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第六章 生产电能控制电流
爱迪生发明的白炽电灯结构形式合理，宜于实际推广使用，但它只是被称作“爱迪生电气系统”这一综合体中的一个环节。因为制造出好的光源，固然对发展电照明起了重要作用。但是，由此拟定出的一整套复杂的照明系统则更具有巨大意义。
一
在电工学史上，特别是在电照明方面，一个发明家不仅研制出了主要设备，而且也研制出了配合这套设备工作的整个系统，这种例子我们能举出的只有一个，这就是“电烛”（即没有调节器的弧光灯）和以“亚布罗齐柯夫电气系统”而著称的照明系统的发明家、俄国杰出的发明家巴·尼·亚布罗齐柯夫的研究工作。
爱迪生把白炽灯作为一系列综合研究的出发点，对这一综合体作了十分周密的考虑。他懂得，不解决电照明的综合系统的所有问题，他所发明的白炽灯就得不到很快推广。爱迪生本人对这一综合体的主要问题作了如下的表述：
第一，要详细制定出使用范围广泛的和原理上正确的电能分配方法。这种方法从科学观点上要说得过去，从经济学观点上说，能适用于商业经营。换言之，要拟定出既符合电能特点又符合电能利用的方法的计划，而在其细节方面它又相似于瓦斯照明所已作到的那些东西。这个计划应包括电力网、导线和为保证多方面供电而采取的因某一地段发生故障或事故而引起的停电现象的措施。
第二，要设计出能普遍供照明用的光通量较小的白炽电灯。它既应便于简单地往电线上连接，而且每一盏电灯又能独立工作。它还应价廉物美，以便胜过瓦斯照明。其性能也应稳定耐久，用户使用安全。
第三，要像瓦斯供应那样，创造出一种可以用来计量或计算供给用户电能的方法，而且要通过安装在用户住所的计数器，简单方便地办到这一点。
第四，要详细研究可以敷设在地下或用瓷瓶架设在电杆上的电线的结构。要从电线上能很方便地分出支线为沿街的建筑物供给电能。进行地下敷设，需要用护套或管子保护电线，为了便于用户接线，管子应在任何地方都可以开出接入导线的引入口。因此，需要研究出引入口的结构、分线盒、连接点，以及根据每一个单独用户用电需要而配备的其他零件。
第五，要研究出在分配系统各点上稳定电压的方法，以使所有的电灯不受数量和离电站的远近的影响，而发出同样的光来。必须预防电灯在电流发生剧烈起伏时熄灭。必须创造出在电站调整电压的方法，以便在电力网的各个地方保持住所需的电压，而且电站本身应有指示仪表，随时指出电力网各个地方的实际电压。
第六，要设计出把汽能变成电能的经济有效的高速装置，以及电机起动和制动装置，调整和平衡电机负荷的办法。还必须为保障工作的连续性而研究出电站的蒸汽部分和电力部分的总体布置。
第七，要发明防护装置，以便使能引起火灾和造成其他破坏的多余电流，不能进入电力网。要研制出开关、灯头、灯口以及接照明器的内部布线方法。这就是爱迪生为制造电照明系统而要进行研究的内容。现在我们分析一下，爱迪生是采取何种技术上的办法去实现这个宏伟计划的最主要的项目的。爱迪生照明系统继白炽灯之后的最重要部分就是发电机。1874年威廉·华莱士和姆·法默共同在美国制造了发电机。这时在欧洲，研制出了格拉姆环形电枢直流电发电机，以及赫夫纳—阿利捷涅克鼓形电枢发电机，因为发电机是由柏林的西门子—哈尔斯克工厂生产的，所以通常称为西门子电机。发电机的发明者是这两个厂的助理电技师。但这样的发电机器没有输入美国，在美国安装的或是华莱士—法默发电机，或是布拉什、韦斯顿及其他美国设计家设计出的发电机。所有的美国发电机，通常都是指定用来向串联在电路上的弧光灯供电，所以它们就产生电力恒定的电流。而爱迪生则需要一种恒压电流为并联接起来的电灯供电。在用恒压电流的情况下，所有接入电网的灯都应发光。所以必须研究出另外一种类型的发电机。
二
