Transcription

Witam i zapraszam do obejrzenia trzeciego z długiej serii krótkich filmów o zasilaniu. W tym filmie będziemy mówić dlaczego w sieci energetycznej i w naszych domowych gniazdkach mamy napięcie przemienne, a nie napięcie stałe. Będziemy mówić dlaczego wartość tego napięcia to nieokrągłe 230 V. Dlaczego akurat 230? Będziemy też mówić dlaczego częstotliwość wynosi 50 Hz, czyli dlaczego wynosi 50 drgań na sekundę. Dlaczego akurat 50? Będziemy też mówić dlaczego w naszym kraju są tak zwane sieci trójfazowe. Wynalezione, zaproponowane, realizowane przez Michała Doliwo-Dobrowolskiego. A dlaczego nie ma sieci dwufazowych, które były zaproponowane przez Nikolę Teslę? Będziemy też mówić dlaczego nie ma sieci prądu stałego zaproponowanego przez Tomasza Edisona. Przygotowałem tutaj trzy elektrownie. Jedna z nich wytwarza napięcie trójfazowe na wzór Michała Doliwo-Dobrowolskiego. Proszę bardzo. Druga elektrownia wytwarza napięcie dwufazowe według koncepcji Nikoli Tesli. Proszę bardzo. I wreszcie trzecia elektrownia wytwarza napięcie stałe według koncepcji Tomasza Edisona. Proszę bardzo. Będziemy też mówić o tych trzech postaciach. Tomasz Edison, Nikola Tesla i Michał Doliwo-Dobrowolski. Okazuje się, że to są bardzo kontrowersyjne postacie. Niektórzy uważają, że Edison to największy wynalazca wszechczasów, posiadacz ponad tysiąca patentów, dobroczyńca ludzkości, który tej ludzkości przyniósł światła, mianowicie żarówkę elektryczną, i z którego mnóstwa wynalazków korzystamy do dziś. Inni uważają, że Edison to cyniczny, okrutny, bezwzględny przedsiębiorca, dla którego liczyły się tylko pieniądze i który m.in. oszukał genialnego Teslę, nie wypłacając mu pięćdziesięciu tysięcy obiecanych ówczesnych dolarów, czyli wielkiego majątku. Jeśli chodzi o Teslę, też opinie są skrajnie różne. Jedni uważają, że Nikola Tesla to największy geniusz techniczny wszystkich czasów. Człowiek, który wyprzedził epokę. Człowiek, który zrozumiał tajemnice niedostępne innym ludziom do dziś. Człowiek, który poznał tajemnice przenoszenia dużych ilości energii na odległość w sposób bezprzewodowy. Człowiek, któremu prawdopodobnie konkurencja spaliła laboratorium i w ten sposób zniszczyła notatki i do dzisiaj nie są wykorzystywane jego wspaniałe wynalazki. To jest jedna wersja na temat Tesli. A oto inna opinia. Nikola Tesla to bardzo zdolny, błyskotliwy wizjoner, ale też birbant, dziwak i showman. Miał mnóstwo interesujących pomysłów, ale nie potrafił praktycznie żadnego z tych pomysłów zrealizować w praktyce. Praktycznie zrealizował tylko jeden, a mianowicie transformator Tesli, który znakomicie pokazuje jego i osobowość, i dorobek. Transformator Tesli jest urządzeniem bardzo widowiskowym, bardzo można powiedzieć błyskotliwym, ale w praktyce zupełnie bezużytecznym. Tak jak wszystkie prace Tesli. A teraz Michał Doliwo-Dobrowolski. Jedna opinia jest taka. Nasz rodak Michał Doliwo-Dobrowolski to największy polski inżynier elektrotechnik. Żył w czasach, kiedy Polska była pod rozbiorami, pracował w Niemczech, ale gdy Polska odzyskała niepodległość, przysłał do rządu polskiego telegram gratulacyjny. Inna opinia jest taka. Michał Doliwo-Dobrowolski to rosyjsko-niemiecki uczony od bardzo dużych osiągnięciach. Z