Den internasjonale elektrotekniske utstillingen i 1891

Den internasjonale elektrotekniske utstillingen i 1891 (tysk: Die Internationale Elektrotechnische Ausstellung) fant sted fra mai til oktober i Frankfurt am Main i Tyskland, og sees på som en historisk begivenhet som var avgjørende for valget av vekselstrøm fremfor likestrøm for elektriske kraftsystemer.
Utstillingen ble lagt til området for den tidligere Vestbanestasjonen i Frankfurt am Main. Arrangør og teknisk direktør for utstillingen var Oskar von Miller. På denne utstillingen ble for første gang overføring av trefaset vekselstrøm over lang avstand demonstrert. Energien ble overført på en 175 km kraftledning fra et lite vannkraftverk i landsbyen Lauffen am Neckar. Det ble sett på som en sensasjon at elektrisitet kunne overføres over en så lang strekning uten store tap. Begivenheten førte til at vekselstrøm fikk det endelige gjennombruddet på bekostning av likestrøm. Den såkalte strømkrigen var med dette over.

Bakgrunn

I 1881 ble den første «Exposition internationale d'Électricité» (den internationale elektrotekniske utstillingen) arrangert i Paris. Etter dette ble Elektroselskapet stiftet i Frankfurt, som en forening for fremme av elektrisitet. Selskapet ga sin støtte til forskning på praktisk anvendelse for industri og teknologi. Tre år senere var det oppstått rundt ti selskaper som produserte elektrisk utstyr i Frankfurt. Rundt år 1890 var noen av de senere store selskaper i bransjen etablert i Frankfurt. Dette var Hartmann & Braun, Staudt & Voigt (1891 Voigt & Haefner) og W. Lahmeyer & Co (fra 1893, som senere skiftet navn til Elektrizitäts-AG vormals W. Lahmeyer & Co). Det var i Frankfurt at den andre industrielle revolusjonen begynte å tre frem, en revolusjon tilsvarende den hundre år før hvor dampmaskiner ble introdusert i arbeidslivet. I 1891 var den tyske elektroindustrien tungt tilstede ved den internasjonale elektrotekniske utstillingen for å presentere sine resultater for publikum.
De lokale myndighetene i Frankfurt am Main måtte bestemme seg for om byen skulle bygge ut sin elektrisitetsforsyning med veksel- eller likestrøm. De elektroingeniørene som ble kontaktet for å gi råd ville ikke gi noen samlet entydig anbefaling. Valget var ikke opplagt: Fra før hadde Køln valgt elektrifisering med vekselstrøm, men bortsett fra det hadde alle større byer i Tyskland lysverker som leverte likestrøm. Dette skapte heftige diskusjoner i byen der entusiastiske ingeniører, produsenter og velinformerte borgere deltok.
Leopold Sonnemann som var forretningsmann og utgiveren av Frankfurter Zeitung, hadde oppmuntret Elektroselskapet til å arrangere en utstiling etter mønster av den elektrotekniske verdensutstillingen i Paris. Forberedelsene til utstillingen i Frankfurt begynte i 1889. Ønsket var at utstillingen skulle gi en oversikt over tilstanden i den internasjonale elektrotekniske industrien. Det ble utstillingen som fikk oppgaven med å demonstrere en teknisk og økonomisk mulig  kraftoverføring.
Oskar von Miller (1855–1934) ledet sitt eget ingeniørfirma i München og ble engasjert som leder for planleggingen av utstillingen. Miller så på slike utstillinger som en effektiv måte å introdusere ny teknologi til et stort publikum. Det var ikke første gang han organiserte slike evenementer, og han ønsket ny og dramatisk teknologi i sentrum for hver utstilling. Også ved World's Columbian Exposition i 1893 ble han konsultert, og anbefalte da en elektrisk jernbane ut fra utstillingsområdet. Ved forberedelsene til utstillingen i Frankfurt kalte han inn til et planleggingsmøte, der blant annet representanter fra Maschinenfabrik Oerlikon og AEG var tilstede. Disse to selskapene ble enige om å utvikle og levere utstyr for flerfaset vekselstrøm til utstillingene.
Utstillingen fant sted fra 16. mai til 19. oktober 1891. Som utstillingsplass valgte man landområdet mellom den tidligere jernbanestasjonen Main-Neckar utenfor byen, og Frankfurt Hauptbahnhof. (I dag vil dette si området mellom plassen foran Frankfurt Hauptbahnhof og Kaiserstraße, Gallusanlage, Gutleutstraße, Wiesenhüttenstraße.)
Fra før hadde det blitt testet overføring av likestrøm fra Miesbach til München i september 1882. Dette ble gjort via en telegraflinje med lengde 57 km og spenning 2000 V. I Miesbach var det en dampmaskin på 1,5 hk som drev en dynamo som produserte elektrisiteten. Her ble  testen også utført i forbindelse med en utstilling og elektrisiteten ble brukt til å drive en pumpe som sørget for vann i et kunstig fossefall. Den var den samme Miller som stod bak organiseringen av likestrømsoverføringen, mens den ledende franske elektroingeniøren Marcel Deprez var konstruktør. Ønsket om lengre overføringstavstander gjorde at likespenning allikevel ble vurdert som lite egnet.

