交流電與直流電的“世紀大戰(zhàn)”

我們現(xiàn)在在新時代，用電的電器已經(jīng)不只是燈泡了，我們主要的用電器已經(jīng)是手機了?，F(xiàn)在人類仿佛抱著手機可以過一輩子。不要電燈、不需要冰箱、不需要洗衣機；手機搞定一切……手機內(nèi)部的電池充放電都是直流電，很多用電器內(nèi)部都是AD/DC，轉(zhuǎn)成直流，再給半導體芯片供電，包括照明現(xiàn)在都是用LED了，用交流電供電也是要轉(zhuǎn)成直流。

最近在做個項目，涉及AC/DC電源設(shè)計，由于AC/DC由于功率增加帶來了諸多麻煩，設(shè)計復雜度比DC/DC要多得多，所以反問一個很基礎(chǔ)的問題：為什么半導體都是用直流電，但是發(fā)電廠送來的都是交流電？

而人類最早用電的需求就是來自照明，就跟在夜晚時候，一個燈泡就可以點亮黑暗，而不是跟古代人一樣用昏暗的蠟燭來照明。所以這就讓我們要感激當時在地球上發(fā)明了燈泡的愛迪生，他是在19世紀享譽盛名的天才發(fā)明家。

而上帝就在他那個年代，放置了一個同樣也是擁有幾百項發(fā)明專利的青年才俊特斯拉，而他們兩位就在相同的領(lǐng)域，并且每個人都具備大量發(fā)明專利的情況下，展開了一場世紀大戰(zhàn)，那就是來自交流電跟直流電的紛爭。

而這就牽扯到這兩位天才發(fā)明家在地球上的地位，所以在當時兩者為了贏得全世界的贊譽都是煞費苦心，愛迪生代表了直流電這一邊，而特斯拉就代表了交流電這一側(cè)，曾經(jīng)的交流電直流電之爭在目前來看，當時還是相當精彩。

當年那個電器大量開始出現(xiàn)的年代，愛迪生為了贏取大家的認可，不惜用交流電電死了一頭健壯的牛，勸告人們要遠離交流電，而最終的結(jié)果卻出乎意料，那就是特斯拉代表的交流電贏了愛迪生的直流電。而這其中，這兩種電究竟有何區(qū)別？

流電跟直流電在本質(zhì)上來說，其實就是方向跟大小這兩者的問題，也就是說直流電就是一直大小不改變方向也不改變的電流，而交流電則就是會改變方向跟大小的電流，兩者擁有如此巨大的差距，能夠讓特斯拉的交流電勝出，這是地球上科技發(fā)展的必然趨勢。

為在隨著用電時代的到來，大部分地區(qū)都開始遠距離輸送電流，每家每戶的電都是通過電廠在冗長的電線中輸送過去，而在這樣遠距離的輸送過程中，要是一直利用直流電來輸送，不方便進行升壓，如果用低壓傳輸就會出現(xiàn)電力大量浪費的情況，不利于經(jīng)濟節(jié)約是小事，傳輸線會因為電流過大無法承載大功率的應用。

隨著電器數(shù)量越來越多，功率越來越大，傳輸距離越來越遠的時代發(fā)展，直流電必然就不能夠跟交流電相提并論，用交流電就是便利，只需要在電廠這里輸出端降低電流，并且可以在中途輸送過程中變換方向，完全就能夠在長距離的輸送上減少損耗，而即將達到用戶端的時候，就可以適當變壓，達到預期的電路效果。

然直流電在目前來說，雖然在遠距離輸送電流方面上不如交流電，依然還是能夠在半導體材料中找到它的一席之地，這是交流電不能夠替代的。

上目前在全球提倡綠色低碳的角度上，在環(huán)境友好型的電子設(shè)備中，依然有著直流電發(fā)揮的地方，能夠讓很多設(shè)備兼容這種單向傳遞的直流電輸送。

一項發(fā)明，在歷史長河中是否具有生命力，取決于它的實用價值。例如拉鏈，被譽為最偉大的發(fā)明，其道理也基于此。題主其實談的是電能問題。我們知道，電能包括發(fā)電、輸送電、配電和用電四大過程。1.發(fā)電和輸送電的升壓和降壓在發(fā)電和輸送電的過程中，有一個關(guān)鍵的設(shè)備，就是變壓器。為何要用變壓器來改變電壓？我們知道，電能的傳輸導線是具有電阻的，傳輸導線所消耗的電能功率Pline為：

這里的I就是流過導線的電流?？梢?，為了減小線路損耗，就要減小電流。事實上，輸送電消耗掉的電能，占總發(fā)電電能的比例不可小覷。減小輸送電的線路損耗，有很大的意義。