爱迪生的第一台发电机，是1879年制造成的，当时他研制白炽灯的工作也大功告成，并于当年10月在门罗园进行试验。这台发电机，大概就是当时爱迪生为后来到北极去考察的一艘船的电照明制造。这是一种用皮带传动的双极鼓形电枢发电机。这个发电机为并联电灯产出了恒定电压为110伏的电流。他第一次设计是一种有两个笨重垂直电磁铁的发电机。鉴于在不同的照明装置中接入发电机电路的有不同数量的电灯，爱迪生就在自己的工厂里设计和制造了一批六种型号的发电机，每一型号上打有字母标记（括弧内标明的是该发电机额定供应16支烛光电灯的数目）：E（17），Z（60）；L（150），K（250），H（400）和C（1200）。在头两种型号的发电机中，各有两个柱形电磁铁铁芯，而功率最强大的C型发电机则有12个柱形电磁铁铁芯，其余3种型号发电机要各有6个柱形电磁铁铁芯。这些发电机体型高大，助手们都把它称之为“身材细高的马丽安娜”。发电机体积大而笨重：最小的发电机（E型）的重量将近300公斤，而最大的发电机（C型）的重量为30吨。爱迪生的所有这些型号的发电机都是双极的。电枢铁芯都是用大量的由薄钢制的圆片叠压起来的，圆钢片与圆钢片之间以及与轴之间都进行了绝缘，在发电机发明专利特许证中，对这种电枢结构进行描述。爱迪生也指出说，组成电枢的圆盘厚度应少于八分之一英寸，这一点至今仍适用于由层层圆钢片叠压成的电枢。爱迪生十分正确地使用了电枢的叠压法，它消除了对电枢有害的发热现象，提高了发电机的有效功率。在电枢的纵槽里和沿着圆筒的正面，装有在前面连接整流子片的铜棒。但他在这里犯了一个错误，即用来固定电枢铁芯叶片的螺栓没有进行绝缘，成了局部电流发热和白白消耗电能的根源。磁路部分使用铸铁材料，也是一个缺点，因为铸铁的电阻率大。爱迪生提出了自己的绕组图，研究出了一种整流子的结构，打火花现象在这种整流中被消除了，整流子片磨损的现象也大大减轻了。爱迪生把火花分成几部分，配置了许多电流依次通过的触头。在发电机大量供给电能的情况下，爱迪生研究出调整电压的方法。他提出要用改变磁阻的方法，也就是减少或增加轭磁量来实现这一调整。为此，电磁轭就增加了一个活动部分，而活动部分的移动影响了轭磁量和轭磁传导，起到了磁路调节器的作用。这个方法没有得到广泛推广，但却在某些专门的机器（如电焊机）中得到应用。从现代的观点来看，爱迪生的上述类型的机器有很大的缺点，用可煅铁制成的特别高大的电磁铁，在铸铁基板上相互连接起来的巨大的电极端，使机器变得很笨重。在配置这种磁路时，机器就有很大的磁阻；诚然，当时在这方面还没有一个很正确的概念。电枢和整流子结构，以及这些机器中的绕组图，都由爱迪生作了独创的改进。这些机器是在美国进行批量生产的头一批电机。这在当时（1880年）也是世界上功率最大的发电机。爱迪生也制造出了单极盘形电枢发电机，而这个电枢的绕组就像车轮的轮缘一样，安装在电枢的周边上。这是根据傅科旋转机制造发电机的第一次尝试。配置在一个强磁铁两极间的这种旋转机圆盘上，会产生出呈辐射状的电动势（如同法拉第圆盘上产生的电动势一样）。爱迪生用两块磁铁来代替一块磁铁，而用带有辐条的轮（其外围有绕组）来代替圆盘。这种设计的原理是新奇的，但采用这些机器不如采用其他机器合算。英国电工技师约翰·霍普金森在1886年，改进了爱迪生上述类型的发电机。这种新发电机获得了爱迪生—霍普金森机的名称，并在英国和美国进行了批量生产。这也是直流双极发电机。霍普金森所作的最重要的改进涉及到磁路，但在这种情况下发电机的外形就大大改变了。霍普金森不用爱迪生在大功率的电机中所采用的增加磁芯数的办法，而是只留下两个磁芯，即一边一个磁芯。每个磁芯都非常牢固地用自己的一端同一个极端连接起来，而用自己的另一端同磁轭连接起来。与爱迪生以前的发电机类型比较，铁芯横截面增大了，但铁芯却短了，而机器的高度也明显缩小了。