Теория электрической передачи энергии на большие расстояния

Кстати, ранее мы С.Г. Егорова назвали электротехником. Этого учёного советские историографы электротехники попросту не заметили, поэтому, к сожалению, практически нечего сказать о нём кроме того, что, например, 16 января 1898 г. С.Г. Егоров на заседании Метеорологического комитета Императорского Русского Географического общества прочитал доклад «Несколько замечаний о современных задачах метеорологии и земного магнетизма». Выходит, что этот учёный был не только электротехником, но и естествоиспытателем.

Для начала попытаемся найти истоки возникшей потребности — передавать электроэнергию на большие расстояния. И поможет нам в этом книга забытого сейчас популяризатора электротехники Марка Оскаровича Каменецкого «Первые русские электростанции» (Госэнергоиздат. М. Л., 1951).

Вот как последний обрисовывал технические основы централизации производства электроэнергии (откуда закономерно следовала необходимость её передачи).

На рубеже восьмидесятых годов были созданы технические предпосылки для распределения электрической энергии. Такими предпосылками явились: 1) отделение производства электрической энергии от её потребления, что практически открывало широкие возможности устройства электрического освещения, и 2) разработка теоретических основ электротехники и, в частности, теории передачи электрической энергии.

В создании обеих этих предпосылок исходные позиции принадлежат русской электротехнической мысли. Разделение производства и потребления электрической энергии было осуществлено русскими техниками-новаторами Александром Николаевичем Лодыгиным и Павлом Николаевичем Яблочковым. По историческим условиям оно относилось к электрическому освещению и получило название «разделения» или «дробления» электрического света. <…> Что же понималось в то время под «дроблением электрического света», в каком состоянии была теория электропередачи и что сделали для развития этих вопросов наши соотечественники?

Задача дробления электрического света заключалась в осуществлении возможности одновременного приключения многих мелких источников света к одному относительно мощному источнику энергии (электрической машине). Для обоих возможных методов получения света при помощи электрического тока — метода использования теплового излучения твёрдого тела накала и метода использования свечения в газовой среде — решение задачи дробления света долго не удавалось. До разделения электрического света применение электрической энергии не имело сколько-нибудь широкого распространения.

Подлинно техническое использование электричества было невозможно из-за отсутствия способов распределения токов. Задача дробления электрического света в узком её понимании была решена применительно к обоим методам электрического освещения почти одновременно А.Н. Лодыгиным и П.Н. Яблочковым.

Решение А.Н. Лодыгина заключалось в том, что ему удалось в 1873 г. построить достаточно долговечное, по понятиям того времени, тело накала в виде двух угольных стерженьков, помещённых в стеклянный баллон, из которого выкачивался воздух. Это решение обеспечивало простое решение «дробления света» — параллельное включение ламп различной мощности, рассчитанных на одну и ту же разность потенциалов, создаваемую генератором электрической энергии.

Впервые Лодыгин демонстрировал изобретённую им систему освещения в Петербурге в Технологическом институте в августе 1873 г. и несколько позже в установках электрического освещения в Галерной Гавани и на Песках.

В своем заявлении Петербургской Академии наук, послужившем основанием для присуждения ею в декабре 1874 г. А.Н. Лодыгину ломоносовской премии в размере 1 000 руб., академик Г.И. Вильд писал, что со времени появления динамомашины «получили особое значение старания придать электрическому свету большую ровность и достигать возможности разделить его по произволу на несколько менее ярких точек. В этом направлении сделано уже немало попыток, но они были до сих пор безрезультатными. <…> Лодыгину удалось… <…> …открыть путь к такому общему применению электрического света, которое, по всей вероятности, приведёт к совершенному перевороту в системе освещения». Вильд рекомендовал Академии наук признать, «что Лодыгин своим открытием решил возможно простейшим способом важную задачу разделения электрического света».

Решение задачи дробления света П.Н. Яблочковым носило гораздо более развёрнутый, чем в решении А.Н. Лодыгина, характер и заключало в себе три различных способа.

