1.4 交流电和直流电

电磁感应发现之后很快被机械设计师们所应用，从那时起，各类电磁能量转换装置以及相关电力电路得到了迅速发展。在法拉第电磁感应实验的启示下，1832年，法国工程师皮克西（Hippolyte Pixii）制造了自己的发电机，如图1-12所示。他的机器是手动的，在固定的铁心绕上导线线圈，线圈下有旋转的U形磁铁（通过手轮和齿轮使其旋转），磁铁旋转时在线圈导线中就产生了电流，皮克西的发电机产生交流电，这在当时没什么意义[由于最初的伏特电堆产生的是直流电，所以人们认为发电机就应该产生直流电，从某种意义上说，在交流发电机上加装整流装置来输出直流电，这个想法使电气工程工业的发展推迟了大约60年，即从1831年法拉第实验到1891年的劳芬（Lauffen）实验，直到那时起人们才决定用交流电来进行远距离传输。]。于是在安培的建议下，皮克西安装了一个将交流电转换为脉冲直流电的整流器。皮克西发明的这种发电机在世界上是首创，虽然本质上是一个工作模型，但它是第一个基于法拉第发现的原理制造的实用发电机。可惜皮克西英年早逝，27岁时在一次车祸中去世了。

接下来的几十年里，各式各样的直流发电机不断涌现，但他们都有各种不同的缺陷。直到1867年，德国发明家、企业家维尔纳·冯·西门子（Werner von Siemens）提出了一种串励发电机模型，利用剩余的弱磁来产生电动势发电，再返回给电磁铁励磁，促使其磁力增强，这就是自励式直流发电机的原型，如图1-13所示。西门子第一个生产的自励发电机叫Dynamo，这个词来自希腊语，dunamis，表示动力，这个单词在之后的50年一直用于直流发电机的名称。西门子有一种很强的能力，就是研发的这些技术往往能马上产品化投入市场，例如电力机车（1879年）、电梯（1880年）、有轨电车（1881年）、无轨电车（1882年）等。

1870年在法国工作的比利时人格兰姆（Gramme）试制成线圈绕成环形电枢的格兰姆自激直流发电机，并于1875年进一步改成速度较高、质量较轻、使用价值较大的直流发电机，安装在巴黎北火车站发电厂，为车站附近弧光灯提供电源，这是世界上第一座火力发电厂。在1881年巴黎电气展览会上，展出了爱迪生制造的当时容量最大的直流发电机，功率150马力[2]，电压110V，重27t，可供1000～1200盏电灯使用。

此时，出现了直流与交流的“电流之战”。由于直流电机的电刷经常磨损，后来在1856年，人们发现撇开电刷，发电机直接输出交流电也可以点亮电弧灯，于是交流电主要被用于点亮室外高亮电弧灯。当时阻碍交流电应用的最大障碍就是人们还无法制作真正可以使用的交流电动机，也就是如何利用交流电产生旋转动力。而对交流电发展起重要推动作用的就是尼古拉·特斯拉（Nikola Tesla）与伽利略·法拉利（Galileo Ferraris）。尼古拉·特斯拉大家都非常熟悉了。下面先讲伽利略·法拉利。1884年，在意大利都灵国际博览会，法国人高拉德（Lucien Gaulard）和英国人吉布斯（John Dixon Gibbs）展示了长距离交流输电技术，输电展示工程是用西门子公司的单相交流发电机将30kW、133Hz的交流电输送到40km远处的都灵，线路损耗非常小，这个工程中最吸引人的是变压器，当时被人们称为“二次发电机”（Secondary Generator）。法拉利的第一个成熟的贡献是有关变压器的，他在1885—1886年的3篇报告中给出了变压器完整的模型来计算变压器铁心在交流条件下的功率损耗。事实上，基于对变压器的研究，法拉利意识到电动机需要进行自发旋转，只有这样交流系统才能超越直流系统，如果没有这样的电动机，任何交流发电机和变压器都不能发挥关键作用，当时他就认识到“变压器仅仅是整个电力系统的一个组成部分”。

在1885年早些时候，法拉利从麦克斯韦的电磁波理论中得到制作两相电动机和发电机的灵感：将两个交流磁场叠加可以获得旋转磁场，产生与旋转的永磁体相同的效应。具体就是，在两个中心轴正交的相同线圈中通以相同幅度、相同角频率、相差90°的两个正弦电流，那么以角频率旋转的磁场就会在线圈的中心点产生，磁场的旋转频率与静止电路中注入的电流频率是一致的。当然，如果电流和线圈都是相差120°，结果同样适用于三个线圈。他在1885年8～9月制作了这样的两相电动机，如图1-14所示。

实际上直到1888年法拉利才发表了论文《交流电产生的电动旋转》，讨论在交流发电机中使用多相交流电。不久之后，法拉利知道了特斯拉申请的两相交流发电机和电动机专利刚刚被授权。有人指出特斯拉的电机是基于法拉利教授的“旋转磁场”的思想，特斯拉进行了反驳，声称这纯属巧合，如图1-15所示。

1884年，特斯拉一来到纽约就为爱迪生打工，工作几年之后他们分道扬镳，主要是爱迪生支持生产和传输直流电，而特斯拉站在生产和传输交流电一方。特斯拉从爱迪生公司出来后建立了自己的特斯拉电气公司，取得了交流电的许多专利。乔治·西屋对交流输电系统非常感兴趣，于1888年支付给特斯拉约17万美元购买交流发电机和电动机专利，以及以后公司售出电机还需支付2.5美元每马力专利税。当然，乔治·西屋还买下了高拉德和吉布斯两人的“交流配电”专利（Apparatus for the production and utilization of secondary electric currents，US0297924；System of electric distribution，US0351589），如图1-16所示，并对他俩创造的开磁路式变压器结构进行革新，研制了具有现代实用性的电力变压器（见第3章3.1节）。

专利税让特斯拉获得了巨额的利润，但也成了西屋公司的一个严重问题：几年后西屋公司想通过降低价格以击垮所有竞争对手，但当时特斯拉的专利税竟上升到1200万美元，几乎让西屋公司破产。因此西屋公司和特斯拉当时面临的选择是，要么破产将市场拱手让给竞争对手，包括爱迪生和他的直流电，要么相互妥协以挽回局面。特斯拉于是以216600美元的价格把交流电专利永久卖给西屋公司，放弃了原先收取专利费的权利。此后，由于交流电天生的技术优势，交流输电变得越来越廉价，传输功率越来越强大，并最终成为笑到最后的“电”。