闪电的驯服者：电学的历史
History of 3-phase Electricity & Distribution

01 三相电力系统

一、前言

在电力传输系统中绝大多数使用三相交流电方式。那么它是如何工作的？又是如何被发明的？谁又发明了三相电力传输系统呢？下面让我们听Kathy老师讲讲其中的复杂故事，并且回答为何有的国家采用50Hz的交流电，有的国家使用60Hz的交流电，全球只有一个国家则各使用一半。

▲ 图1.1.1 三相交流输电系统

二、交流电表

为了讲清楚三相电力传输系统背后的故事，先要花一点时间说说三相交流发电机以及三相电动机，为此还需要提及乔治·威斯汀豪斯以及他的两相交流发电机和电动机。

▲ 图1.2.1 威斯汀豪斯与他的第一个交流发电机

资料表明这一切开始于1888年4月份，此时威斯汀豪斯在使用单相交流电为城市照明供电已经两年了，爱迪生因交流供电的事情也困扰了四个多月。此时企业联合会在协调铜市场，直流输电方面费用增加了，因为直流输电所使用金属铜是交流输电的3倍。然而威斯汀豪斯也有自己的问题，这些问题一时无法解决，但对对于爱迪生直流电已经不是问题了。比如威斯汀豪斯还无法将来回流动的交流电转换成电表以及电机所需要的圆周运动。

开始威斯汀豪斯最担心电表问题。如果没有可以使用的电表，只是按照统一接入格收取电费，这样就相当于鼓励用户尽可能多的使用电能。幸运的是，在1888年4月份，一名雇员夏伦伯格将一个弹簧放在设备两个金属片中间，这个弹簧居然旋转起来。一个月后，夏伦伯格制作出可以使用的交流电表。 8月份，他们就有市场上可以销售的电表了。工作在133赫兹的电表特别受欢迎，在10年期间总共销售了12万台。

▲ 图1.2.2 夏伦伯格与他的交流电表

三、交流电机

现在威斯汀豪斯有了交流电表，还需要交流电机，即在交流电驱动下能输出工业动力。在夏伦伯格发现旋转弹簧的几周之后，威斯汀豪斯从另外一个员工那里听说他之前的一个意大利教授，名叫伽利略·费拉里斯已经设计了新型交流发电机和对应的交流电机。费拉里斯的设计需要一个专用的发电机，分别使用两个线圈产生交流电，线圈A,B在空间上相差90度，两个线圈参数相同，使用同一个电磁铁感应出电流，所以它们会感应出相同频率的交流电，只是电压最大值在时间上有区别，也就是相位相差90度。由于这两套线圈有两个不同的相位，被称为两相交流发电机。

▲ 图1.3.1 费拉里斯的两相发电机

为了制作两相交流电机，费拉里斯将两相交流点分别连接两个线圈，两个线圈在空间上也相差90度，这样就在线圈中间产生旋转磁场。转子在两个线圈中间，旋转的磁场在转子中感应出涡流，这个涡流又会和两个线圈电流之间产生电磁力，从而使得转子旋转。

▲ 图1.3.2 交流电机

费拉里斯没有将他的想法申请专利，因为他认为这个方案不会产生工业所需动力。虽然费拉里斯免费将方案提供给威斯汀豪斯，但威斯汀豪斯还是支付给费拉里斯1000美元的费用。

四、特斯拉的交流电机

在同一时期，1888年，威斯汀豪斯听说32岁的塞尔维亚发明家，名叫尼古拉·特斯拉，向美国电气工程师学会展示了他的两相交流电机和发电机。他的交流电机非常强大，可以用于工业动力。

▲ 图1.4.1 特斯拉与他的交流电机

根据特斯拉的描述，他的两相电机和发电机与费力拉斯的设计相同。他认为费拉里斯教授不仅独立得到相同的理论结果，而且在最小的细节上都具有相同的方式。但无论如何，尼古拉·特斯拉对他的交流电机和发电机拥有美国专利。但威斯汀豪斯的律师认为特斯拉索求是不公正的。威斯汀豪斯认为西屋电气公司不能够允许其他人拥有可以制作出工作在交流电系统中的电机。

于是在1888年10月份，乔治·威斯汀豪斯的支付给尼古拉·特斯拉以及他的公司一笔17万美元巨款，购买特斯拉交流电机专利，这笔钱相当于现在的500万美元。此外还对将来公司售出电机还需支付 2.5美元每马力的永久持有权费用。这是一笔难以置信的巨款，在1900年尼古拉·特斯拉说，如果其他公司和制造商都像威斯汀豪斯先生这样公正和慷慨，我会比现在拥有更多的可以应用的发明。

