我们现在在新时代,用电的电器已经不只是灯泡了,我们主要的用电器已经是手机了。现在人类仿佛抱着手机可以过一辈子。不要电灯、不需要冰箱、不需要洗衣机;手机搞定一切……手机内部的电池充放电都是直流电,很多用电器内部都是 AD/DC,转成直流,再给半导体芯片供电,包括照明现在都是用 LED 了,用交流电供电也是要转成直流。

 

最近在做个项目,涉及 AC/DC 电源设计,由于 AC/DC 由于功率增加带来了诸多麻烦,设计复杂度比 DCDC 要多得多,所以反问一个很基础的问题:为什么半导体都是用直流电,但是发电厂送来的都是交流电?

 

而人类最早用电的需求就是来自照明,就跟在夜晚时候,一个灯泡就可以点亮黑暗,而不是跟古代人一样用昏暗的蜡烛来照明。所以这就让我们要感激当时在地球上发明了灯泡的爱迪生,他是在 19 世纪享誉盛名的天才发明家。

 

 

而上帝就在他那个年代,放置了一个同样也是拥有几百项发明专利的青年才俊特斯拉,而他们两位就在相同的领域,并且每个人都具备大量发明专利的情况下,展开了一场世纪大战,那就是来自交流电跟直流电的纷争。

 

 

而这就牵扯到这两位天才发明家在地球上的地位,所以在当时两者为了赢得全世界的赞誉都是煞费苦心,爱迪生代表了直流电这一边,而特斯拉就代表了交流电这一侧,曾经的交流电直流电之争在目前来看,当时还是相当精彩。

 

 

当年那个电器大量开始出现的年代,爱迪生为了赢取大家的认可,不惜用交流电电死了一头健壮的牛,劝告人们要远离交流电,而最终的结果却出乎意料,那就是特斯拉代表的交流电赢了爱迪生的直流电。而这其中,这两种电究竟有何区别?

 

 

流电跟直流电在本质上来说,其实就是方向跟大小这两者的问题,也就是说直流电就是一直大小不改变方向也不改变的电流,而交流电则就是会改变方向跟大小的电流,两者拥有如此巨大的差距,能够让特斯拉的交流电胜出,这是地球上科技发展的必然趋势。

 

 

 

为在随着用电时代的到来,大部分地区都开始远距离输送电流,每家每户的电都是通过电厂在冗长的电线中输送过去,而在这样远距离的输送过程中,要是一直利用直流电来输送,不方便进行升压,如果用低压传输就会出现电力大量浪费的情况,不利于经济节约是小事,传输线会因为电流过大无法承载大功率的应用。

 

 

 

随着电器数量越来越多,功率越来越大,传输距离越来越远的时代发展,直流电必然就不能够跟交流电相提并论,用交流电就是便利,只需要在电厂这里输出端降低电流,并且可以在中途输送过程中变换方向,完全就能够在长距离的输送上减少损耗,而即将达到用户端的时候,就可以适当变压,达到预期的电路效果。

 

 

然直流电在目前来说,虽然在远距离输送电流方面上不如交流电,依然还是能够在半导体材料中找到它的一席之地,这是交流电不能够替代的。

 

 

上目前在全球提倡绿色低碳的角度上,在环境友好型的电子设备中,依然有着直流电发挥的地方,能够让很多设备兼容这种单向传递的直流电输送。

 

一项发明,在历史长河中是否具有生命力,取决于它的实用价值。例如拉链,被誉为最伟大的发明,其道理也基于此。


题主其实谈的是电能问题。

 

我们知道,电能包括发电、输送电、配电和用电四大过程。


1. 发电和输送电的升压和降压

在发电和输送电的过程中,有一个关键的设备,就是变压器。


为何要用变压器来改变电压?


