一、前言
在電力傳輸系統中絕大多數使用三相交流電方式。那麼它是如何工作的？ 又是如何被發明的？誰又發明了三相電力傳輸系統呢？下面讓我們聽Kathy老師講講其中的複雜故事，並且回答為何有的國家採用50Hz的交流電，有的國家使用60Hz的交流電，全球只有一個國家則各使用一半。
▲ 圖1.1.1 三相交流輸電系統
二、交流電錶
為了講清楚三相電力傳輸系統背後的故事，先要花一點時間說說三相交流發電機以及三相電動機，為此還需要提及喬治·威斯汀豪斯以及他的兩相交流發電機和電動機。
▲ 圖1.2.1 威斯汀豪斯與他的第一個交流發電機
資料表明這一切開始於1888年4月份，此時威斯汀豪斯在使用單相交流電為城市照明供電已經兩年了，愛迪生因交流供電的事情也困擾了四個多月。此時企業聯合會在協調銅市場，直流輸電方面費用增加了，因為直流輸電所使用金屬銅是交流輸電的3倍。然而威斯汀豪斯也有自己的問題，這些問題一時無法解決，但對對於愛迪生直流電已經不是問題了。比如威斯汀豪斯還無法將來迴流動的交流電轉換成電錶以及電機所需要的圓周運動。
開始威斯汀豪斯最擔心電錶問題。如果沒有可以使用的電錶，只是按照統一接入格收取電費，這樣就相當於鼓勵用戶儘可能多的使用電能。幸運的是，在1888年4月份，一名僱員夏倫伯格將一個彈簧放在設備兩個金屬片中間，這個彈簧居然旋轉起來。一個月後，夏倫伯格製作出可以使用的交流電錶。8月份，他們就有市場上可以銷售的電錶了。工作在133赫茲的電錶特別受歡迎，在10年期間總共銷售了12萬台。
▲ 圖1.2.2 夏倫伯格與他的交流電錶
三、交流電機
現在威斯汀豪斯有了交流電錶，還需要交流電機，即在交流電驅動下能輸出工業動力。在夏倫伯格發現旋轉彈簧的幾周之後， 威斯汀豪斯從另外一個員工那裡聽說他之前的一個意大利教授，名叫伽利略·費拉里斯已經設計了新型交流發電機和對應的交流電機。費拉里斯的設計需要一個專用的發電機，分別使用兩個線圈產生交流電，線圈A,B在空間上相差90度，兩個線圈參數相同，使用同一個電磁鐵感應出電流，所以它們會感應出相同頻率的交流電，只是電壓最大值在時間上有區別，也就是相位相差90度。由於這兩套線圈有兩個不同的相位，被稱為兩相交流發電機。
▲ 圖1.3.1 費拉里斯的兩相發電機
為了製作兩相交流電機，費拉里斯將兩相交流點分別連接兩個線圈，兩個線圈在空間上也相差90度，這樣就在線圈中間產生旋轉磁場。轉子在兩個線圈中間，旋轉的磁場在轉子中感應出渦流，這個渦流又會和兩個線圈電流之間產生電磁力，從而使得轉子旋轉。
▲ 圖1.3.2 交流電機
費拉里斯沒有將他的想法申請專利，因為他認為 這個方案不會產生工業所需動力。雖然費拉里斯免費將方案提供給威斯汀豪斯，但威斯汀豪斯還是支付給費拉里斯1000美元的費用。
四、特斯拉的交流電機
在同一時期，1888年，威斯汀豪斯聽說32歲的塞爾維亞發明家，名叫尼古拉·特斯拉，向美國電氣工程師學會展示了他的兩相交流電機和發電機。他的交流電機非常強大，可以用於工業動力。
▲ 圖1.4.1 特斯拉與他的交流電機
根據特斯拉的描述，他的兩相電機和發電機與費力拉斯的設計相同。他認為費拉里斯教授不僅獨立得到相同的理論結果，而且在最小的細節上都具有相同的方式。但無論如何，尼古拉·特斯拉對他的交流電機和發電機擁有美國專利。但威斯汀豪斯的律師認為特斯拉索求是不公正的。但是威斯汀豪斯認為西屋電氣公司不能夠允許其他人擁有可以製作出工作在交流電系統中的電機。
於是在1888年10月份，喬治·威斯汀豪斯的支付給尼古拉·特斯拉以及他的公司一筆17萬美元巨款購買特斯拉交流電機專利，這筆錢相當於現在的500萬美元。此外還對將來公司售出電機還需支付 2.5美元每馬力的永久持有權費用。這是一筆難以置信的巨款，在1900年尼古拉·特斯拉說，如果其他公司和製造商都像威斯汀豪斯先生這樣公正和慷慨，我會比現在擁有更多的可以應用的發明。
▲ 圖1.4.2 威斯汀豪斯與特斯拉
五、西屋電氣公司
儘管西屋電氣又投入了30萬美元經費來研發特斯拉電機，使其可以輸出工業動力，但始終電機功能無法滿足需要。部分原因是因為特斯拉的電機設計工作在60赫茲的交流電，但西屋電氣公司則希望電機工作在133赫茲交流電下，可以適配夏倫伯格的交流電錶。