▲ 图1.4.2 威斯汀豪斯与特斯拉

五、西屋电气公司

尽管西屋电气又投入了30万美元经费来研发特斯拉电机，使其可以输出工业动力，但始终电机功能无法满足需要。部分原因是因为特斯拉的电机设计工作在60赫兹的交流电，但西屋电气公司则希望电机工作在133赫兹交流电下，可以适配夏伦伯格的交流电表。

在1890年4月份，爱迪生公司商业间谍给爱迪生发送了一个幸灾乐祸的消息。威斯汀豪斯先生只有一套用于实验的交流设备，但实验失败了。现在威斯汀豪斯与发明交流电机的特斯拉正吵得不可开交。

一方面没有得到可以工业应用的交流电机，同时又和爱迪生公司开展了公关战，但威斯汀豪斯公司却运转非常良好。比如在1886年到1890年，西屋电气公司的销售额从每年15万美元增长到每年4百万美元。

▲ 图1.5.1 关于西屋电气盈利收入的描述

在1890年11月15日，一家英国银行倒闭了，英国和美国的经济与它都有关系。为了完成订单，西屋电气公司从该银行借了大量的贷款，现在他的公司也处在破产的边缘。银行希望资助公司，虽然他们各自经理意见不同。银行经理认为，威斯汀豪斯先生在实验上浪费了大量的资金，对于他希望得到的劳务和专利权慷慨支付了大量的资金。后来威斯汀豪斯对帮助他们的银行也给予了大量支持，并让原银行经理的职位得以保持，由此他决定必须获得更加商业利益。他决定停止对特斯拉电机的所有研究。

▲ 图1.5.2 西屋电气不再继续电机研究

六、米哈伊尔·多利弗·多布罗沃利斯基

虽然威斯汀豪斯在多相电机和发电机方面的研究工作停止了。但其他人还在继续为此努力。据资料可查最重要的一个人，是26岁的俄罗斯-波兰人，名叫米哈伊尔·多利弗·多布罗沃利斯基，他在为一家德国AEG公司工作。

▲ 图1.6.1 米哈伊尔·多利弗·多布罗夫斯基

在1888年晚些时候，在特斯拉因其两相电机出名之后的几个月，多利弗·多布罗沃利斯基认为特斯拉的两相电机，使用了两个完全独立相位差90度的交流电并没有特别的优势。在转子周围所产生的磁场会有大约40%的波动。多利弗·多布罗沃利斯基通过数学演算证明使用三相交流电可以将磁场波动减少到15%。于是他开始建造三相电的发电机和电动机，系统中具有三套线圈绕组。

▲ 图1.6.2 多利弗· 多布罗夫斯基的三相电机
也正是这个时期，多利弗·多布罗沃利斯基认识到三相电不仅仅对于电动机来说具有好处，也是一种全新的电力传输方式，使用三根线，替代六根。这个优势只有使用三相交流电才可以，任何一个时刻三相电的电流之和都等于0。这需要三相电处于平衡状态，幅度相同，相位相差120度。此时，你可以将三个线圈的一头当做地线连接在一起，另外三根线当做火线传输电能。这对于电能传输来讲非常关键，因为电能传输中最大的问题就是如何来降低成本，归根到底就是降低传输线路中金属铜的使用量。使用三相电可以将传输电能所消耗的电线减少一半，同时仍可使用三项目来驱动高压三相电机。

▲ 图1.6.3 三相电输出

不仅如此，在1889年8月份，多利弗·多布罗沃利斯基也同时对两种三相变压器申请了专利，根据他们连线形状分别称为delta变压器、星型或者Y型变压器。利用这些变压器，三相交流电可以通过升压，使用小电流来完成长距离的传输，相应的线路损耗很小。在用户端再使用变压器降压后保证用电安全。

▲ 图1.6.4 三相输电系统

但话又说回来了，使用单个火线该如何点亮电灯泡呢？实际上他并不是使用单个火线来点亮电灯。而是分别使用单个火线以及返回中线来点亮电灯。中线是人为增加的，如果三相电负载平衡，中线上没有电流流过，每个回路仍然可以工作。

