Vojna tokov — Tesla proti Edisonu

Spopad med Nikolo Teslo in Thomasom Edisonom ob koncu 19. stoletja lahko imenujemo prava vojna in ni zaman, da se njuno rivalstvo, v katerem bo tehnologija prenosa električne energije postala prevladujoča v svetu, še vedno imenuje "vojna tokov".

Tehnologija Teslinih izmeničnih vodov oziroma Edisonovih vodov je prava epohalna polemika, pika na i pa je bila postavljena šele konec leta 2007, z dokončnim zaključkom prehoda New Yorka na izmenična omrežja, v korist Tesle.

Prvi enosmerni električni generatorji so omogočali enostavno priključitev na omrežje in s tem na porabnike, alternatorji pa so zahtevali sinhronizacijo s priključenim elektroenergetskim sistemom.

Pomembno je, da porabniki, zasnovani za izmenični tok, prvotno niso obstajali in da je bila izumljena učinkovita modifikacija indukcijskega motorja, ki je bil zasnovan neposredno za napajanje z izmeničnim tokom. Nikola Tesla šele leta 1888, torej šest let po tem, ko je Edison zagnal prvo elektrarno na enosmerni tok v Londonu.

Potem ko je Edison leta 1880 patentiral svoj sistem za ustvarjanje in distribucijo enosmerne električne energije, ki je vključeval tri žice – nič, plus 110 voltov in minus 110 voltov, je bil veliki izumitelj žarnice zdaj prepričan, da bo »električno razsvetljavo naredil tako poceni da bodo samo bogati uporabljali sveče. »

Torej, kot je navedeno zgoraj, je Edison januarja 1882 v Londonu, nekaj mesecev kasneje na Manhattnu, lansiral prvo enosmerno elektrarno, do leta 1887 pa je v ZDA delovalo več kot sto Edisonovih elektrarn na enosmerni tok. Tesla je takrat delal za Edisona.

Kljub navidez svetli prihodnosti Edisonovih enosmernih sistemov so imeli zelo pomembno pomanjkljivost. Žice so bile uporabljene za prenos električne energije na daljavo in kot veste, ko se dolžina žice povečuje, se njen upor povečuje in zato so neizogibne toplotne izgube. Tako je problem zahteval rešitev - zmanjšati upornost žic, jih narediti debelejše ali povečati napetost, da se zmanjša tok.

Takrat ni bilo učinkovitih metod za povečanje napetosti enosmernega toka, napetost v vodih pa še ni presegla 200 voltov, zato je bilo mogoče zagotoviti znatno moč le na razdalji največ 1,5 km, in če potreba po dodatnem prenosu električne energije, obstajajo drage žice z velikim prečnim prerezom.

Tako sta leta 1893 Nikola Tesla in njegov investitor, podjetnik George Westinghouse, prejela naročilo za osvetlitev sejma v Chicagu z dvesto tisoč žarnicami. Bila je zmaga.Tri leta kasneje je bila na Niagarskih slapovih zgrajena prva hidroelektrarna na izmenični tok za prenos električne energije v bližnje mesto Buffalo.

Z drugimi besedami, do leta 1928 so ZDA že prenehale z razvojem enosmernih sistemov, popolnoma prepričane o prednostih izmeničnega toka. Po nadaljnjih 70 letih se je začela njihova razgradnja, do leta 1998 število enosmernih uporabnikov v New Yorku ni preseglo 4600, do leta 2007 pa jih ni bilo več, ko je glavni inženir Consolidated Edison simbolično prerezal kabel in se začela »vojna Tokovi« je bilo konec.

Prehod na izmenični tok je Edisona močno udaril po žepu in ker se je počutil poraženega, je začel tožiti zaradi kršitve njegovih patentnih pravic, vendar odločitve sodnikov niso bile njemu v prid. Edison se ni ustavil, začel je organizirati javne demonstracije, na katerih je ubijal živali z izmeničnim tokom, s čimer je skušal vsakogar in vsakogar prepričati o nevarnosti uporabe izmeničnega toka in obratno - o varnosti svojih enosmernih omrežij.

Sčasoma je prišlo do točke, ko je leta 1887 Edisonov partner, inženir Harold Brown, predlagal usmrtitev zločincev s smrtonosnim izmeničnim tokom. Westinghouse in Tesla za to nista dobavila generatorjev in sta celo najela odvetnika za svojo ženo Kemmer, ki je bila obsojena na smrt na električnem stolu. Toda to ni rešilo in leta 1890 je bil Kemmler usmrčen z izmeničnim tokom, Edison pa je poskrbel, da je podkupljeni novinar za to v svojem časopisu blatil Westinghouse.

Kljub Edisonovemu nenehnemu slabemu PR-ju je bil Teslin AC sistem usojen na uspeh.Izmenično napetost je mogoče preprosto in učinkovito povečati s pomočjo transformatorjev in brez večjih izgub prenašati po žicah na razdalje več sto kilometrov. Visokonapetostni vodi ne zahtevajo uporabe debelih vodnikov, znižanje napetosti v transformatorskih postajah pa je omogočilo dobavo nizke napetosti potrošniku za napajanje izmeničnih bremen.