铁芯截面或是圆形的，或是有斜着切去了角的长方形的。爱迪生—霍普金森机中的磁路变短了，但横截面却变宽大了。霍普金森也改进了电枢结构，增加了电枢中的钢量，减少了磁路的这部分磁阻。爱迪生—霍普金森机的效率增大了。电磁铁的励磁绕组是正方形截面，这就节省了地方，缩小了外形。极强的磁场和弱的磁阻的电枢，是这种发电机的主要特点。整流电刷也分成了单独的几个部分，这样就可以随时更换其中一部分，而并不破坏电路。中性点和各个电刷的配置都选择得很合适，从而把打火花现象完全消除了。这些发电机的效率超过了0.93。从爱迪生在设计电机方面的思想的发展观点来看，他在门罗园时为推动各种试验而制造的小型蒸汽发电机，是令人感兴趣的。原动机的工作轴上装有发电机转子；形成了结构非常紧凑的机组。这一发电机促使爱迪生产生了要制造适合于集中发电机的电站使用的功率更大的发电机组的念头。
三
当爱迪生着手设计纽约市（珍珠街）第一座发电站的时候，他就开始设计与蒸汽发动机有一个共同轴的功率强大的发电机。这种发电机比以前的爱迪生发电机的结构更为紧凑，因此在电站里安装只需要一小块地方。发电机得到了“贾姆博”这个名称：这是人们给动物园的大象起的绰号。专门制造的200马力的蒸汽机是原动机。“贾姆博”发电机有一个特别强的磁场，机中的转子绕组是棒形的；机组的重量为27吨，而其电枢本身就重达6吨。这个发电机供给电力网900安培的电流，其电压为110伏。第一台发电机是为1881年的巴黎博览会制造的，并在那里给观众留下了深刻的印象：这个发电机的电能是供给博览会各陈列馆和博览会地区中的1200盏白炽灯使用的。这就表明，这是当时已有的发电机中发电量最大的一个，同一年，这个发电机还在伦敦水晶宫展览会上展出。我们所举出的图就是“贾姆博”发电机，图的左前方是“贾姆博”发电机的蒸汽发动机部分，其横向轴，通向机组中间的发电机体内，发电机转子就安装在这根轴上（见插图）。
在建造纽约公用电站之前，爱迪生就已制造出几个很有意义的照明设备。门罗园的照明设备（1879年），目的是要用白炽灯来演示各种不同的照明情况，而后来制造的其他设备就提供了丰富的试验性的使用情况的资料。根据爱迪生和“爱迪生电灯公司”签订的协议，发明者要把两项重要发明——白炽灯和电照明系统——的商业经营权交给该公司。爱迪生的第一个商业性的照明系统，安装在“哥伦比亚”号轮船上。惯于造谣中伤的人们预言这种设备会遭到失败，并将给整个电照明设想带来无法弥补的损失。而事实粉碎了这一预言：这个照明设备顺利地使用了15年。同一种设备在伦敦的霍尔本天桥、米兰的拉斯卡拉歌剧院、“黎塞留”号巡洋舰等处，都运转得很好。
商店、独家住宅、旅店、企业等单独安装照明设备的需求量迅速增长，这就要求迅速建立从事安装个人照明系统的专门公司。这一公司组织起来了，名为“爱迪生个体用户照明设备安装公司”。在1882年年中以前，共计有67台这样的设备在美国使用，给10424盏电灯供电。这年年终，设备安装数量又增加一倍多。
珍珠街电站是爱迪生为发展纽约市一个区的电照明而建立的第一座公用电站，它的投入使用是电工学史上一个非常重要的时刻。这个电站成了研究和改进爱迪生照明系统的学校和实验室。巴黎展览会（1881年）、伦敦展览会（1882年）、慕尼黑展览会（1882年）上所展出的爱迪生系统方面的电照明展品，实际上不过是宣传白炽灯电照明系统的直观手段，还不能包括电照明系统的全部特点。建设电站生产电能出售给用户，并不断维修用户的各种设备，保证其性能可靠，是很有必要的。早在建设电站之前，爱迪生就把第五大街第65号楼租赁下来，安置上了办公室陈列厅。该楼共四层全部都装满了要演示其性能的展品。这里安装了一台小型蒸汽发动机，它用来带动供给这座楼房照明系统用的发电机。楼内演示了大枝型吊灯和普通的单管灯等各种照明方法，夜里就专门进行试验和有趣的专门演示。