Polską nie miał praktycznie nic wspólnego. Co prawda pochodził z rodziny o polskich korzeniach, ale ta rodzina zdradziła Polskę, zaprzedała się jeszcze w czasie rozbiorów i wstąpiła na służbę carów. Ojciec i dziadek Michała Dobrowolskiego byli wysokimi urzędnikami w carskiej administracji, a Michał Doliwo-Dobrowolski prawdopodobnie nawet po polsku nie mówił. Takie są przeciwstawne opinie o tych zasłużonych i możemy powiedzieć w sumie wielkich postaciach. Które z tych opinii są prawdziwe? To jest zupełnie inna sprawa. Na ten temat mogę trochę szerzej powiedzieć w oddzielnym filmie, bo to jest fascynująca sprawa. Zarówno na temat wojny prądów, o której krążą zupełnie nieprawdziwe, absolutnie nieprawdziwe opinie. Także skrajne opinie, też w większości nieprawdziwe o tych trzech postaciach. Edisonie, Tesli i Dobrowolskim. Powinienem teraz zwięźle i jasno przedstawić, dlaczego w naszych gniazdkach jest napięcie przemienne, a nie stałe. To jest ogromny, fascynujący temat, który chętnie rozwinę, ale to jest temat na co najmniej jeden film. Fascynująca sprawa. Ale tak w telegraficznym skrócie. Zaczęło się na początku XIX wieku, ale zaczęło się od prądu stałego. Od, można powiedzieć, stosu wolty. W 1832 niejaki Hipolit Pixi, Francuz, opracował coś, co można nazwać prądnicą. Prądnicą prądu przemiennego. I co się okazało? W tamtych czasach uważano, że prąd przemienny to jest bezwartościowy, jakiś dziwny, niepotrzebny. I uwaga, słynny André-Marie Ampère, czyli ten Ampère od Ampera, on namówił tego Hipolita Pixi, żeby zrobił coś, żeby z tego wynalazku jego uzyskać jednak prąd stały. Ściśle tętniący, pulsujący. I ten właśnie Pixi dodał do swojego pierwotnego opracowania komutator. I w ten sposób stworzył pierwszą niedoskonałą prądnicę prądu stałego. To był 1832 rok. Potem prowadzono różne badania, różne próby i pierwszym praktycznym zastosowaniem prądu był telegraf do przesyłania informacji. I się okazuje, że właśnie tam wykorzystano prąd stały i ten prąd stały uważano, że on jest tak jakby naturalny, dobry, oczywisty, a jakiś tam przemienny to takie nie wiadomo co, nie wiadomo co z tym zrobić, takie dziwactwo. I tak było dosyć długo, do lat, możemy powiedzieć, osiemdziesiątych XIX wieku. I właśnie w 1882 roku Thomas Edison opracował, wdrożył, zbudował i oddał do użytku pierwszą na świecie sieć prądu stałego. Ta sieć prądu stałego zasilała kilkadziesiąt odbiorców, czyli kilkadziesiąt mieszkań. To było w Nowym Jorku, w bogatej dzielnicy Nowego Jorku i tam była, przy ulicy Perłowej, była elektrownia. Elektrownia prądu, czy też napięcia stałego, bo ten stały prąd był, można powiedzieć, naturalny. Okazuje się jednak, że mniej więcej od początku lat osiemdziesiątych zaczęto się coraz bardziej interesować tym dziwnym prądem przemiennym. Bo okazało się, że ten prąd przemienny ma swoje zalety. I tu dochodzimy do sedna sprawy. Dlaczego my mamy w gniazdkach napięcie przemienne, a nie stałe? Dlatego, że sieci prądu stałego nie mogły być rozległe, długie. Tam był problem odległości. Nie wchodząc w szczegóły, to mogę opisać szeroko. Najprościej biorąc, odległość pomiędzy elektrownią a najdalszymi odbiorcami mogła być rzędu kilometra. No, tam półtora kilometra, dwa kilometry, od biedy trzy, ale