Den første kraftoverføringen for vekselstrøm

I forbindelse med utstillingen i Frankfurt ble det bygget et demonstrasjonsanlegg for elektrisk kraftoverføring. Elektrisk energi ble overført som trefaset vekselstrøm på en høyspenningskraftlinje fra Lauffen am Neckar til Frankfurt, se kart til høyre. Denne begivenheten fant sted den 25. august (1891) ved at strømmen ble slått på nøyaktig klokken 12.

Planlegging og bygging av kraftsystemet

Firma AEG ved Mikhail Dolivo-Dobrovolskij sammen med Maschinenfabrik Oerlikon under sjefingeniør Charles E. L. Brown i Baden i Sveits samarbeidet om å konstruere demonstrasjonsanlegget for kraftoverføringen til utstillingen. I januar 1891 meddelte Brown til den tekniske komiteen for utstillingen at han kunne bevise at høyspent kraftoverføring var mulig. Ved Oerlikons fabrikk hadde han bygget en testmodell med oljeisolerte transformatorer som kunne heve spenningen til 40 000 V. Ideen med en oljefylt transformator var noe han hadde testet ut tidligere ved konstruksjon av en høyspentkabel. Fra før var det reist tvil om det var mulig å få til et godt nok isolasjonsmateriale både for transformatorene og kraftlinjen. Denne transformatoren for øvrig brukt for å vise at isolatorene som skulle brukes til kraftlinjen ville tåle det som den gang ble regnet som svært høy spenning.
I kraftverket i Lauffen var det fra før en turbin på 300 hk, og til denne ble det tilkoblet en trefaset generator som var bygget av Oerlikon. Oerlikon leverte for øvrig en trefaset transformator til kraftverket, og AEG leverte to transformatorer og koblingsanlegget. Selve kraftlinjen ble bygget med finansiell støtte av nasjonale og lokale myndigheter. Videre leverte Oerlikon en transformator til bruk i Frankfurt, mens AEG stod for to transformatorer og en trefaset motor.
Kraftlinjen var 175 km lang og hadde en spenning på 25 kV. Den hadde en overføringskapasitet på 220 kW med et elektrisk tap på under 25 %. Dette overrasket toneangivende elektroingeniører som var tilstede, de hadde på forhånd regnet med at tapene ville være på 50 %. Senere viste det seg at denne kraftlinjen kunne overføre energi med et tap på bare 4 %.
Bruken av elektrisiteten ble demonstrert på en stor tredelt inngang til utstillingen. Den midterste delen dannet en arkade som bar inskripsjonen «Kraftoverføring Lauffen-Frankfurt 175 km.» Denne inngangsportalen ble opplyst av 1000 lyspærer, og var flankert på høyre og venstre side av to rektangulære plater. På høyre side sto logoen til AEG og på den andre siden logoen til Maschinenfabrik Oerlikon. En annen attraksjon var en kunstig foss, drevet av en pumpe med elektrisk motor. Med 1,2 millioner besøkende fra hele verden var utstillingen en stor suksess, dette til tross for en regnfull sommer og at prisen for en dagsbillett var på 15 Mark per person.

