01?交流電壓

一、背景

為什么現(xiàn)在有大約三分之一的國家，包括美國在內(nèi)使用110V或者120V的交流電壓？?另外三分之二的國家則使用220,230,240V的交流電壓？?關(guān)于這方面的原因，下面來聽Kathy老師給出的答解答，?其中包括愛迪生最初如何設(shè)計的電氣系統(tǒng)，愛迪生的三線制系統(tǒng)，?發(fā)明金屬鎢白熾燈的時間，?以及一個美國城市-芝加哥。

二、愛迪生的燈泡

故事從1878年9月8日講起。?那一年愛迪生31歲。?他的一個朋友建議他看一下發(fā)明家威廉·華萊士的發(fā)明的直流發(fā)電機，?據(jù)說可以輸出能夠點亮八盞電弧燈的電力。?據(jù)當時的新聞報紙記載，愛迪生對此非常著迷。只是覺得當時的電弧的光芒太刺眼了。

▲ 圖1.2.1 哈萊士與法爾莫直流發(fā)電機

當他返回自己的“發(fā)明工廠”之后，聲稱自己可以只用一個發(fā)電機就能點亮一千盞燈，?這樣只要使用15至20臺他朋友所喜歡的威廉·華萊士的發(fā)電機，就可以將整個紐約城市的下半?yún)^(qū)城市都點亮。?他很快就知道華萊士的發(fā)電機效率不高，無法實際使用。?于是他將自己能夠買到的發(fā)電機都買了一個，?將它們進行組合形成一個最好的發(fā)電機，?比所有購買到的發(fā)電機都好。?由于哈萊士發(fā)電機產(chǎn)生110V電壓，愛迪生新的發(fā)電機也輸出110V電壓。?這臺發(fā)電機被稱為長腿瑪麗·安妮，因為發(fā)電機有兩個很長的電磁鐵。

▲ 圖1.1.2 直流發(fā)電機

即使這個發(fā)電機的效率很高，但也花費了愛迪生數(shù)年的時間才完成城市大規(guī)模電燈點亮。?實際上從愛迪生給新聞報紙吹牛說他 已經(jīng)有了解決方案開始到大批量產(chǎn)生白熾燈以及建成了中心電站過去了整整四年。

三、愛迪生的供電系統(tǒng)

當愛迪生啟動第一個發(fā)電站輸出功率的時候，?發(fā)現(xiàn)更多的顧客使用流行供電電路，?因此在這條電路上出現(xiàn)了更多的電燈，相當于并聯(lián)更多的電阻，?所以相比于不流行供電線來說，這些流行電線上的電燈就比較暗的。

他的解決方案就是使用兩個直流發(fā)電機串聯(lián)，?中間有一個中心線。?這樣一個發(fā)電機輸出的電流從正極流出，從負極流入。?另外一個發(fā)電機的電流流向也相同。如果兩路電線供電是平衡的，那么中間電纜上就沒有電流流過。?此時仍然可以利用中間電纜來產(chǎn)生110V的電壓。

▲ 圖1.1.3 兩個發(fā)電機與三條供電線纜

如果兩路供電不平衡，那么就會在中間電纜上測量出電流。?根據(jù)中心線電流的方向與大小，可以通過開關(guān)改變連接方式重新使得系統(tǒng)返回平衡狀態(tài)。?這樣所有的燈都會有相同的亮度了。?通過這種方式可以使用三條線來替代原本四條供電電纜。?因為中間的電纜只有很少，甚至沒有電流流過，可以使用非常細的電線。?是用這種方式愛迪生可以對供電電纜系統(tǒng)減少大約60%的銅使用量。

另外，如果你希望使用更大功率的輸出，比如電動機，?那么你可以將其直接連接在上下兩個供電電纜上。?這樣就可以獲得220V的電壓。這就是他們實行的輸電方案。

▲ 圖1.1.4 愛迪生的三線供電方式

四、燈泡電壓

當時愛迪生能夠用于制作白熾燈燈絲的金屬是金屬鉑，?這種金屬非常昂貴，?很難大批量用于電燈泡的生產(chǎn)。?后來愛迪生使用竹子或者碳化棉來制作燈絲，這種白熾燈在220V下會燒斷。?愛迪生的競爭對手也使用相同的電燈，所以110V就變成了照明燈的電壓標準，220V則是電機的電壓標準。