我们知道,电能的传输导线是具有电阻的,传输导线所消耗的电能功率 Pline 为:

 

 

这里的 I 就是流过导线的电流。


可见,为了减小线路损耗,就要减小电流。事实上,输送电消耗掉的电能,占总发电电能的比例不可小觑。减小输送电的线路损耗,有很大的意义。

 


而要减小电流,最方便的就是利用变压器了。如果我们忽略掉变压器的各种损耗,例如铁损、铜损等等,则变压器两侧的功率基本相等。把变压器某侧的电压升高,该侧的电流自然就减小了。
不过,变压器只能工作在交流电路中,不能工作在直流状态下。

我们来看变压器的工作原理:

 


忽略变压器的损耗,则有:

 

 

在这里,U1 和 I1 是变压器一次侧的电压和电流,U2 和 I2 是变压器二次侧的电压和电流,K 是变比。


我们看到,只要把 U2 提高,则 I2 自然就小了,于是在输配电线路的起始端,我们把电压给升高,在输配电线路的末端,我们再把电压给降下来。这样就减小了线路损耗。


交流传输线上的高压电和超高压电其用途就在于此。


我们看到,利用变压器,交流电压的高低变换何其方便。

 

但直流电可以升压吗?当然可以,但相对交流升压来说,要麻烦很多,且成本要高很多。除非是长距离输送电,否则不划算。


可见,在发电和输送电中,交流电比直流电要方便很多,成本也低廉很多。

 

不过,也不是说直流就没有优势。交流线路电阻与直流相比,还多了趋肤效应和邻近效应,因此同样的导线,交流线路电阻大于直流线路电阻。换句话说,其实交流的线路损耗大于直流的线路损耗。


也因此,采用直流长距离输送电,也是人们追求的目标之一。


我国在这方面走在世界前列,我国的世界首条±800kV 的直流输电线路正在平稳高效安全地运行中。

 

2. 配电方面的问题

在输送电的末端,需要分配电能,这就需要使用配电电器。配电电器的主要元件是各类隔离开关和断路器。


对于开关电器来说,灭弧是个大问题。电弧会烧蚀触头,产生巨大的热冲击,严重影响到开关设备的稳定工作。

 


交流电和直流电相比,每个周波有两次过零,而过零时,电弧也自动熄灭,所以交流电器的灭弧能力强于直流电器。


有一个参数,它描述的是电弧熄灭后电弧介质气体的恢复过程和恢复强度,用 Ujf 来表达;另外一个参数,它描述的是电弧熄灭后,电压上升过程和强度,用 Uhf 来表达。所谓介质气体的恢复,指的是气体从电弧的等离子状态恢复为正常气体状态,显然,它与时间有关,也与气体性质有关。


如果:

 

 

也即,介质恢复强度大于电压恢复强度,则电弧将不会不重新燃烧。

 


上图中,在时刻 0,交流电弧过零熄灭。但过零后,Ujf2 小于 Uhf,所以交流电弧重燃;Ujf1>Uhf,所以交流电弧不再重燃,并且彻底地熄灭。


不过,直流电弧可没这么好,它根本就不会过零。


我们看下图:

 


上图是 GIS 复合开关,一般用于高压配电网。GIS 看起来象一只只的锅炉,大筒子里就是开关,开关周围充满了六氟化硫气体。六氟化硫气体的特点是分子量大,非常稳定,绝缘性能特别好,所以用来在高压电器中加强灭弧,提高 Ujf。


    不过,六氟化硫是温室气体。因此人们期望能找到一种气体替代它。真空就是一种好办法。


    可见灭弧是多么重要的一件事。在这方面,直流电比交流电要逊色多了。因此,同样的开关电器,用在直流就必须降容。为了改善直流开关电器的灭弧能力,人们在电弧烧蚀的材料中镀上一层特种膜,在高温烧烤下,能释放出类似六氟化硫的气体,以此提高介质恢复强度。


3. 用电电器方面

在用电电器方面,最典型的就是交流鼠笼式异步电动机了。相对直流电机,它价格低廉,工作可靠,性能稳定,也无须更换碳刷。


因此,直流电机完全比不上交流电机的方便、实用和可靠,直流电机的应用面也要小很多。不可否认的是,直流电机的调速性能良好,但自从有了变频器,交流电机的调速问题也解决了,直流电机的优点也被削弱了。

 


4. 电源变换方面

交流电变成直流电,十分方便,采用整流电路就可以了。但直流电要变成交流电,需要配套逆变器,相对麻烦得多。