除此之外，多利弗·多布罗沃利斯基也发现靠转子上涡流推动转子实际上效率不高。为了减少转子上的涡流，多利弗·多布罗沃利斯基在转子上增加了平行肋条，并在1889年申请了专利。有了肋条的转子看起来很像一个笼子。在1894年英国科学家，西尔瓦诺斯·汤普森称这种转子很像一个松鼠笼子，里面也足以关住一个松鼠。现在鼠笼式电机在电气工程中成为主流交流电机。在2017年的教科书中记载，多利弗·多布罗沃利斯基所设计的鼠笼电机如此完美，应用了一百多年几乎没有改变。

▲ 图1.6.5 鼠笼电动机

七、实际三相输电系统

时间返回1890年，多利弗·多布罗沃利斯基的三相电机以及电力传输系统让一位面容严肃男人印象很深，他的名叫奥斯卡·冯·弥勒，当时是弗兰克福电气展览会的技术指导。弥勒开始打算使用瀑布驱动的高压直流电来产生电能。这要求寻找一个瀑布，附近有提供安装水轮机组所需要的水泥厂，满足条件最近的大坝在德国劳芬，距离弗兰克福足足有175公里远。

▲ 图1.7.1 奥斯卡·冯·弥勒与法兰克福博览会

一开始弥勒寻找一位瑞士工程师，名叫查尔斯·布朗，当时他们公司正在测试水力发电站高压直流输电。经过反复考虑，弥勒还是决定使用令人激动的全新三相输电系统。于是他协调布朗公司，多利弗·多布罗夫斯基公司，德国政府以及水泥厂来推动这个技术的发展。

多利弗·多布罗沃利斯基利用劳芬瀑布推动的三相发电机产生三相电，使用星型变压器将55伏的交流电升高到惊人的8500伏交流电。然后使用了三条电线将电输送到法兰克福。这么高的电压时需要的，为了使用最细的电线。最终电线的直径只有5毫米，输电线路消耗铜的重量为60吨。

▲ 图1.7.2 劳芬至法兰克福输电系统

他们再使用另外一个星型变压器将高压降低到65伏，除了点亮一些电灯之外，还驱动了一个100马力的三相电机，来驱动一个人工瀑布。

他们使用了一个真正的瀑布，驱动发电机产生三相电，然后经过175公里的输电之后最终驱动一个电机来产生人工瀑布。这个系统当时看起来很酷。

▲ 图1.7.3 三相电机以及驱动的人工瀑布

对于这个长距离输电系统很多科学家认为它不可能实现，但结果是经过那么长距离传输之后，有74%的电力最终传到用户端。这个工程被报纸称为“简直太壮观了”。在电气工程杂志一篇记录文章对此评价到，毫不夸张的说，自从那神秘的自然力量可以为人类服务以来，劳芬到法兰克林电力传输系统是人类在电气技术方面所做的最困难最重大的实验。

这是第一个输电系统，在很多方面都与现在输电系统相同，现在我们依然在使用相同方式的三相delta变压器、星型变压器。

但是不要对大多数室内电气的插头都是三个插头搞混了，以为那就是三相电。实际上大多数室内家电插头上只有一个火线，另外两个分别是中线以及保护地线，地线往往是连接附近地下的金属板。

▲ 图1.7.4 家用电器插头

八、荣誉被低估

但是多利弗·多布罗沃利斯基不太善于表达，对他的系统的优越性推广不够。很多人对于两相、三相也会混淆。这两种都被成为多相交流电，这是西尔瓦诺斯·汤普森取得另外一个名字，现在我们还在使用。

可能多利弗·多布罗沃利斯基没有意识到，在输电系统中他的合作伙伴查尔斯·布朗嫉妒他所获得的的关注，以及三相电所得到的关注。在1891年十月份的杂志专栏文章中，作者写道，使用三相电会遇到很多困难，但多亏了多利弗·多布罗沃利斯基才使得在劳芬-法兰克福展示工程中的建造改进没有任何闪失。对此布朗声称，用在法兰克福中的三相电技术来自于特斯拉的劳动成果，在其申请的专利中都进行了清晰具体说明。

▲ 图1.8.1 特斯拉的三相发电机

也许你认为布朗说话中并没有最后的注释，下面对此进行解释。在1888年，特斯拉不仅仅申请了2相交流发电机，也申请了三相交流发电机。如果多利弗·多布罗沃利斯基知道特斯拉三相电机，他应该强调特斯拉使用六根传输线，而不是三根，反映出三相三线输电系统的优势。但他没有提及这些。只是强调两相电机与三相电机之间的优劣。