富翁们偕夫人参观了这些展品。他们当中有许多人看了所展出的展品后，表示希望在自己家中和事务所里安装这种照明设备。因此，由于独家住宅、大公司事务所、剧院等安装电照明的需要，自备发电站的订货量大大增加了。爱迪生不满足于这一类订货，他知道，在订货者那里的照明设备安装完毕，自备发电站投入使用之后，如果把订货人以后因灯泡烧坏而需要购买灯泡替换的情况除外，那么与他们的关系就算从此中断。爱迪生想创造一些条件，使中等收入和收入少的广大用户都能用得起电灯照明，使电站与用户间的商业联系变成长期的。为此，只有通过建发电站，并由发电站在用户那里安装照明设备和为用户经常服务。把照明系统用于商业经营的试验，就从建筑珍珠街电站开始了。为选定建筑电站的最合适地点，爱迪生研究了标有事务所、商店、车站、剧院和企业的15×5英尺的纽约大地图。他详细研究了下曼哈顿的一个区，因为他认为，那里很快就会有大量用户。他往这个区派了大批调查人员，并一家不漏地走访了各家，弄清楚居民和各种机关在电费与瓦斯照明费用相同的条件下，是否同意改用电照明。调查人员也调查登记了将来可以用电动机代替的小型动力设备。这些资料成了设计电站和制定空中和地下电缆网的电力线路图的依据。
经过计算确定，电站需要有一个边长为0.5英里的四方形有效区。
在所选定的地区内有一些大的金融组织，这样一来，推广使用电照明肯定会引起人们的特别注意。爱迪生决定在所选定的地区的中心，即在珍珠大街255—257号地段建立一座电站。爱迪生在1887年8月买下了这一房产，每一层（楼房是四层）的面积为100×50英尺。蒸汽锅炉安装在一层，燃料全部运到这里。第二层是装有六台“贾姆博”直流发电机的机器间。每一台功率为90瓦，分别由三个蒸汽机（每分钟为1200转）带动。第三层安装有由六个配电盘组成的配电装置，即每台发电机各用一个配电盘。最后，第四层装有一块有1000白炽灯的控制板，在把电流送往线路网之前，就要把这种电灯式电阻接通，否则在几个发电机全部工作时，用户的电灯就要烧坏。电站的满负荷量，根据电灯同时点燃的有效系数来计算为1万盏16支烛光。电站的建筑物设计得很合理，电站设备的部件选择得也合理。爱迪生在建筑珍珠街电站中所使用过的许多原理，后来在建设直流电电站中，都得到了应用和发展。发电机用人工冷却，电压是按爱迪生所制定的专门线路进行自动调整。燃料是用专门制造的机械装置送到锅炉房。锅炉房中炉灰煤渣的清除也是自动化的，电流短路的防护，是用保险丝来实现的。从电站所引出的干线都是地下线路，配电网都架设在空中。
四
爱迪生在珍珠街电站投入使用之后，就组织送向个体用户的用电量的计算。为此就需要设计一个计数器。爱迪生所发明的计数器，是根据电解原理制造成的。爱迪生最初一批计数器，是用于计算装有不超过25盏电灯的设备上所用的电能的。这是电能计数器的主要类型。后来又研制出了一系列的计数器，即1型、2型、3型和8型；8型用于大用户的设备上。
爱迪生制成的最早类型的电能计数器，是根据电量计原理工作的。计数器结构中有两个装有硫酸锌溶液的密封起来的电量计。两个电极也都是硫酸锌的。其中一个电量计是用于定期测量，另一个电量计用于控制第一个电量计。计数器体内的白炽灯，是为了不使电解液冷却和分解速度减低的目的而装上的。当温度开始接近零度时，白炽灯就自动亮起来。电能的消耗量是从容器里取出电极称它的重量来测定的。称过后，电极重新放进去，它的极性也改变了，因此电极就能使用很长的时间。后来爱迪生作了改进，进行测量不再需要取出电极来称。改进后，电极全都挂在一根平衡杆的两端，由于电极上的金属的分解，平衡杆便产生了偏斜。这种计数器是自动记录的。爱迪生的电表受到人们的极大怀疑。公众想像不出，这种小匣子如何能准确地计算出电能的消耗量呢。后来由于报纸报导了一件人所共知的事件，才使人们对计数器的看法发生了转变。