Марсель Депре — ученый, реализовавший идею передачи электроэнергии

Александр Микеров,
д. т. н., проф. каф.
систем автоматического управления
СПбГЭТУ «ЛЭТИ»

Рис. 1. Марсель Депре (1843–1918)

Великий французский электротехник Марсель Депре (Marcel Deprez, рис. 1) родился 29 декабря 1843 г. на ферме коммуны Айан-сюр-Мильрон в центре Франции [1–3].

После окончания лицея он отправился в Париж и поступил в Высшую политехническую школу, а затем, в 1865 г., в Высшую горную школу. Юного Марселя больше привлекали различные опыты, чем учеба, поэтому диплома он так и не получил. Зато его экспериментаторские наклонности привлекли внимание директора горной школы, члена парижской Академии наук Шарля Комба (Charles Сombes), который взял Депре в 1866 г. к себе секретарем и предоставил ему возможности для научной работы. Первые исследования Депре относились к паровым машинам. Ему удалось улучшить характеристики золотникового механизма и регулятора скорости Уатта и в результате снизить расход топлива. И уже в 1867 г. заметка об этой работе была представлена в парижскую Академию наук.

Во время франко-прусской войны 1870–1871 гг. Депре служил в корабельной артиллерии, участвовавшей в обороне Парижа [3]. Там ему представилась возможность изучить процесс, происходящий внутри жерла орудия при выстреле, и проследить изменение давления пороховых газов от времени. Эта работа занимала его почти десять лет и потребовала создания быстродействующего регистратора давления (хронографа), поскольку выстрел длился не более 10 мс. Хронографы с вращающимся барабаном были разработаны еще Уитстоном, Константиновым и другими учеными, но они использовались для измерения скорости полета снаряда, время которого исчислялось секундами. Депре удалось создать электромагнитное перо с быстродействием в доли мс [2]. За изучение процессов, происходящих в паровой машине и дуле орудия (баллистике), ему были присуждены премии парижской Академии наук за 1876 и 1878 гг. [3].

В конце 1870-х гг. Депре всерьез увлекся электричеством. Одна из его главных заслуг в этой области — создание новых электроизмерительных приборов, в том числе гальванометра и амперметра, ваттметра, приборов для измерения сопротивления, коэффициента самоиндукции, гистерезиса. Многие из этих устройств потом выпускались фирмой «Карпантье» [3, 4]. В то время приборы строились на основе весов Кулона и магнитной стрелки в поле тока, предложенной Ампером [5]. Стремясь отказаться от магнитной стрелки, Депре создал в 1879 г. токовый прибор, называемый гальванометром «с рыбной костью» (рис. 2) [4].

Рис. 2. Гальванометр Депре

Название прибора объясняется подвижной рамкой (1) в виде сетки из магнитомягкой стали в форме рыбной кости, с которой соединен указатель (2). Рамка размещена внутри неподвижной обмотки (3) с измеряемым током, расположенной между полюсами постоянного магнита (4). Плоскость рамки устанавливается по направлению суммарного магнитного потока, что позволяет определить величину тока. Введение постоянного магнита исключало влияние всех внешних магнитных полей, в том числе и поля Земли.

В начале 1880-х гг. французский физиолог Жак-Арсен д’Арсонваль (Jacques-Arsène d’Arsonval), впоследствии ставший членом парижской Академии наук и создавший метод лечения токами высокой частоты (дарсонвализацию), изучал, подобно Гальвани, физиологические токи лапки лягушки. Для этого он пытался использовать гальванометр Депре, однако затем ему пришла в голову счастливая мысль отказаться от «рыбной кости» и сделать обмотку подвижной, что и позволило ему совместно с Депре разработать в 1881 г. прибор, названный гальванометром Депре — Д’Арсонваля [4, 6]. Это был, в сущности, обращенный гальванометр Ампера, в котором подвижный магнит (стрелка) и неподвижная обмотка были заменены неподвижным магнитом и подвижной обмоткой (рис. 3).

Рис. 3. Гальванометр Депре — Д’Арсонваля

В этом приборе прямоугольная рамка (1) из склеенных проводников с зеркальцем (2) подвешена на серебряных подводящих проводах (3) (обеспечивающих также восстанавливающий момент) в поле мощного подковообразного магнита (4) с магнитомягким сердечником (5), существенно повышающим магнитный поток. Данный гальванометр послужил прообразом всех по сей день существующих магнитоэлектрических измерительных приборов. Впрочем, его прототипы можно найти еще в устройствах Максвелла, Уильяма Томсона и даже Ампера [5, 6].

