做座回顾特斯拉和爱迪生的交流与直流电之间的恩

回顾特斯拉和爱迪生的交流与直流电之间的恩怨

19世纪的后半部分所看到的科技革命迈出的第一个脚步将使所有先进的东西变的渺小。电气化深刻地改变了人类生活的方方面面。电气化不仅改变了那个时代的现有技术(石油照明电灯)，而且它也创造了电器测控系统主要有强电和弱电两部份组成全新的产品，在这之前我们是无法想象的，比如如收音机。尽管我们觉得电子基础设施和社会在今天是理所当然的，可是达到这样一个状态是历经曲折的。在1880年代末，有一个 格式之战 的就像vhs vs betamax,蓝光vs hd-dvd之间的冲突。那些年交流电(ac)之父是塞尔2.具有实验力清零、峰值保持、参数设置、标定及微调等功能维亚裔美国古怪的天才尼古拉·特斯拉，其结束了dc的统治地位，还有既聪明又精于商业的托马斯.爱迪生。最后，电气化的世界终于从蓝图变成了现实。

图1：尼古拉.特斯拉（左）和托马斯.爱迪生（右）

1 ac vs dc

这场争论的核心论点是，交流和直流的使用用可以归结为美好的工程权衡。在1880年，dc直流在长距离运输时其效率低下，因为损失的线电压与生成的dc直流电压相比所占比重非常巨大。因此用直流驱动世界就需要更大的发电站来点缀风景了。然而，1880年的机器产生直流要简单得多，这是它的技术优势。相比之下，交流需要更精确的机器以产生振动电子，但交流电传输远距离其效率更大。这两个解决方案很大程度上反映了他们的冠军的心态。特斯拉更倾向于理论，能够看见他的心灵之眼，而爱迪生是他那个时代的完善的制造商。优雅而精致的设计和实用性。最后，推动电子从发电厂到消费者，交流电从直流电手中夺取了胜利。

2 ac胜在传输

交流电的关键优势是，其电压水平可以很轻易地通过相对廉价的变压器提升。相同的功率下，高电压可以传输而使得电流较小。这就意味着其拥有非常实用的优势。在较小的线路损耗下，消费者和发电设施之间的距离可以变的更大。通过实际使用交流来传输电，构建一个小型基础设施意味着更划算。

当然，爱迪生不会不战而降。19世纪后期的爱迪生曾举行示威活动，说交流是用来以电椅的形式处死动物，试图说服群众交流电的危险。然而，纽约州的第一个电椅是由两个爱迪生员工发明的。不出所料，交流电被选为用于电椅。虽然这些示威活动是好的方法，而现实情况是，直流和交流都是有危险的，如果电流是足够大的。只需要几毫安级电流在合适的条件下就可导致心脏颤动死亡。

多年来，技术的改进导致电提高性能。电磁干扰(emi)是由线路噪声引起的上游和负载连接的下游导致 污染 电力。基于共模堵塞过滤器和来自epcos/tdk公司的电容有助于减少emi，随着越来越多的电子设备操作要求清洁能源，这是非常重要的。

图2：阻流有助于使电线清洁无emi，tdk的影像。

3 dc和数字革命

虽然交流已经成为事实上的标准电力传输和分配，直流在现代生活中任然扮演了关键角色。直流电机控制许多低马力机械应用。直流电在电信设备和汽车系统也起着至关重要的作用(电池和变频器将交流变成直流)。

直流伴随数字革命的最大胜利，大概最早开始在1970年代，几十年后在世界各地的实验室开始普及。数字技术是绝对依赖于直流电源。1和0的电子信息时代依赖一个直流电压的存在与否。数字设备获取电源来自于墙上的交流插座，交流电必须先转变为直流电。整流电路在现代设备中就是用于实现这个功能的。

因为移动数字技术是没有电线的，是通过电池提供直流电源的。电池靠组件电化学反应产生的电子在一个给定的电压水平。电池寿命是一个电池ma-h转化率和设备的电流消耗之间的函数。开关直流-直流转换器用于现代移动电子设备允许电池有固定直流电压水平服务多个可能运行在不同的电压水平的子电路。直流-直流转换器切换模式的负面影响之一是产生了射频噪声，必须使用特殊的组件比如asrf阻流。今天，除了我们的大电器，绝大多数我们带回家的电子设备最终都将依赖于直流电来执行其功能。