由于多利弗·多布罗沃利斯基不会说英语，但布朗可以说应用，系统又是如此复杂，所以很多人相信是特斯拉发明所有的三相输电系统，对于多利弗·多布罗沃利斯基的影响忽略了。这些随着岁月流逝逐步可以理清楚。

九、世界博览会

在1891年5月21日，大约在芝加哥博览会会开幕1周之后，尼古拉的赞助人推动他对自己的最新设备，也就是特斯拉线圈进行第一次展示。

▲ 图1.9.1 尼古拉· 特斯拉的展示

特斯拉线圈立即在全球范围内获得了成功。虽说三相输电系统可以节省50% 的电线，但是特斯拉线圈可以不使用任何电线就能点亮灯泡，只要灯泡靠近特斯拉线圈。整个世界几乎都成为特斯拉狂热分子。在电子工程师杂志上的一篇报告中说道，在我们这个时代没有一个人能够像特斯拉这位天才年轻电气工程师那样通过一次活动获得如此广泛科技声誉。

▲ 图1.9.2 对特斯拉发出赞誉的杂志

就是在这关键时期，威斯汀豪斯决定重新投资来使得两相电机可以用于工业驱动。为何这样确信是因为他的一位工程师认为60赫兹交流电可以长距离输电，线路损失比133赫兹小。另外一个工程师，本杰明·拉米声称可以改进特斯拉电机绕组使其可以用于工业用途。征得特斯拉以及他的资助人的同意，特斯拉的资助者拥有54%的专利权，西屋电气公司可以免除电机每马力2.5美元的专利费用。

在1891年晚些时候，本杰明·拉米被允许搭建他的两相交流电机。在1892年年初就获得了工业可用的的两相电机。据拉米所说，这是西屋电气公司产生的第一台可以使用的交流电机，具有现代交流电机的所有特征。

正当1893年芝加哥世界博览会临近，西屋电气公司开会商讨如何商业推广特斯拉电机，本杰明· 拉米建议他们需要让多相交流发电机成为时尚，这样所有人就会购买它，电动机的推广问题也就随之解决了。一年后拉米回忆道，建造多相交流发电机标准生产线的公司指令立即作出，并在任何时候任何场合来推广多相交流发电机。

▲ 图1.9.3 使用两台单相电机组成多相发电机

然后，威斯汀豪斯意识到，在博览会方面他遇到了麻烦，现在公司还没有任何一个大功率两相发电机，研制的时间也不够了，三相发电机更别提了。拉米回忆道，威斯汀豪斯建议使用两台单相交流发电机，将它们交错排列形成90度空间相位差。这是向多相供电系统前进了一小步。

在这个小把戏的基础上，他甚至在博览会上张贴了一个告示，说博览会是由特斯拉多相供电系统提供电能。威斯汀豪斯也邀请特斯拉到西屋电气公司博览会分馆来进行演示，主要是展示西屋电气与特斯拉在所有方面的联系。

▲ 图1.9.4 西屋电气再博览会上张贴的告示

十、通用电气与西屋电气

在1892年，博览会的前一年，爱迪生通用电气与其他公司合并，爱迪生被公司开除，并将公司名称中的爱迪生去掉，只剩下通用电气。抛开爱迪生对交流电的偏见，通用电气从一个直流电公司一跃成为三相交流电的领导者。此时拉米成为西屋电气的首席工程师，他回来回忆道。有两套多相交流电系统，一个是两相系统，一个是三相系统。西屋电气被认为是从事推广两相交流电的公司，通用电气是从事推广三相交流电的公司。虽然这两家公司都是同时在推广使用两种多相交流电系统。

▲ 图1.10.1 通用电气

在博览会之后，威斯汀豪斯花费大量金钱来起诉特斯拉两相电与三相电侵权的公司。在1896年4月份，威斯汀豪斯支付特斯拉21.66万美元，为的是特斯拉与通用电气技术共享的合同，这个协议几乎让两家公司可以在多相电应用方面按照自己的想法进行发展。电气市场也基本上被这两家公司所垄断。

在这期间他们对于特斯拉的发明大谈特谈，而对多利弗·多布罗夫斯基则进行打压。此时多利弗·多布罗夫斯基仍然在为AEG公司工作，并成为公司的首席工程师，并帮助公司在欧洲、亚洲以及非洲成为输电行业的领头羊。