Другой известный прибор Депре — для измерения мощности электрического тока (ваттметр) — был создан на основе электродинамометра Вебера [6]. Знаменитый немецкий физик Вильгельм Вебер (Wilhelm Weber) вместе с величайшим математиком Карлом Гауссом (Carl Gauß) исследовал в Геттингенском университете геомагнетизм. В этой команде Гаусс был теоретиком, а Вебер — экспериментатором, разработавшим много научных приборов. Их имена навсегда остались в истории электротехники в названиях единиц: магнитной индукции в системе СГС (гаусс) и магнитного потока в системе СИ (вебер). Электродинамометр Вебера, созданный в 1846 г., содержит две взаимно перпендикулярные двухсекционные катушки — неподвижную (1) и подвижную (2), подвешенную на упругом подвесе (3) (рис. 4).

Рис. 4. Электродинамометр Вебера

Принцип действия прибора поясняется на рис. 5, где упругий подвес заменен пружинами (4), подводящими ток. При наличии токов I₁ и I₂ магнитные потоки катушек, направленные вдоль их осей, стремятся повернуть подвижную катушку (2) до совмещения с плоскостью катушки 1. При этом в соответствии с законом Ампера вращающий момент M определяется как М = k_м × I₁ × I₂, где k_м — конструктивный коэффициент момента. Если катушки включить последовательно, то вращающий момент, а следовательно, и угол отклонения стрелки (3) будет пропорционален квадрату измеряемого тока. Приборы подобного типа теперь называются логометрическими.

Для измерения потребляемой мощности Депре предложил подавать ток потребления на обмотку 1, а напряжение нагрузки — на обмотку 2. Внешний вид измерителя, запатентованного в 1881 г., показан на рис. 6, где уравновешивающий момент создается маятником (5) [4].

Рис. 5. Схема электродинамометра Вебера

Однако имя Марселя Депре стало широко известным лишь после того, как ему впервые удалось передать значительное количество электроэнергии на большое расстояние с помощью высоковольтных линий [2, 3, 7–9]. Повсеместное использование телеграфной связи несомненно подтверждало возможность трансляции электрического тока на тысячи километров. Однако попытка увеличения тока приводила к резкому возрастанию потерь в линии.

Например, демонстрация французским электриком Ипполитом Фонтеном (Hippolyte Fontaine) в 1873 г. на выставке в Вене двух идентичных динамомашин в режимах генератора и двигателя, соединенных кабелем в 1 км, привела к резкому снижению мощности двигателя.

Рис. 6. Ваттметр Депре

Из закона Джоуля — Ленца следовало, что потери в линии обратно пропорциональны сечению провода и квадрату передаваемого напряжения [7]. В 1874 г. русский военный инженер Федор Аполлонович Пироцкий проводил успешные опыты по передаче электроэнергии через железнодорожные рельсы. Другой, более перспективный путь снижения потерь в линии путем повышения напряжения был теоретически обоснован в 1880–1881 гг., почти одновременно, профессором Петербургского лесного института Дмитрием Александровичем Лачиновым и Марселем Депре [7, 9]. При этом последний подтвердил справедливость своих выводов с помощью стенда на первой электротехнической выставке в Париже в 1881 г., содержащего осветительные лампы и 27 различных станков с электродвигателями, подключенными кабелем в 1,8 км к генератору постоянного тока [2]. Окрыленный успехом, Депре уже в 1882 г. создает для электротехнической выставки в Мюнхене — совместно с ее устроителем и основателем знаменитого немецкого политехнического музея Оскаром Миллером (Oskar von Miller) — первую дальнюю линию электропередачи. Генератор в 3 л. с. напряжением 1,5 кВ на валу паровой машины в г. Мисбах был соединен обычной телеграфной линией в 57 км с электродвигателем на выставке [1–3, 7, 9]. На валу этого электродвигателя (рис. 7) был установлен водяной насос, который питал эффектный водопад, вызывавший восторг у всех посетителей. Однако КПД передачи не превышал 25%.