4 未来

在近150年，现代生活的设备的质量和效率发生了翻天覆地的变化。然而，基本概念仍大体上相同。大型发电设施依靠各种能源转换成电能，然后沿着一个电传输。随着电力临近消费者，电压越来越低，直到通过最后一个降压变压器和断路器面板离开电送入你的住宅，最后到达ac壁装电源插座。我们的设备直接使用交流或者将其转换为一个更有用的直流电压给我们生活中的电子产品供电。

图3 ：特斯拉的wardenclyffe塔（来自维基百科的图片）

现在有一个方法很多人肯能会关注(甚至拥趸)那就是无线电力传输。为了说明什么是无线传输我们没有说感应智能充电器等产品。这些设备确实是无线传输能量，但是却在很短的距离和驱动电力设备相对较低。相反，是否世界的整个电被替换为天线，其辐射电力就像 独家 从空中广播或者广播电视信号一样呢。特立独行的尼古拉·特斯拉一直迷恋这样的一个概念，那就是构建长岛的沃登克里弗广塔在传播信息（声音和传真机）的同时也可以传输电力。无线电力传输的基本问题其实是数学问题。各向同性的平方反比定律(天线辐射能量同样有三个维度)告诉我们如下公式：

根据国际能源署，2012年全世界共消费了20900太瓦时的电力。使用一个非常基本的计算基于平方反比公式,这将生成x1014 5.1倍20900 twh的输电损耗在他走下舷梯的1刻。换句话说，经济和物理学证明，无线电力传输是完全不切实际的。

如果无线电力传输到每个家庭、学校、商店、工厂仍然是一个白日梦；那有什么变化可能会改变我们的世界?期待未来，但有时我们不得不往后看。

在爱迪生和特斯拉在交流和直流的争斗的同时，其他概念也被探索。高压直流(hvdc)研究的技术最早出现在1880年左右，但该时间段意味着直流设备昂贵的技术制造和维护成本。一个世纪之后其技术才开始赶上理论。引入固态技术，如绝缘栅双极根据塑料△VS值晶体管和集成gate-commutate晶体管从英飞凌科技等公司从1970年代开始意味着交流转换成高压直流(高达800 kv)成为实际。虽然ac-to-dc转换技术的两端直流输电系统是昂贵的，直流传输硬件在距离超过400英里时变得更加实惠，因为你不需要运行三相电缆而。直流系统也可以用于互连同步交流传输络，然而， hvdc直流系统可靠性系统还没有完全与ac同行看齐。加上hvdc技术仍然推进迅速。

图4：固态器件如来自英飞凌的igbt有助于使hvdc直流变成现实(图片由英飞凌)

也有可能未来的电力传输根本没有传输硬件。可再生能源被越来越多的获取并且越来越接近能源消耗。毫不奇怪的是，光伏板如雨后春笋般在世界各地房屋的屋顶上。作为能量储存，效率已经提高和突破，并不是深不可测的，生活 格 将变得更加普遍。但在这里，它变得很有趣。光电产生直流电压。因此，将它到你的家里必须先转换为交流。而遭受重大损失是在从交流到直流的每个转换，反之亦然。有些工作是通过产业联盟，如em联盟倡导当地直流分布。简而言之，明天的壁装电源插座可能只是一个usb端口，而不是三相交流 电，这个现在社会 非常普遍的东西，最后，特斯拉有可能赢得了最多的战役，但爱迪生将最终赢得这场战争。

5 也许这根本不是战争?

今天的世界已经毫无疑问的受尼古拉·特斯拉和托马斯·爱迪生发明的影响。现代生活是由我们利用电子的能力组成。ac和dc在我们高科技的世界里都找到了各自的用武之地。我们已经学会了如何利用技术和经济效益这两种技术的优缺点。幸运的是我们这些工程师和技术公司，我们已经站在了第二次电子革命的门槛上。随着世界开始认真地看待利用可再生能源将更好的管理生态环境和使能源独立，我们需要整合太阳能、风能、地热、和tidal-based发电技术使电能进入电。了解交流和直流输电的优点和缺点和对这些资源如何生成电能将是我们未来成功的关键因素。特斯拉和爱迪生分别引以为豪的ac和dc为建立一个美好的明天都做出了重大贡献！