План
Введение
1 Различия
1.1 Генераторы
1.2 Передача энергии на расстояние
1.3 Потребители
1.4 Безопасность
2 История
2.1 Первые электросети
2.2 Появление переменного тока
2.3 Электрический стул
2.4 Ниагарский водопад
2.5 Сворачивание сетей постоянного тока
3 Современное применение постоянного тока
Список литературы
Введение
Война токов (англ. War of Currents) — противостояние Томаса Эдисона и Николы Тесла (а также Джорджа Вестингауза) в борьбе за использование постоянного и переменного тока соответственно. «Война» продолжалась свыше ста лет и закончилась в конце ноября 2007 года с окончательным переходом Нью-Йорка с постоянного тока на переменный[1].
1. Различия
1.1. Генераторы
Генераторы постоянного тока легко подключаются параллельно, необходимо лишь соблюдать полярность. Чтобы подавать в сеть переменный ток, требуется предварительная синхронизация генератора переменного тока с подключаемой энергосистемой. Также постоянный ток удобнее для работы систем аварийного электропитания и аккумулирующих станций (станций, которые накапливают энергию в часы «затишья» и отдают в часы пик).
1.2. Передача энергии на расстояние
При увеличении расстояния, растёт электрическое сопротивление проводов, и растут потери на их нагрев. При создании электрической линии, рассчитанной на передачу определенной мощности, существенно снизить потери можно только снижая сопротивление (делая провода толще) или повышая напряжение (понижая, тем самым, силу тока). Чтобы вчетверо снизить потери, приходится либо вчетверо снижать сопротивление, либо вдвое повышать напряжение. Таким образом, передача энергии на большие расстояние возможна только при использовании высокого напряжения.
Поскольку эффективных способов изменять напряжение постоянного тока на тот момент времени не существовало, в электростанциях Эдисона использовалось напряжение, близкое к потребительскому — от 100 до 200 вольт. Такие электростанции не позволяли передавать потребителю большие мощности. В результате, эффективно использовать генерируемую электрическую энергию могли потребители, расположенные на расстоянии, не превышающем порядка 1,5 км от электростанции. Преодолеть это ограничение можно было сложными и дорогими мерами: использованием толстых проводов или строительством целой сети местных электростанций. Другими словами, подход Эдисона не позволял построить мощную электростанцию, снабжающую целый регион, равно как и построить ГЭС в подходящем для этого месте.
Напряжение переменного тока легко изменяется с помощью трансформаторов (КПД до 99 %). Это даёт возможность как передавать ток по магистральным линиям весьма высокого напряжения на большие расстояния (сотни километров), так и строить сеть высоковольтных линий меньшего напряжения для поставки энергии на трансформаторные подстанции, а затем и потребителям. По той же причине переменный ток более универсален для решения иных, чем освещение, производственных и бытовых задач.
С другой стороны, при высоких частотах переменного тока начинает ощутимо сказываться скин-эффект (отсутствующий при постоянном токе), вынуждающий заменять один толстый проводник пучком тонких.
1.3. Потребители
Лампочки лучше работают на постоянном токе. Подходящих двигателей переменного тока на момент появления электрических сетей вообще не существовало — лишь в 1888 году Никола Тесла изобрёл асинхронный электродвигатель, чем окончательно склонил чашу весов на сторону Вестингауза.
Изобретённый Эдисоном счётчик также работал только на постоянном токе.
1.4. Безопасность
Переменный ток быстрее приводит к фибрилляции сердечной мышцы, чем постоянный. Впрочем, в любой коммерчески приемлемой электросети напряжения таковы, что опасным будет и постоянный ток.
2. История
2.1. Первые электросети
В 1878 году Эдисон основывает компанию «Эдисон электрик лайт» (ныне General Electric). К 1879 году закончилась доводка электрической лампочки — одна лампа служила свыше 12 часов. Для современного читателя эта цифра может показаться весьма скромной, но альтернативами в те времена были только свеча, керосиновая лампа и газовое освещение. В 1880 году Эдисон патентует всю систему производства и распространения электроэнергии, которая включала три провода — нулевой и ±110 вольт (это снижало материалоёмкость при тех же потерях энергии). Одновременно был продемонстрирован невиданный доселе срок жизни лампочки — 1200 часов. Именно тогда Эдисон сказал: «Мы сделаем электрическое освещение настолько дешёвым, что только богачи будут жечь свечи».
В январе 1882 года Эдисон запускает первую электростанцию в Лондоне, а несколькими месяцами позже — в Манхэттене. К 1887 году в США существовало более сотни электростанций постоянного тока, работавших на трёхпроводной системе Эдисона.
2.2. Появление переменного тока
В отличие от Эдисона, который проявил себя неутомимым экспериментатором и умелым бизнесменом, сторонники переменного тока основательно знали математику и физику. Ознакомившись с патентом Эдисона, Джордж Вестингауз обнаружил слабое звено его системы — большие потери мощности в проводах.