在1904年發(fā)明家桑德爾·賈斯特與弗拉尼奧·哈奈曼使用金屬鎢制作白熾燈的燈絲。?這種燈不僅壽命長，而且可以忍受更高的電壓。?很快很多歐洲的公司出錢讓他們的顧客更換燈泡，使用這種新的金屬燈絲作的燈泡。?這樣他們就可以對所有的電器都是用相同的220V電壓了。

這種方式還可以節(jié)省費用，因為將高壓通過變壓器降低到220V比起110V可以節(jié)省更多的金屬。?同時在220V下變壓器輸出的電流也會減少，可以使用更細的電線在變壓器之后傳遞更遠的電能。?所以大部分歐洲的照明電壓都是220V，同樣由歐洲提供的發(fā)電設(shè)備的非洲以及 亞洲國家也使用220V作為照明電壓。

由于當時在美國，白熾燈的使用量已經(jīng)非常大了，所以無法跟上對舊燈泡替換的腳步。?比如在1909年，距離鎢絲燈泡已經(jīng)發(fā)明五年之后，在美國生產(chǎn)了1.4億只白熾燈泡來滿足市場巨大的需求。?其中已銷售的5300萬只碳絲燈泡，只能工作在110V電壓下。?十年之后，鎢絲燈泡制造商的產(chǎn)量提升了15倍，足以滿足所有美國照明使用。?此時盡管有很多電力系統(tǒng)都是220V電壓了。?但美國的電力系統(tǒng)被卡在了110V，包括那些依賴美國電氣公司的國家也只能使用110V電壓系統(tǒng)。

五、芝加哥城市

你也許感到很奇怪，?為什么美國有那么多的燈泡呢？這個還是與一個城市，芝加哥城市，有關(guān)系。?這個城市在十九世紀中晚期是世界上發(fā)展最快的城市。?在1840年芝加哥城市開始建設(shè)的時候還是一個非常小的城鎮(zhèn)，人口僅有4500人。?到了1847 年，連通密西西比河與大湖區(qū)的運河在芝加哥匯集。?這樣就使得城市繁榮起來，它成為交通樞紐。?兩年之后，加州又發(fā)現(xiàn)了黃金，大量的淘金者從東海岸涌向西海岸淘金來發(fā)家致富。?很多人在芝加哥中途停留，這樣使得當?shù)氐娜馐臣庸て髽I(yè)繁榮起來。

▲ 圖1.5.1 芝加哥城市

由于這些再加上其他未被提及的原因，?到了1870年芝加哥的人工就暴漲到30萬人，發(fā)展趨勢還在繼續(xù)。?由于人口暴漲，大量的廉價房屋被快速構(gòu)建起來，由于面積小，所以沒有衛(wèi)生間，也不太安全。?也許因為牛將照明油燈踢翻，或者煮飯爐火失去控制，引起了一場大火，整個城市焚燒殆盡。?這場火被稱為1871年芝加哥大火。

六、摩天大樓

此時芝加哥的建筑師則有大量的空地可以重新修建房屋。?建筑物都修建的很高，地皮仍然很貴， ?這是因為城市被湖泊、河流以及火車站包圍這，以及不斷涌入的人口造成的。?由于修建高層建筑，所以房屋墻壁就需要很厚。?鑄鐵往往在火種容易變形，所以在芝加哥不流行。?一個名叫威廉·詹妮的建筑師解決了這個問題。

故事可能是這樣的。這一天詹妮回到家里，他的老婆在看一本書。?看到老公回家了，老婆將書放在鳥籠的頂上。?看到此詹妮想出了一個好點子，可以使用金屬框架來將建筑物支撐起來，就像這個鳥籠可以支撐起厚書本那樣。?這樣就可以減少墻壁的厚度，使得建筑物的承重減少。?這個方式不只是讓建筑物稍微變大，而是可以建造非常高的建筑物。