Разделение электрического света П.Н. Яблочков осуществил в следующих вариантах: 1) последовательное включение нескольких свечей в цепь одного и того же источника тока, ставшее возможным после того, как Яблочков сумел удалить механизм (регулятор) из дуговой лампы. Это решение имело ограниченный характер и, подобно системе Лодыгина, не выходило за пределы узко осветительной задачи; 2) присоединение отдельных свечей или групп свечей через конденсатор (лейденскую банку). Это решение представляло собой разработку схемы цепи переменного тока с емкостным сопротивлением; 3) питание отдельных свечей или групп свечей от индуктивных катушек. Этот вариант представлял наиболее полноценное решение задачи, поскольку разделение генерации и потребления электрической энергии осуществлялось в нём в наиболее перспективном виде.

Уже в первых экспериментах Яблочкову удалось добиться разделения электрической энергии от одной машины на очень значительное число осветительных точек. В своём сообщении физическому обществу при Петербургском университете Яблочков в начале 1877 г. писал: «Посылаю вам 4 моих свечи для работы с машиной Альянс; одну с углями в 8 мм диаметром, одну — в 7 мм и две — в 6 мм, последние можно поставить обе сразу в цепи, если машина имеет довольно напряжения. Делая свечи меньшего диаметра и ставя машину всю в напряжение, я жгу по 6 свечей. Для всех моих опытов я предпочитаю машины с переменным током; с машинами этой системы при особом приспособлении я имею возможность получить практически до восьмидесяти светящихся точек с одной машины».

Решение задачи разделения электрического света в его расширенном понимании, как разделения источника (генератора) и потребителя электроэнергии, обусловило появление связывающего их нового технического агента — электрической сети — и ввело новый процесс в применении электрической энергии — её передачу.

Наиболее всеобщий характер имело, как выше отмечено, «разделение света» посредством индуктивных катушек, запатентованных П.Н. Яблочковым 30 ноября 1876 г. <…> В свою новую систему распределения Яблочков внёс новое качество: в оснащённой индуктивными катушками — трансформаторами — сети происходил не только процесс транспортирования энергии, но и процесс её трансформации. Решение задачи дробления электроэнергии посредством индуктивных катушек, осуществлявших возможность её трансформации, выходило из узких рамок области электрического освещения. Его историческое значение было очень велико. С этого времени начинается самостоятельное развитие электрического генератора, не ограничиваемое параметрами электрического источника света. С этого времени электрический генератор перестал быть исключительно «световой машиной».

<…> Таким образом, в конце 1870-х годов русские новаторы сумели разделить процесс применения электрической энергии на три звена: производство, передача и применение. Вследствие этого разделения была создана необходимая предпосылка разрешения проблемы передачи и распределения электрической энергии, получившей своё реальное очертание.

Итак, каковы же были теоретические наработки Д.А. Лачинова и С.Г. Егорова (вызванные практической потребностью в передаче электроэнергии на расстояние)? В начале своей фундаментальной статьи «Электромеханическая работа», публиковавшейся почти в течение всего 1880 года, Д.А. Лачинов подводил такую базу под перспективы электрической передачи:

Прилагая паровую (или всякую другую) силу к динамо-электрической машине, мы получим её почти всю¹ в форме гальванического тока, который будет обходиться, таким образом, с лишком в двадцать раз дешевле обыкновенного (гидроэлектрического²). Ничем не отличаясь по качествам от этого последнего, он может с огромною выгодою заменить его во всех технических применениях, как то: в электрическом освещении, гальванопластике, телеграфии и, наконец, в электродвижении.

В этом последнем, наиболее интересном случае, вопрос приобретает особую, довольно оригинальную форму: в одном пункте мы пользуемся паровой (или какой-либо иной) силой для вращения динамо-электрической машины, и полученный таким образом ток проводим посредством проволок в другой, более или менее удалённый пункт, где заставляем его действовать на машину Сименса или Грамма, которая, наконец, и производит требуемую механическую работу. Электродвижение является здесь, следовательно, в форме передачи механической работы посредством электричества. Предполагая, что обе машины поставлены в весьма выгодные условия³, мы приходим к заключению, что таким способом будет передаваться до 80% первоначальной работы двигателя. При обыкновенных условиях, когда мы не стараемся о наилучшем устройстве и о наивыгоднейшей скорости машин, можно всё-таки допустить, что посредством электричества мы передадим на значительное расстояние, по крайней мере, половину работы двигателя.