В 1881 году Люсьен Голар (Франция) и Джон Гиббс (Великобритания) демонстрируют первый трансформатор, пригодный для работы на высоких мощностях. В 1885 Вестингауз покупает несколько трансформаторов Голара-Гиббса и генератор переменного тока производства Siemens & Halske и начинает эксперименты. Через год начинает работу первая 500-вольтовая ГЭС переменного тока в Грейт-Баррингтоне (штат Массачусеттс).
Распространению переменного тока мешало и отсутствие моторов и счётчиков. В 1882 году Тесла изобретает многофазный электромотор, патент на который был получен в 1888 году. В 1884 году Тесла появляется в США. После года успешной работы Эдисон отказывает Тесле в повышении зарплаты[2], и Тесла уходит к Вестингаузу. В 1888 году появляется первый счётчик переменного тока.
2.3. Электрический стул
Переход на переменный ток должен был стать финансовым поражением Эдисона, который зарабатывал немалую часть денег на патентных отчислениях. Чувствуя своё поражение, Эдисон подал в суд за нарушение патентов, но решение суда было не в его пользу[3].
Тогда Эдисон занялся чёрным пиаром, публично демонстрируя убийства животных переменным током. К тому же, примерно в то же время некто Поуп был убит пробитым трансформатором, стоявшим у него в подвале; это происшествие было широко освещено прессой. Наконец, в 1887 году финансируемый Эдисоном инженер Гарольд Браун предложил идею убивать преступников током — разумеется, «опасным» переменным, а не «безопасным» постоянным.
Вестингауз, резкий противник использования электричества для казни, отказался поставлять генераторы переменного тока для этой цели (добывать их пришлось окольными путями), нанял адвокатов приговорённому к казни на электрическом стуле Кеммлеру, который убил жену топором. Адвокаты требовали отменить приговор, как противоречащий Конституции США, запрещающей «жестокие и необычные наказания». Несмотря на их старания, в 1890 году произошла первая казнь на электрическом стуле. Эдисон подкупил газетчика, и на следующий день в газете появилась статья «Вестингауз казнил Кеммлера». Казнь выглядела настолько ужасно, что Вестингауз ответил на это однозначно: «Топором бы у них вышло лучше».
2.4. Ниагарский водопад
В 1891 году трёхфазная система переменного тока была представлена консорциумом во главе с AEG на выставке, проходившей во Франкфурте-на-Майне. В 1893 году Вестингауз выиграл тендер на строительство электростанции на Ниагарском водопаде. По словам Теслы, «мощности водопада хватит на все США». Чтобы примирить Вестингауза и Эдисона, последнему досталось строительство линии электропередачи, ведущей от электростанции в Буффало — ближайший крупный город.
В конце концов General Electric купила компанию «Томсон-Хьюстон», производившую машины переменного тока, и сама начала их производство. Тем не менее, антиреклама переменного тока продолжалась — в частности, Эдисон самолично заснял казнь электрическим током слонихи Топси, растоптавшей троих людей и за это умерщвлённой в 1903 году[4].
2.5. Сворачивание сетей постоянного тока
Электроснабжение постоянным током неохотно сдавало свои позиции. Хотя уже в начале XX века большинство электростанций выдавали переменный ток, существовало немало потребителей постоянного тока. Переменный ток для них преобразовывался в постоянный с помощью ртутных выпрямителей. Электростанции постоянного тока строились вплоть до 1920-х годов. Хельсинки окончательно перешёл на переменный ток в 1940-х годах, Стокгольм в 1960-х. Тем не менее, в США вплоть до конца 1990-х годов существовало 4,6 тыс. разрозненных потребителей постоянного тока, и в 1998 году начались попытки перевести их на переменный ток.
С исчезновением последнего потребителя постоянного тока в ноябре 2007 года главный инженер компании «Консолидейтед Эдисон», которая предоставляла электроснабжение постоянным током, перерезал символический кабель. Это и положило конец «войне токов».
3. Современное применение постоянного тока
Несмотря на то, что в крупных энергосистемах лучше переменный ток, существует немало сетей постоянного тока.
· Тяговые электродвигатели на транспорте, кораблях, подводных лодках. На железных дорогах до сих пор есть разделение на электрификацию переменным и постоянным током.
· Различные локальные электросети, не выдающие тока в общую энергосистему.
· Электролиз осуществляется только постоянным током. Это довольно мощные потребители (в частности, заводы по производству алюминия).
· Низковольтная электроника (микропроцессорные устройства, электросвязь, игрушки, охранная сигнализация и т. д.).
· Бортовые сети различных транспортных средств — вагонов, автомобилей, самолётов и т. д.
· Системы аварийного питания.
· Высоковольтные линии постоянного тока, применяемые для передачи большой мощности на дальние расстояния, по подводным кабелям, а также как вставки постоянного тока для связи между собой несинхронизированных сетей.[5] Рассинхронизация сетей по фазе (возникающая из-за больших расстояний или просто в силу административных и исторических причин), а в случае кабеля, и высокая ёмкость ЛЭП делают переменный ток непригодным для решения задачи. Весьма высокие напряжения при больших мощностях позволяют существенно снизить потери и, тем самым, получить выгоду и окупить сложное дополнительное оборудование — выпрямители и инверторы. К войне токов это не имеет никакого отношения.