在1884年詹妮設(shè)計了世界上第一座摩天大樓，?層高10層，用于房屋保險業(yè)務(wù)的建筑。?到了1893年，芝加哥就有了12座摩天大樓。都有16至20層高。?此時紐約才有4座摩天大樓，盡管紐約的人口非常多。

之所以提到1893年，是因為那一年，經(jīng)過激烈的爭論以及很多幕后賄賂，?芝加哥終于獲得了舉辦哥倫比亞世界博覽會的資格。?這次博覽會迎來了全球各地2千7百萬的訪客，大多數(shù)是美國人。?你知道當時美國總?cè)丝诓?千3百萬人。?這場成功展會之后，很多企業(yè)家決定作為城市容貌的驕傲，?也為了更好的生產(chǎn)商品，在他們所在的城市建造摩天大樓。

在1899年美國就有了62座摩天大樓，當時世界上其他地區(qū)加起來才有區(qū)區(qū)4座摩天大樓，分別位于日本、荷蘭、澳大利亞與英國。?這些大樓都需要電來照明，大部分的發(fā)電機都位于大樓的地下室。?因為無法將煤氣通道每一層來照明，因為太高了，再加上安全也得不到保證。

博覽會影響非常大，由于使用了交流電照明，電力系統(tǒng)是由西屋電器公司提供的。?由于使用了大量的電燈，這也是第一個在晚上進行的博覽會。很快所有的人都希望使用電燈，特別是那些商家。?這次博覽會也被認為是交流電與直流電之爭的終點，實際上爭論在一年前就正式結(jié)束了。

公眾對于交流與直流不關(guān)心，也對交流三相、兩相電或者單相電不關(guān)系，只關(guān)心電燈照明。?因此這次博覽會使得電燈出夠了風(fēng)頭，掩蓋交流勝出直流電的風(fēng)頭。

七、交流電壓

多年之后，很多國家的電力公司悄悄提高了照明電壓，來節(jié)省變壓器的成本?？梢钥吹胶芏鄧艺彰麟妷簶藴蕪?10V升高到120V，甚至127V。或者從220V提高到230V，或者240V。?只有日本比較奇怪，是唯一將室內(nèi)照明電壓降低到100V的國家，主要考慮到火災(zāi)原因。

到了1891年德國公司展示了一種三相電里傳輸系統(tǒng)，系統(tǒng)使用了三根線傳輸電流。?它們之間相位相差120度。電燈接在三根線與中線之間，或者與底線之間。?到了1920年所有電力系統(tǒng)都采用三相電系統(tǒng)，一直到現(xiàn)在。

▲ 圖1.7.1 三相電供電系統(tǒng)

從那之后，每個用電家庭的電插銷中有兩條線，一個是火線，?一個是中線，有時候還會有一個底線，或者保護線。?有的時候家用電器需要更多的功率，比如洗衣機、烘干機，這樣就會有兩條火線引入，形成四線插頭。?這樣烘干機就有了兩條火線供電，可以使用更多的電力。

▲ 圖1.1.6 四線插頭配置

有的地區(qū)兩條火線之間的相差120度，它們之間的電壓是單個火線與中線之間的電壓1.72倍。?有的地區(qū)兩個火線之間相位差為180度，這樣火線之間的電壓就是單個火線與中線之間電壓的2倍了。?這些使得室內(nèi)電壓配置種類令人眼火燎，與所在國家甚至不同地區(qū)的有關(guān)系。

八、后記

除了這些之外，還有更大的問題，為什么有的國家使用50Hz交流電，而有的國家使用60Hz。?為何造成這么大的混亂呢？

這一切都與一個被低估的發(fā)明家有關(guān)系，他的名字叫米哈伊爾·多利弗·多布羅夫斯基。?關(guān)于他 的故事下次我們再說。

編輯：黃飛

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