十一、交流电频率

由于多利弗·多布罗沃利斯基通过实验证明高频交流点会造成更多的输电损失，开始他使用40赫兹的交流电，由来因为灯泡闪烁令人不舒服，由此将交流电频率提升到50赫兹，并保持到如今。特斯拉则坚持使用60赫兹交流电，所以美国使用的交流电是60赫兹，那些使用通用电气或者西屋电气提供的供电系统国家也使用60赫兹的交流电。

这其中唯一的一个奇葩是日本，多利弗·多布罗沃利斯基公司 AEG在1895年东京提供电力输送技术，使用50赫兹交流电。通用电气在1896年为大阪提供输电系统，使用60赫兹交流电。所以日本全国分成两个部分，一部分使用50赫兹交流电，一部分使用60赫兹的交流电。

▲ 图1.11.1 日本交流电频率分布

在1914年第一次世界大战开始了，多利弗·多布罗沃利斯基明智的认为对于俄国人来说德国不是一个安全的地方，于是大部分工作都搬到了瑞士，并把俄国国籍改成了瑞士国籍。在1918年，俄国退出第一次世界大战，多利弗·多布罗沃利斯基回到了德国，又一次忙于俄国革命。那个时候多利弗·多布罗沃利斯基有了心脏病，并在1919年11月死于心脏病发作。

▲ 图1.11.2 老年时代的多利弗·多布罗夫斯基

德国在第一次世界大战中期战败，人们喜欢讨论那些在最需要的时候抛弃他们的俄国波兰人成就。俄国此时忙于国内革命，对那些在德国取得成就的人由于各种荣誉，激起他们俄国市民的认同感，但这些人并没有参与他们的革命。

十二、后记

美国人都认为是特斯拉发明了交流电，将相应的专利转移给通用电气与即西屋电气。对于多利弗·多布罗沃利斯基也对交流电作出了杰出的贡献，他的去世人们非常伤心。但对于他的贡献并没有得到人们的认可，这对他来说是不公平的。

作为结论，如果你问谁第一个发明了三相交流电机和发电机，答案是非常清楚的，是尼古拉·特斯拉。他在1888年申请了三相电动机和发电机的专利。如果你问是谁首次展示了三相电的输电系统，以及鼠笼电机以及更多，答案是不同的。应该是米哈伊尔·多利弗·多布罗夫斯基。

在1891年多利弗·多布罗沃利斯基写到，费拉里斯教授以及特斯拉先生发现的科学价值不能够被低估，但第一个实际构建出并能实际应用的旋转三相电流系统毫无疑问这个荣誉应该归功于我们公司，我们将整个系统带到一个完美的高度。

▲ 图1.12.1 多利弗·多布罗夫斯基对交流电的贡献

如果你想知道那位科学家发现高频交流电会带来更大的输电损失，又是谁把通用电气从直流电系统代入三相交流电系统，是另外一位科学家，他没有获得应有的知名度，他是查尔斯·斯坦梅茨，他具有超凡魅力又非常古怪，被称为斯克内克塔迪奇才。关于他的传奇故事，下次我们再说。

■ 相关文献链接:

闪电的驯服者：电学的历史
History of 3-phase Electricity & Distribution

● 相关图表链接:

图1.1.1 三相交流输电系统
图1.2.1 威斯汀豪斯与他的第一个交流发电机
图1.2.2 夏伦伯格与他的交流电表
图1.3.1 费拉里斯的两相发电机
图1.3.2 交流电机
图1.4.1 特斯拉与他的交流电机
图1.4.2 威斯汀豪斯与特斯拉
图1.5.1 关于西屋电气盈利收入的描述
图1.5.2 西屋电气不再继续电机研究
图1.6.1 米哈伊尔·多利弗·多布罗夫斯基
图1.6.2 多利弗· 多布罗夫斯基的三相电机
图1.6.3 三相电输出
图1.6.4 三相输电系统
图1.6.5 鼠笼电动机
图1.7.1 奥斯卡·冯·弥勒与法兰克福博览会
图1.7.2 劳芬至法兰克福输电系统
图1.7.3 三相电机以及驱动的人工瀑布
图1.7.4 家用电器插头
图1.8.1 特斯拉的三相发电机
图1.9.1 尼古拉· 特斯拉的展示
图1.9.2 对特斯拉发出赞誉的杂志
图1.9.3 使用两台单相电机组成多相发电机
图1.9.4 西屋电气再博览会上张贴的告示
图1.10.1 通用电气
图1.11.1 日本交流电频率分布
图1.11.2 老年时代的多利弗·多布罗夫斯基
图1.12.1 多利弗·多布罗夫斯基对交流电的贡献

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