Začne se z dejstvom, da se je Tesla leta 1885 upokojil pri Edisonu in skupaj z Westinghouseom pridobil več Golar-Gibbsovih transformatorjev in alternator proizvajalca Siemens & Halske, nato pa je s podporo Westinghousea začel lastne poskuse. Posledično je leto po začetku poskusov začela delovati prva 500-voltna elektrarna v Great Barringtonu v Massachusettsu.

Takrat še ni bilo motorjev, primernih za učinkovito napajanje z izmeničnim tokom, in že leta 1882 je Tesla izumil polifazni električni motor, patent za katerega je prejel leta 1888, istega leta, ko se je pojavil prvi merilnik izmenične napetosti. Trifazni sistem so predstavili v Frankfurtu na Majni na razstavi leta 1891, leta 1893 pa je Westinghouse zmagal na razpisu za gradnjo elektrarne na Niagarskih slapovih. Tesla je verjel, da bo energija te hidroelektrarne zadostovala za celotno ZDA.

Da bi uskladili Teslo in Edisona, je Niagara Power Company naročila Edisonu gradnjo daljnovoda od postaje Niagarski slapovi do mesta Buffalo. Posledično je General Electric v lasti Edisona kupil podjetje Thomson-Houston, ki je izdelovalo AC stroje, in jih začel izdelovati sam.

Tako je Edison spet dobil denar, vendar se oglaševanje proti AC-ju ni ustavilo – objavil in v časopisih je razdelil slike AC-jeve usmrtitve slonice Topsy, ki tepta tri cirkuške delavce v newyorškem Luna Parku leta 1903.

Enosmerni in izmenični tok – prednosti in slabosti

V preteklosti se je enosmerni tok pogosto uporabljal za napajanje zaporedno vzbujenih elektromotorjev v prometu. Takšni motorji so dobri v tem, da razvijejo velik navor pri majhnem številu vrtljajev na minuto, to število vrtljajev pa je mogoče enostavno prilagoditi s preprostim spreminjanjem enosmerne napetosti, ki se dovaja v navitje motorja ali z reostatom.

Motorji na enosmerni tok lahko skoraj v trenutku spremenijo svojo smer vrtenja, ko se spremeni polarnost dovoda v navitje polja. Tako se enosmerni motorji še vedno pogosto uporabljajo na dizelskih lokomotivah, električnih lokomotivah, tramvajih, trolejbusih, na različnih dvigalih in žerjavih.

Enosmerni tok lahko brez težav napajamo žarnice z žarilno nitko, razne industrijske elektrolizne naprave, galvanizacijo, varjenje; uspešno se uporablja tudi za napajanje kompleksne medicinske opreme.

Seveda je enosmerni tok uporaben v elektrotehniki, saj je ustrezna vezja enostavno izračunati in enostavno nadzorovati, ni zaman, da je bilo do leta 1887 v ZDA več kot sto elektrarn na enosmerni tok, delo na katerih je vodila družba Thomasa Alve Edisona. Jasno je, da je enosmerni tok primeren, ko ni potrebna nobena pretvorba, tj. povečanje ali zmanjšanje napetosti, je to glavna pomanjkljivost enosmernega toka.

Kljub Edisonovim prizadevanjem za uvedbo prenosnih sistemov z enosmernim tokom so imeli takšni sistemi tudi pomembno pomanjkljivost - potrebo po uporabi velike količine materialov in znatne izgube pri prenosu.

Dejstvo je, da napetost v prvih enosmernih vodih ne presega 200 voltov, električna energija pa se lahko prenaša na razdalji največ 1,5 km od elektrarne, medtem ko se med prenosom razprši veliko energije (ne pozabite Joule-Lenzov zakon).

Če je bilo še vedno treba prenesti več moči na večjo razdaljo, je bilo treba uporabiti debele težke žice, kar se je izkazalo za zelo drago.

Leta 1893 je Nikola Tesla začel uvajati svoje AC sisteme, ki so zaradi same narave AC izkazovali visoko učinkovitost. Izmenični tok je mogoče enostavno pretvoriti s transformatorji, povečati napetost, nato pa je postalo mogoče prenašati električno energijo na več kilometrov z minimalnimi izgubami.

To pa zato, ker se lahko pri enaki moči po žicah zmanjša tok zaradi povečanja napetosti, zato so izgube pri prenosu manjše in zahtevani prerez žice se ustrezno zmanjša. Zato so se AC omrežja začela uvajati po vsem svetu.

Asinhroni motorji v strojih in strojih za rezanje kovin, indukcijskih pečeh se napajajo z izmeničnim tokom; lahko napajajo tudi preproste žarnice z žarilno nitko in katero koli drugo aktivno breme. Asinhroni motorji in transformatorji so revolucionirali elektrotehniko prav zaradi izmeničnega toka.

Če je enosmerni tok potreben za nek namen, na primer za polnjenje baterij, ga je zdaj vedno mogoče pridobiti iz izmeničnega toka s pomočjo usmernikov.