Energiteknik

Elektricitet blev ett ämne av vetenskapligt intresse i slutet av 1600-talet. Under de följande två århundradena gjordes ett antal viktiga upptäckter, bland annat glödlampan och den voltaiska stapeln. Den förmodligen största upptäckten när det gäller kraftteknik kom från Michael Faraday som 1831 upptäckte att en förändring i det magnetiska flödet inducerar en elektromotorisk kraft i en trådslinga – en princip som kallas elektromagnetisk induktion och som bidrar till att förklara hur generatorer och transformatorer fungerar.

År 1881 byggde två elektriker världens första kraftverk i Godalming i England. Stationen använde två vattenhjul för att producera en växelström som användes för att försörja sju Siemensbågslampor på 250 volt och trettiofyra glödlampor på 40 volt. Försörjningen var dock intermittent och 1882 utvecklade Thomas Edison och hans företag, The Edison Electric Light Company, den första ångdrivna elektriska kraftstationen på Pearl Street i New York City. Pearl Street Station bestod av flera generatorer och drev till en början cirka 3 000 lampor för 59 kunder. Kraftstationen använde sig av likström och fungerade med en enda spänning. Eftersom likströmsströmmen inte enkelt kunde omvandlas till de högre spänningar som krävs för att minimera energiförlusterna vid överföringen, begränsades det möjliga avståndet mellan generatorerna och lasten till cirka 800 meter.

Samma år demonstrerade Lucien Gaulard och John Dixon Gibbs i London den första transformatorn som lämpade sig för användning i ett verkligt kraftsystem. Det praktiska värdet av Gaulards och Gibbs transformator demonstrerades 1884 i Turin där transformatorn användes för att belysa fyrtio kilometer järnväg från en enda växelströmsgenerator. Trots systemets framgång gjorde paret några grundläggande misstag. Den kanske allvarligaste var att man kopplade transformatorernas primärer i serie så att om man tände eller stängde av en lampa skulle det påverka andra lampor längre ner på linjen. Efter demonstrationen importerade George Westinghouse, en amerikansk entreprenör, ett antal transformatorer tillsammans med en Siemensgenerator och lät sina ingenjörer experimentera med dem i hopp om att förbättra dem för användning i ett kommersiellt kraftsystem.

En av Westinghouses ingenjörer, William Stanley, insåg problemet med att koppla transformatorerna i serie i motsats till parallellkoppling och insåg också att om man gjorde transformatorns järnkärna till en helt innesluten slinga skulle man förbättra spänningsregleringen av den sekundära lindningen. Med hjälp av denna kunskap byggde han världens första praktiska transformatorbaserade växelströmssystem i Great Barrington, Massachusetts 1886. År 1885 demonstrerade den italienske fysikern och elingenjören Galileo Ferraris en induktionsmotor och 1887 och 1888 lämnade den serbisk-amerikanske ingenjören Nikola Tesla in en rad patent med anknytning till kraftsystem, bland annat ett för en praktisk induktionsmotor i två faser som Westinghouse licensierade för sitt växelströmssystem.

Från och med 1890 hade kraftindustrin blommat upp och kraftbolagen hade byggt tusentals kraftsystem (både med likström och växelström) i USA och Europa – dessa nät var i praktiken avsedda att tillhandahålla elektrisk belysning. Under denna tid uppstod en hård rivalitet i USA, känd som ”strömmarnas krig”, mellan Edison och Westinghouse om vilken överföringsform (likström eller växelström) som var överlägsen. År 1891 installerade Westinghouse det första större kraftsystemet som var utformat för att driva en elektrisk motor och inte bara tillhandahålla elektrisk belysning. Installationen drev en synkronmotor på 100 hästkrafter (75 kW) i Telluride, Colorado, där motorn startades av en Tesla-induktionsmotor. På andra sidan Atlanten byggde Oskar von Miller en 20 kV trefasöverföringsledning på 176 km från Lauffen am Neckar till Frankfurt am Main för den elektrotekniska utställningen i Frankfurt. År 1895, efter en utdragen beslutsprocess, började Adams No. 1 generatorstation vid Niagarafallen att överföra trefasig växelström till Buffalo på 11 kV. Efter slutförandet av Niagara Falls-projektet valde nya kraftsystem i allt större utsträckning växelström i stället för likström för elöverföring.