wtedy już były duże straty. Czyli w sumie cała sprawa polegała, że czym dalej, to tym większe straty i przestało to mieć sens ekonomiczny, jeżeli ten odbiorca był zbyt daleko od elektrowni. Krótko mówiąc, w koncepcji Tomasza Edisona dana elektrownia mogła zasilać tylko niewielki obszar wokół niej. Czyli w większym mieście musiałoby być mnóstwo elektrowni oddalonych o kilka kilometrów, które by zatruwały, hałasowały, no można powiedzieć, utrudniłyby poważnie życie mieszkańcom. I co się okazuje? Od początku lat osiemdziesiątych XIX wieku zaczęto interesować się napięciem i prądem przemiennym dlatego, że wiedziano, że za pomocą transformatorów można podwyższać i obniżać napięcie. I pomysł był taki, najprościej biorąc, w elektrowni wytwarzamy energię elektryczną o wysokim napięciu i wtedy wysokie napięcie i mały prąd dadzą jakąś odpowiednio dużą moc, ale straty, jeżeli jest napięcie wysokie, a prąd mały, to straty są niewielkie. Przesyłamy na dużą odległość z niewielkimi stratami właśnie wysokie napięcie, mały prąd, stosujemy transformator obniżający i lokalnie, tam gdzie u Edisona była elektrownia, to tu wystarczył tylko transformator i ten transformator zasilał też w promieniu niedużym kilometra, dwóch, góra, trzech lokalnych odbiorców. Dzięki zastosowaniu transformatorów, które umożliwiły przesyłanie dużych ilości energii przy wysokim napięciu i małym prądzie. I to jest klucz, dlaczego my mamy dzisiaj napięcie przemienne w naszych domach. Ponieważ elektrownie nie mogą stać w miastach co dwa czy trzy kilometry. Elektrownia może być nawet kilkaset kilometrów oddalona od odbiorcy, ale dzięki wysokiemu napięciu i stosunkowo małemu prądowi można tę energię przesłać z małymi stratami. Czyli kluczem do sprawy są straty, ekonomika i dlatego mamy sieci prądu przemiennego. Druga kwestia, dlaczego w gniazdkach sieci energetycznej mamy napięcie o nieokrągłej wartości 230 V. Znowu trzeba cofnąć się do Tomasza Edisona i powiedzieć, że w 1882 on oddał do użytku pierwszą sieć dla prywatnych odbiorców, bo wcześniej były inne sieci. Była to sieć, która dostarczała napięcia i prądu stałego. Właśnie o napięciu w sieciach Edisona wykorzystano żarówki 100 V i dlatego u tego końcowego odbiorcy miało być 100 V, a w sieci Edisona nominalne napięcie było 110 V. Te 10 V, czyli 10%, to było na straty. I mamy już 110 V, napięcie nominalne w sieciach Edisona, w sieciach prądu stałego. Szybko okazało się, że ze względów ekonomicznych dobrze byłoby połączyć dwie żarówki w szereg, bo wtedy napięcie będzie dwa razy większe, ale prąd ten sam. I można, najprościej rzecz biorąc, trochę zaoszczędzić na miedzi. Przewody mogłyby być cieńsze, a przynajmniej nie musiałyby być grubsze. Edison wprowadził szybko sieci trzyprzewodowe. Jeden przewód był zerowy, drugi przewód to był plus 110 V i trzeci przewód minus 110 V. Do końcowego odbiorcy przychodziły trzy przewody i on mógł podłączyć te swoje żarówki 100 V albo pomiędzy T0 a plus T110 V, albo minus. I w ten sposób, najogólniej biorąc, można było zaoszczędzić na miedzi i to było korzystne. Czyli pojawiły się sieci trójprzewodowe, gdzie było dwa razy po 110 V, czyli 220 V. Potem podwyższono napięcie ze 110 V na 120 V. I co bardzo ważne, w sieciach stałoprądowych