Trefasesystemet

Dolivo-Dobrovolsky holdes for å være oppfinneren av trefasesystemet. Han var ansatt ved AEG i Berlin og hadde konstruert en trefaset vekselstrømsgenerator allerede i 1888. I august 1889 fikk han patent på en trefaset transformator, og samme år konstruerte han en vekselstrømsmotor (av typen asynkronmotor). Dolivo-Dobrovolsky var også den første som innså at viklingene i en vekselstrømsmaskin kan kobles i stjerne- eller trekantkobling. Imidlertid er det også andre som tidligere, eller samtidig med, Dolivo-Dobrowolsky kom med oppfinnelser for tofasede eller trefasede vekselstrømsystemer. For eksempel arbeidet Nikola Tesla intenst med utvikling av et tofasesystem med fire ledere. Av forskjellige grunner ble ikke disse realisert, da de ikke fungerte tilfredsstillende, eller som følge av at patentsøknaden ble tatt ut for sent.
Dolivo-Dobrowolsky bygget videre på noen av disse ideene, og det var han som for kraftverket i Lauffen konstruerte en generator som produserte elektrisiteten til utstillingen. Denne hadde en nominell strømstyrke på 1400 A, en spenning på 50 V, frekvens på 40 Hz ved en hastighet på 150 r/min og ytelse 300 hk (220 kW). Dens totale virkningsgrad ved full ytelse var over 95 %. Maskinen var bygget i Baden i Sveits. I dag er den originale generatoren utstilt på Deutsches Museum, mens kraftverket i Lauffen ikke lenger eksisterer.
Demonstrasjonen av trefasesystemet og kraftledningen var det viktigste hendelsen på hele utstillingen fordi elektrisitet aldri hadde blitt overført over så lang avstand. Demonstrasjonen viste at stor effekt kunne overføres over meget lang avstand med små tap. Med dette ble den såkalte strømkrigen avsluttet, altså kontroversene om likestrøm var et bedre system enn vekselstrøm for elektriske kraftsystemer. I årene som fulgte ble trefaset vekselstrøm ytterligere demonstrert å være et overlegent bedre egnet system for elektrisk energioverføring enn likestrøm. Det spesielle tofasede vekselstrømsystemet som spesielt Nikolai Tesla hadde arbeidet med, ble også etter hvert forkastet.

Konsekvenser av utstillingen

Trefaset vekselstrøm hadde eksistert som idé, og noen eksperimentelle anlegg hadde vært under testing i tre år før utstillingen. Mange selskaper begynte umiddelbart etter utstillingen å arbeide  med nye systemer, i et kappløp om patenter. Siemens og General Electric startet utviklingen av trefaset vekselstrømsgeneratorer allerede samme år som utstillingen. General Electric var i stand til å bygge det første vannkraftverket i USA for produksjon av trefaset strøm i Redlands i California i 1891. I Nord-Amerika var det General Electric som kom til å lede utviklingen av trefasesystemer, mens Westinghouse med Tesla i spissen, fortsatte å arbeide med å utvikle tofasesystemer enda en stund. Siemens hadde konstruert vekselstrømsgeneratorer allerede før 1881, og dermed ble de raskt en konkurrent til General Electric på dette området.
Den neste kraftsystemet med høyspent vekselstrøm, var det som ble bygget i forbindelse med kraftverket i Niagarafallene. Her hadde det i lang tid vært planer om et kraftverk. Blant annet ville man bygge en kraftoverføring til Buffalo, en industriby rundt 32 km unna. Mange ideer hadde eksistert, blant annet ble mekanisk eller pneumatisk (trykkluft) overføring vurdert. Men suksessen fra Frankfurt am Main fikk ingeniørene til å legge bort disse planene til fordel for vekselstrøm. Westinghouse Company promoterte sitt system med tofaset vekselstrøm, mens teknisk sjef for planleggingen, den engelske professoren George Forbes, var tilhenger av trefasesystemet. Da kraftverket ble satt i drift i 1895, var det utstyrt med to generatorer for tofaset strøm fra Westinghouse. Charles F. Scott hadde imidlertid konstruert en spesiell transformator som omskapte tofasestrømmen til trefaset, slik at overførignslinjen til Buffalo benyttet trefaset strøm.
Når det gjaldt strømforsyningen i Frankfurt, besluttet bystyret å bygge et kraftverk i Gutleutstrasse, senere kjent som Kraftverk West. Det sveitsiske selskapet Brown, Boveri & Cie. (BBC) fikk i oppdrag å bygge og drifte anlegget. Dette var et dampkraftverk med en samlet ytelse på 6 MW og leverte enfaset vekselstrøm. Den 8. desember 1894 ble kraftverket satt i drift og forsynte da et fordelingsnett med en samlet lengde på 60 km. Abonnentene fikk en spenning på 123 V.