла систему однофазного переменного тока, представленную одной венгерской фирмой на лондонской выставке 1885 года. В конце того же года главный инженер компании Вильям Стенли сконструировал однофазный автотрансформатор, что уже через год позволило построить первую многокилометровую линию электропередачи однофазного тока высокого напряжения в штате Массачусетс. На следующем этапе по проекту Стенли в 1887 году в штате Нью-Йорк была пущена коммерческая установка однофазного тока для электрического освещения. В последующие годы компания Вестингауза построила более сотни небольших электростанций однофазного тока, оборудованных синхронными генераторами и трансформаторами.

С самого начала Вестингауз столкнулся с очень жестким противодействием со стороны компании Эдисона, хотя в те годы еще рано было говорить о реальной конкурентоспособности вестингаузовских электроустановок с успешно действующими уже много лет устройствами постоянного тока. До победы в грядущей «войне токов» было еще далеко, для этого электротехнике переменного тока крайне требовался промышленный электродвигатель, превосходящий имеющиеся двигатели постоянного тока по всем показателям. Впоследствии сам Вестингауз неоднократно подчеркивал, что техника переменного тока создавалась им не столько для увеличения радиуса действия электроосветительных установок, сколько для передачи силовой энергии на дальние расстояния с использованием в фабрично-заводских электроприводах.

В июле 1888 года Вестингауз встретился с Теслой в его нью-йоркской лаборатории и после осмотра всяческих устройств переменного тока предложил изобретателю миллион долларов за право эксплуатации его сорока патентов и дополнительно обязался в течение пятнадцати лет выплачивать по одному доллару за каждую лошадиную силу мощности электродвигателей.

Так Тесла стал одним из ведущих специалистов Westinghouse Electric Co., где уже плодотворно работала целая группа одаренных инженеров и изобретателей. Вначале Вестингауз хотел просто применить разработки Теслы к уже освоенной компанией системе однофазного тока, поэтому изобретатель вначале занялся усовершенствованием серийно выпускаемых маломощных киловаттных электродвигателей, подключаемых в однофазные осветительные сети. При этом возникла проблема используемого стандарта частоты в 133 Гц, для которого технические показатели этих двигателей были довольно низки. Нужно было переходить на другие частотные характеристики переменного тока, причем требовалось так подобрать частоту, чтобы она была достаточно высокой и электролампы не мерцали. В конечном итоге для надежной и экономичной эксплуатации асинхронных электродвигателей была выбрана частота тока 60 Гц, ставшая стандартом в американской электроэнергетике.

Преодолев эту серьезную преграду на пути внедрения асинхронных двигателей в промышленность и бытовую технику, Тесла приступил к дальнейшей разработке моделей электрических машин в двухфазном исполнении. И уже в начале 1889 года ему удалось сконструировать и испытать главный серийный образец асинхронного двигателя мощностью в 7,5 кВт при весе 385 кг с коэффициентом полезного действия, достигавшим 95 процентов. Прошло всего несколько месяцев, и первые в мире индукционные двигатели двухфазного тока для производственных нужд были смонтированы на газовой станций вблизи Питсбурга. В том же году на заводе Вестингауза вошел в строй новый цех с десятками станков, приводимых в движение асинхронными двигателями общей мощностью в 600 кВт. Так в начале девяностых годов XIX века многие американские промышленные предприятия были оснащены двигателями Теслы, для электропитания которых повсюду сооружались электростанции двухфазного тока.

Конечно же, подобные успехи конкурентов вызывали припадки яростной зависти у короля изобретателей, потерявшего с некоторых пор покой и сон. В начатой им «войне токов» Эдисон не отказывался от любых методов ведения конкурентной борьбы против прогрессивной техники, которая в Америке была гораздо ожесточеннее, чем в Европе. При этом его сподвижники настойчиво пропагандировали тезис о высокой опасности переменного тока, распространяя слухи о частых травмах при пользовании электрооборудованием и приборами переменного тока. Эдисон лично потратил большую часть своего состояния на подкуп конгрессменов в различных штатах, чтобы законодательным путем ограничить или даже запретить применение переменного тока. Когда в Нью-Йорке была введена мучительная казнь на электрическом стуле, изобретенном Эдисоном, он снабдил его похищенным на одном из предприятий Вестингауза генератором переменного тока с напряжением в 2 тыс. В. Поэтому репортеры тут же подхватили придуманное Эдисоном название для смерти от переменного тока как «вестингаузации».

Решающая битва в «войне токов» произошла на международной выставке в Чикаго, организованной в ознаменование 400-летия открытия Америки 1 мая 1893 года, названная Колумбийской в честь великого мореплавателя. Несмотря на то, что за год до открытия Колумбийской выставки, в 1892 году, произошло важнейшее событие в электропромышленности США: Edison General Electric Company поглотила Thomson-Houston Electric Company, в результате чего возникла мощнейшая монополия General Electric, компании Вестингауза удалось получить заказ на электрификацию выставки.

Так переменный ток навсегда утвердился в промышленности и быту, и пожар в лаборатории Теслы, конечно же, не мог уже ничему помешать, скорее, это был акт отчаяния со стороны Эдисона.