Edisona było plus 110 V, minus 110 V, czyli pomiędzy tymi skrajnymi przewodami 220 V. Jak podwyższono to było 240 V i tak samo było we wprowadzonych później sieciach prądu przemiennego. Tam też jest tak, że jest między tymi skrajnymi przewodami dwa razy po 120 V, czyli 240 V. Czyli tak, na początku mieliśmy 220 V, do dziś w Ameryce jest 120 V w gniazdkach, a w sieci jest dwa razy po 120 V, razem 240 V. I co ciekawe, wygląda na to, że Wielka Brytania, która miała dosyć bliskie związki w naturalny sposób ze Stanami Zjednoczonymi, przyjęła napięcie właśnie 240 V, a reszta Europy? Otóż reszta Europy, Europa kontynentalna poszła za Niemcami, a w Niemczech to już w latach 80-tych XIX wieku przyjęto po prostu 220 V. Koniec. I możemy powiedzieć, że w większości Europy było 220 V, w Wielkiej Brytanii 240 V. I tu dochodzimy skąd się wzięło 230 V. Otóż po zjednoczeniu Europy okazało się, że warto by było połączyć te sieci europejskie wszystkie, żeby one były jednakowe, żeby były właśnie zsynchronizowane i tak mamy dzisiaj. I postanowiono, że w Zjednoczonej Europie musi być napięcie jakieś jednakowe. I przyjęto kompromisowo. Kontynentalna Europa, większość Europy miała 220 V, Wielka Brytania 240 V i przyjęto kompromisowo 230 V. Z tym, że tu jest ciekawa sprawa, że w momencie kiedy było przejście na ten system to tolerancja tego napięcia 230 V była niesymetryczna i tam praktycznie nie było różnicy między normami tymi, które wcześniej mówiły, że 220 plus minus, a tym co potem wprowadzono 230 V z niesymetryczną tolerancją. Potem, co prawda, tą tolerancję zmieniono i dzisiaj w sieci energetycznej, z tego co o ile dobrze pamiętam, to napięcie może być od 207 do 253 V. A częstotliwość w sieci? Tu można zacząć od Europy i od Niemiec. Tam można powiedzieć, że w tych sieciach użytkowych przeznaczonych dla prywatnych odbiorców 50 Hz i koniec. Owszem, były inne częstotliwości i nawet są, ale na kolei w jakichś zastosowaniach przemysłowych, lokalnych. To mogą i nawet są inne częstotliwości, inne napięcia, ale generalnie Europa 50 Hz. A Ameryka? Ameryka, a szczególnie XIX wiek to wolna amerykanka. I tam był problem, bo się okazuje, że ci, którzy patrzyli z punktu widzenia oświetlenia, to oni chcieli mieć jak największą częstotliwość. Ponieważ żarówki Edisona miały włókno węglowe, nie z Wolframu, tak jak te żarówki, które my znamy. No i te włókno węglowe, to jeżeli częstotliwość była mała, to widać było migotanie. Więc ci, którzy chcieli budować sieci oświetleniowe prądu przemiennego, to chcieli częstotliwości jak najwyższej. I były w Ameryce sieci 100 Hz, a nawet 133 Hz. I wtedy przy takiej dużej częstotliwości to migotania tych żarówek, tych włókien już nie było widać. Z drugiej strony w międzyczasie wprowadzono sieci prądu przemiennego także do celów przemysłowych, do zasilania silników. I okazało się, że silniki lubią niską częstotliwość, jak najmniejszą. Jaką jak najmniejszą? Ano na przykład 25 Hz. Ano na przykład 16,2 Hz. I były takie sieci. Sieci przemysłowe 16,2 Hz. No i ta wolna amerykanka, totalny bałagan był, bo to były lokalne przedsiębiorstwa. I potem się okazało, że tu sąsiad ma taką częstotliwość, ten sąsiad ma taką. W pewnym momencie i w Ameryce zaczęto to ujednolicać. No i