有名的美国资本家万杰尔比利特，他的私邸里安装了电照明。照明费计算是根据所安装的电灯数量，而不是根据电能的实际消耗征收。万杰尔比利特有一次遇见爱迪生，他对爱迪生说，按所安装的电灯数量收费是不公平的，因为任何人都无法计算出多少时间和多少盏电灯处于通电状态。爱迪生同意这一点，他说，他要在万杰尔比利特那里安装一个能计算多少盏电灯点了多长时间的装置。他这里指的装置就是他所发明的计数器。“这是不可能的！”——万杰尔比利特说。当时，爱迪生就建议他把灯的数量和点的时间准确地记录下来，而爱迪生亲自在万杰尔比利特的私邸的电线引入端安装了电表。爱迪生打赌说，记录和测量的结果是会相符的。试验结果，证明了爱迪生是正确的。这次打赌使爱迪生的计数器博得了大家的信任。爱迪生的计数器，是电工技术实践中出现的最早的计数器。由于有了计数器，在供电初期就可以在大家接受的基础上，进行电站和用电户间的电费计算。实践证明，爱迪生早期发明的这个计数器存在很多缺点，后来经过许多发明家（阿伦等人）改进，完善了这一装置。爱迪生计数器的缺点是液体要蒸发、液体电阻要变化、电极难称。这个计数器的电阻是很大的，所以决不能把计数器直接接入电路。计数器只能接入电流通过量不大的分线上，这就会产生很大的误差。同时这个计数器不能用于交流电。
五
珍珠街电站开始工作之后不久就发现，电站的有效范围比较小，在用直流电能的情况下，只有采取专门措施来扩大这一范围。然而电站生产的电是110伏的，所有的装置都是根据这一情况安排定了的。当时扩大电站的有效范围已变得越来越重要了。爱迪生研究出了三线制，约翰·霍普金森也正是于1882年在英国提出了这种三线制。美国的专利特许证是在1882年11月27日颁发给爱迪生的。威廉·斯·安德鲁斯用数学的方法论证了这一系统。在英国，专利特许证是颁发给爱迪生和伦敦的“爱迪生电灯公司”的工作人员霍普金森的。在采用这一系统时，电站的两台发电机串联起来了，除了两条工作线之外，还有一条从中性点引出的中性线。在远距离传送时，两条工作线间的电压是2×110伏，而任何一条工作线和中性线间的电压是110伏。用户那里安装的都是通常的110伏灯泡，但它们是被接在一条工作线和中性线之间的。这一系统也可为电动机输送电压为220伏的电流，因为用户可以把电机接在两条工作线间。在三线制的两个支路间的负荷平衡的情况下，中线是没有电流的。爱迪生在他的许多设备中采用了这一系统，这一系统为在直流电占优势时期推广多线制打下了基础。西门子和哈尔斯克的商行曾一度大力宣传了电力线路的多线制，并在电站有四个串联的发电机的条件下，在某些设备中采用了五线制。
美国东部几个州的电照明费用要比瓦斯照明的费用高20%～30%，但电站用户量却在急速增长。许多城市都建立了爱迪生公司的电站，在商业上是很赚钱的。在中部几个州（例如在犹他州）瓦斯价格昂贵，而电照明要比瓦斯便宜一半。在这些地区，照明电能的消耗量增长得特别快。爱迪生由于主要打算发明电照明，在那几年对电动机就不太感兴趣。他的“爱迪生机器制造厂”在制造电动机过程中，并没有增添任何新东西。由于爱迪生反对使用交流电，所以他的企业里就没有制造变压器。
爱迪生在头几座中心电站投入使用之后所取得的成就，在国外也是前所未有的。在欧洲建立了爱迪生公司分公司，建起了公用电站。其中第一座是1883年开始使用的米兰电站。在柏林和巴黎几乎是同时开始为某些街区的照明建立电站。这时欧洲的瓦斯公司还享有各种特权，所以电照明的发展速度要比美国慢得多。1886年以前，美国已有41座电站，归爱迪生所有，这些电站供给10万盏电灯的电能。爱迪生在美国、欧洲和拉丁美洲的一些最主要的国家里，广泛推广了自己的电照明系统。
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