Рис. 7. Демонстрация первой дальней линии электропередачи в Мюнхене

Столь низкий КПД дал повод для критики самой идеи. Однако Депре повторил эксперимент с тем же оборудованием на вокзале Парижа, показавший КПД в 48%. Затем, в 1883–1885 гг., при поддержке банкира Ротшильда он строит еще более мощные линии, уже на 6 кВ: Визиль — Гренобль длиной 14 км и Крейл — Париж на 56 км, с КПД 45%. В 1886 г. на аналогичной линии Фонтен достиг КПД 82% с использованием четырех последовательно включенных генераторов и электродвигателей по 1,5 кВ, что существенно повысило надежность оборудования. Вершиной всех этих экспериментов стала в 1906 г. линия швейцарского инженера Рене Тюри (René Thury) длиной 180 км и напряжением 57 кВ на мощность 8500 кВт. Возможность промышленной передачи электроэнергии была доказана [7].

Тем не менее при том уровне технологии использование высоковольтной передачи постоянного тока было ограничено. Высоковольтные машины часто выходили из строя из-за пробоя изоляции. Для систем освещения на приемном конце требовались понижающие электромашинные преобразователи. На электротехнической выставке в Париже в 1881 г. группа ученых, недовольная доминированием постоянного тока, организовала параллельную конференцию с упором на системы переменного тока на базе трансформатора француза Люсьена Голара (Lucien Gaulard) и англичанина Джона Гиббса (John Gibbs) [2, 7, 8]. Некоторые критики считали, что успехи Депре произвели негативный эффект, затормозивший французские исследования по технике переменных токов [2]. В результате в начале электрификации большего успеха добились венгерская компания «Гейнц и Ко» с однофазной системой освещения, американская компания Вестингауза с двухфазной системой Теслы и немецкая «АЕГ» с трехфазной системой Доливо-Добровольского [7, 10].

Однако на самом деле Депре не был бескомпромиссным приверженцем линий передачи постоянного тока. В патенте 1892 г. он описал систему дальней передачи с двумя индукционными катушками Румкорфа на передающем и приемном концах (по сути, повышающего и понижающего трансформаторов), причем на передающей стороне катушка подключена к батарее через прерыватель (реле) в автоколебательном режиме [11]. В результате в линии создаются импульсы высокого напряжения, которые снижаются до низкого напряжения в приемной катушке.

Депре также занимался теорией и конструированием двигателей постоянного тока и разработал первый линейный электродвигатель, названный «молотом Депре» [1, 3, 12]. Работы Депре способствовали созданию асинхронных двигателей переменного тока. Считается, что первые двухфазные двигатели такого рода были предложены практически одновременно двумя учеными — Николой Тесла и итальянским профессором физики Галилео Феррарисом (Galileo Ferraris) — в 1887–88 гг. на основе концепции вращающегося магнитного поля [9, 10, 12]. Однако еще на парижской выставке 1881 г. Марсель Депре представил установку, созданную в 1879 г., для дистанционной передачи угля в опытный динамометрический вагон движения поршней паровой машины локомотива [10]. В ней две взаимно перпендикулярные катушки приемника в поле постоянного магнита поочередно возбуждались от датчика в виде коммутатора постоянного тока. Эту идею «поворачивающегося» магнитного поля Депре обосновал в 1883 г. в статье об «электрической буссоли» [9].

Заслуги Марселя Депре были достойно отмечены [1–3]. В 1883 г. он был произведен в кавалеры ордена Почетного легиона Франции, а в 1886 г. его избрали членом парижской Академии наук (Академии «бессмертных») в секции механики. Также одно из самых престижных учебных заведений Франции — Консерватория искусств и ремесел учредила в 1890 г. кафедру промышленного электричества, которая и была предложена Марселю Депре. Ему принадлежит более 60 научных работ, в основном опубликованных в трудах парижской Академии наук.

Депре был разносторонним ученым и инженером: он прославился не только в области электроэнергетики, но и в электроизмерительной технике, электромеханике, паровых машинах и баллистике.

• Он построил первые дальние линии передачи электроэнергии и создал новые измерительные приборы (амперметры, ваттметры и многие другие).

• Депре изобрел первый линейный электродвигатель и сформулировал идею «поворачивающегося» магнитного поля, которая впоследствии привела к созданию первых асинхронных электродвигателей