umówiono się, że metodą kompromisu przyjmujemy częstotliwość 60 Hz. I tak zostało. Do dziś w Ameryce jest 60 Hz, w Europie jest 50 Hz. A reszta świata? Częstotliwość i napięcie zależało od tego, od kogo kupowano wyposażenie. Czy od Amerykanów, czy od Europejczyków. Bardzo interesujący jest tu przykład Japonii. W części Japonii mamy częstotliwość 50 Hz, bo kupowano wyposażenie od Europejczyków, od firmy AEG, od Niemców. W części Japonii mamy częstotliwość 60 Hz, bo kupowano wyposażenie od Amerykanów, od General Electric. I tak jest. W Japonii zresztą napięcie ma 100 V, co ma ścisły związek z komiksami i filmami rysunkowymi, gdzie często można zobaczyć rysunki, jak to ktoś został porażony napięciem z gniazdka elektrycznego. W Japonii jest napięcie tylko 100 V. Nieporównanie niższe niż śmiertelnie groźne napięcie w naszych gniazdkach wynoszące 230 V. I jeszcze sprawa sieci. Jesteśmy przyzwyczajeni, że w Polsce są sieci trójfazowe. Jeszcze raz zademonstruję. Przebiegi wyglądają mniej więcej tak. Tu żartem mówiąc nieprawdą jest, że w trójfazowych sieciach jednym przewodem płyną V, drugim płyną Ampery, a trzecim płynie Cosinus Phi. To jest nieprawda. Nas może teraz interesuje taka sprawa, dlaczego u nas są to sieci trójfazowe, natomiast w Ameryce, co jest bardzo ciekawe, tam jest sieć ogólnie rzecz biorąc jednofazowa. I to co mówiliśmy, że tam jest napięcie 120 V, ale sieć jest trzyprzewodowa i pomiędzy skrajnymi jest 240 V. Ale można powiedzieć, że tam nie ma faz. W Ameryce zaczęło się od prądu stałego Thomasa Edisona, potem Nikola Tesla proponował prąd i napięcie dwufazowe. Dlaczego nie wprowadzono napięcia przemiennego dwufazowego według pomysłu Tesli? Czy miało to związek z tak zwaną wojną prądów, jaka odbyła się pod koniec XIX wieku w Ameryce? Otóż nie. Przyczyna była prozaiczna. Sieci dwufazowych według pomysłu Tesli nie było, ponieważ nie poradził on sobie z realizacją silnika prądu przemiennego. Owszem, w 1888 Tesla uzyskał patent na silnik prądu przemiennego. Nie wiadomo zresztą, czy według własnego pomysłu, czy pomysłu pożyczonego od włoskiego uczonego Galileo Ferrarisa. W każdym razie, Tesla miał patent na silnik. Natomiast, gdy George Westinghouse zatrudnił go i zlecił mu zadanie, żeby Tesla według swojego patentu opracował praktycznie użyteczny silnik prądu przemiennego, okazało się, że Tesla skłócił się ze swoimi współpracownikami w laboratorium Westinghouse'a i po prostu sobie nie poradził. Poległ, bo po prostu nie miał odpowiedniej wiedzy. Nie zrealizował silnika, wobec tego nie powstały sieci prądu zmiennego według pomysłu Tesli. Co ciekawe, mniej więcej w tym czasie, może dwa lata później, czy z wielkim sukcesem sieci prądu wielofazowego, a konkretnie trzyfazowego, zrealizował Michał Doliwo-Dobrowolski, pracujący w Niemczech dla firmy AEG. On nie tylko zaplanował, wykonał sieci przesyłowe, ale także wynalazł i zrealizował silnik trójfazowy, silnik prądu przemiennego, tak zwany silnik klatkowy, powszechnie wykorzystany do dzisiaj. Genialny wynalazek. I właśnie dlatego mamy sieci prądu trójfazowego według pomysłu Michała Doliwo-Dobrowolskiego, a nie mamy sieci dwufazowych Tesli, które nigdy nie zostały zrealizowane w praktyce. Tyle w tym filmie. Dziękuję bardzo.