С первого взгляда такой результат не представляется особенно выгодным, но, при ближайшем рассмотрении, электрическая передача оказывается, во многих случаях, весьма удобной и экономной, и ей предстоит, по-видимому, играть весьма важную роль в промышленности, в особенности на больших фабриках и на железных дорогах, для движения поездов.

Чтобы передавать механическую силу разнообразным механизмам обширной фабрики, существует два способа. Можно или установить много маленьких паровых машин, приводящих в движение отдельные станки (или небольшие отделения фабрики), или построить одну центральную паровую машину, от которой передавать работу во все стороны посредством валов, бесконечных ремней и канатов⁴. Первый способ невыгоден, потому что содержание маленьких двигателей обходится приблизительно вчетверо дороже, чем больших; второй же способ — потому что самые органы передачи (ремни, зубчатые зацепления и канат) поглощают громадное количество работы. Электрическая передача будет не только проще и экономнее, но ещё значительно сбережёт пространство, так как металлические проводы могут быть изогнуты как угодно. В случае надобности их можно провести под полом, или по стенам, на манер газовых труб.

Перед тем, как перейти непосредственно к теории передачи электроэнергии, Д.А. Лачинов вынужден был обрисовать те электрические машины, которые были наиболее перспективны для этого:

Прежде чем приступим к теоретическим выводам, изложим те условия, которым должны удовлетворять электродвигатели, для того чтобы они могли давать хорошие результаты и чтобы теория могла быть применена к ним в наиболее простой её форме.

Для этого необходимо, чтобы действие тока на подвижную часть машины не изменялось во время полного оборота, т.е. чтобы во всяком положении момент вращения был постоянен. Машины старых систем (до Грамма) не выполняли этого важного условия — они, в известных положениях, сильно рвались вперед, в других — почти совсем не шли. Подобные машины, вообще говоря, неэкономичны, потому что если мы удовлетворим условия наивыгоднейшей работы для известного положения машины, то для остальных положений эти условия не будут выполнены. Поэтому мы будем рассматривать только машины граммова типа⁵, которые одни могут рассчитывать на практический успех, между тем как все прежние электродвигатели представляют в настоящее время лишь исторический интерес.

Мы будем предполагать, что рассматриваемая машина состоит из неподвижной части (магнитов) и подвижной (катушки). На этой последней должно находиться не менее пятидесяти или ста обводов проволоки, для того чтобы она могла выполнить поставленное выше условие постоянства вращательного момента⁶.

Далее Д.А. Лачинов напоминал «теоретические принципы, на которых основана теория электродвигателей» (опираясь при этом на законы Ома и Джоуля-Ленца). Но мы пропустим их изложение и в продолжении этого очерка сразу перейдём к теории электрической передачи, разработанной Д.А. Лачиновым и чуть позднее — С.Г. Егоровым (с минимальными пояснениями в отношении «теории электродвигателей»).

(Продолжение следует)

¹ За исключением той части, которая пойдёт на преодоление вредных сопротивлений. (Прим. Д.А. Лачинова).
² Т.е. получаемого из «жидкого» гальванического элемента. (Прим. М.И. Классона).
³ Ниже, в теоретической части этой статьи, будут выведены наивыгоднейшие условия. (Прим. Д.А. Лачинова).
⁴ Здесь речь идет о механических передачах с «бесконечным» элементом передачи силы. (Прим. М.И. Классона).
⁵ Сюда относятся машины Грамма, Сименса, Эдисона, Шуккерта и подобные им. (Прим. Д.А. Лачинова).
⁶ В настоящее время в динамо-электрических машинах устраивают обыкновенно около 60 секций, из которых каждая состоит из многих обводов изолированной проволоки. (Прим. Д.А. Лачинова).