而要減小電流，最方便的就是利用變壓器了。如果我們忽略掉變壓器的各種損耗，例如鐵損、銅損等等，則變壓器兩側(cè)的功率基本相等。把變壓器某側(cè)的電壓升高，該側(cè)的電流自然就減小了。不過，變壓器只能工作在交流電路中，不能工作在直流狀態(tài)下。我們來看變壓器的工作原理：

忽略變壓器的損耗，則有：

在這里，U1和I1是變壓器一次側(cè)的電壓和電流，U2和I2是變壓器二次側(cè)的電壓和電流，K是變比。我們看到，只要把U2提高，則I2自然就小了，于是在輸配電線路的起始端，我們把電壓給升高，在輸配電線路的末端，我們再把電壓給降下來。這樣就減小了線路損耗。交流傳輸線上的高壓電和超高壓電其用途就在于此。我們看到，利用變壓器，交流電壓的高低變換何其方便。

但直流電可以升壓嗎？當然可以，但相對交流升壓來說，要麻煩很多，且成本要高很多。除非是長距離輸送電，否則不劃算。可見，在發(fā)電和輸送電中，交流電比直流電要方便很多，成本也低廉很多。

不過，也不是說直流就沒有優(yōu)勢。交流線路電阻與直流相比，還多了趨膚效應和鄰近效應，因此同樣的導線，交流線路電阻大于直流線路電阻。換句話說，其實交流的線路損耗大于直流的線路損耗。也因此，采用直流長距離輸送電，也是人們追求的目標之一。我國在這方面走在世界前列，我國的世界首條±800kV的直流輸電線路正在平穩(wěn)高效安全地運行中。

2.配電方面的問題在輸送電的末端，需要分配電能，這就需要使用配電電器。配電電器的主要元件是各類隔離開關(guān)和斷路器。對于開關(guān)電器來說，滅弧是個大問題。電弧會燒蝕觸頭，產(chǎn)生巨大的熱沖擊，嚴重影響到開關(guān)設(shè)備的穩(wěn)定工作。

交流電和直流電相比，每個周波有兩次過零，而過零時，電弧也自動熄滅，所以交流電器的滅弧能力強于直流電器。有一個參數(shù)，它描述的是電弧熄滅后電弧介質(zhì)氣體的恢復過程和恢復強度，用Ujf來表達；另外一個參數(shù)，它描述的是電弧熄滅后，電壓上升過程和強度，用Uhf來表達。所謂介質(zhì)氣體的恢復，指的是氣體從電弧的等離子狀態(tài)恢復為正常氣體狀態(tài)，顯然，它與時間有關(guān)，也與氣體性質(zhì)有關(guān)。如果：

也即，介質(zhì)恢復強度大于電壓恢復強度，則電弧將不會不重新燃燒。

上圖中，在時刻0，交流電弧過零熄滅。但過零后，Ujf2小于Uhf，所以交流電弧重燃；Ujf1>Uhf，所以交流電弧不再重燃，并且徹底地熄滅。不過，直流電弧可沒這么好，它根本就不會過零。我們看下圖：

上圖是GIS復合開關(guān)，一般用于高壓配電網(wǎng)。GIS看起來象一只只的鍋爐，大筒子里就是開關(guān)，開關(guān)周圍充滿了六氟化硫氣體。六氟化硫氣體的特點是分子量大，非常穩(wěn)定，絕緣性能特別好，所以用來在高壓電器中加強滅弧，提高Ujf。不過，六氟化硫是溫室氣體。因此人們期望能找到一種氣體替代它。真空就是一種好辦法?？梢姕缁∈嵌嗝粗匾囊患?。在這方面，直流電比交流電要遜色多了。因此，同樣的開關(guān)電器，用在直流就必須降容。為了改善直流開關(guān)電器的滅弧能力，人們在電弧燒蝕的材料中鍍上一層特種膜，在高溫燒烤下，能釋放出類似六氟化硫的氣體，以此提高介質(zhì)恢復強度。3.用電電器方面在用電電器方面，最典型的就是交流鼠籠式異步電動機了。相對直流電機，它價格低廉，工作可靠，性能穩(wěn)定，也無須更換碳刷。因此，直流電機完全比不上交流電機的方便、實用和可靠，直流電機的應用面也要小很多。不可否認的是，直流電機的調(diào)速性能良好，但自從有了變頻器，交流電機的調(diào)速問題也解決了，直流電機的優(yōu)點也被削弱了。

4.電源變換方面交流電變成直流電，十分方便，采用整流電路就可以了。但直流電要變成交流電，需要配套逆變器，相對麻煩得多。