在1890年4月份，愛迪生公司商業間諜給愛迪生髮送了一個幸災樂禍的消息。威斯汀豪斯先生只有一套用於實驗的交流設備，但實驗失敗了。現在威斯汀豪斯與發明交流電機的特斯拉正吵得不可開交。
雖然一方面沒有得到可以工業應用的交流電機，又和愛迪生公司開展了公關戰， 但威斯汀豪斯公司卻運轉非常良好。比如在1886年到1890年， 西屋電氣公司的銷售額從每年15萬美元增長到每年4百萬美元。
▲ 圖1.5.1 關於西屋電氣盈利收入的描述
在1890年11月15日，一家英國銀行倒閉了，英國和美國的經濟與它都有關係。為了完成訂單，西屋電氣公司從該銀行借了大量的貸款，現在他的公司也處在破產的邊緣。銀行希望資助公司，雖然他們各自經理意見不同。銀行經理認為，威斯汀豪斯先生在實驗上浪費了大量的資金，對於他希望得到的勞務和專利權慷慨支付了大量的資金。後來威斯汀豪斯對幫助他們的銀行也給予了大量支持，並讓原銀行經理的職位得以保持，由此他決定必須獲得更加商業利益。他決定停止對特斯拉電機的所有研究。
▲ 圖1.5.2 西屋電氣不再繼續電機研究
六、米哈伊爾·多利弗·多布羅沃利斯基
雖然威斯汀豪斯在多相電機和發電機方面的研究工作停止了。但其他人還在繼續為此努力。據資料可查最重要的一個人，是26歲的俄羅斯-波蘭人，名叫米哈伊爾·多利弗·多布羅沃利斯基，他在為一家德國AEG公司工作。
▲ 圖1.6.1 米哈伊爾·多利弗·多布羅夫斯基
在1888年晚些時候，在特斯拉因其兩相電機出名之後的幾個月，多利弗·多布羅沃利斯基認為特斯拉的兩相電機，使用了兩個完全獨立相位差90度的交流電並沒有特別的優勢。在轉子周圍所產生的磁場會有大約40%的波動。多利弗·多布羅沃利斯基通過數學演算證明使用三相交流電可以將磁場波動減少到15%。於是他開始建造三相電的發電機和電動機，系統中具有三套線圈繞組。
▲ 圖1.6.2 多利弗· 多布羅夫斯基的三相電機
也正是這個時期，多利弗·多布羅沃利斯基認識到三相電不僅僅對於電動機來說具有好處，也是一種全新的電力傳輸方式，使用三根線，替代六根。 這個優勢只有使用三相交流電才可以，任何一個時刻三相電的電流之和都等於0。這需要三相電處於平衡狀態，幅度相同，相位相差120度。此時，你可以將三個線圈的一頭當做地線連接在一起，另外三根線當做火線傳輸電能。這對於電能傳輸來講非常關鍵，因為電能傳輸中最大的問題就是如何來降低成本，歸根到底就是降低傳輸線路中金屬銅的使用量。使用三相電可以將傳輸電能所消耗的電線減少一半，同時仍可使用三項目來驅動高壓三相電機。
▲ 圖1.6.3 三相電輸出
不僅如此， 在1889年8月份，多利弗·多布羅沃利斯基也同時對兩種三相變壓器申請了專利，根據他們連線形狀分別稱為delta變壓器、星型或者Y型變壓器。利用這些變壓器，三相交流電可以通過升壓，使用小電流來完成長距離的傳輸，相應的線路損耗很小。在用戶端再使用變壓器降壓後保證用電安全。
▲ 圖1.6.4 三相輸電系統
但話又說回來了，使用單個火線該如何點亮電燈泡呢？實際上他並不是使用單個火線來點亮電燈。而是分別使用單個火線以及返回中線來點亮電燈。中線是認為增加的，如果三相電負載平衡，中線上沒有電流流過，每個迴路仍然可以工作。
除此之外，多利弗·多布羅沃利斯基也發現靠轉子上渦流推動轉子實際上效率不高。為了減少轉子上的渦流，多利弗·多布羅沃利斯基在轉子上增加了平行肋條，並在1889年申請了專利。有了肋條的轉子看起來很像一個籠子。在1894年英國科學家，西爾瓦諾斯·湯普森稱這種轉子很像一個松鼠籠子，裡面也足以關住一個松鼠。現在鼠籠式電機在電氣工程中成為主流交流電機。在2017年的教科書中記載，多利弗·多布羅沃利斯基所設計的鼠籠電機如此完美，應用了一百多年幾乎沒有改變。
▲ 圖1.6.5 鼠籠電動機
七、實際三相輸電系統
時間返回1890年，多利弗·多布羅沃利斯基的三相電機以及電力傳輸系統讓一位面容嚴肅男人印象很深，他的名叫奧斯卡·馮·彌勒，當時是弗蘭克福電氣展覽會的技術指導。彌勒開始打算使用瀑布驅動的高壓直流電來產生電能。這要求尋找一個瀑布，附近有提供安裝水輪機組所需要的水泥廠，滿足條件最近的大壩在德國勞芬，距離弗蘭克福足足有175公里遠。
▲ 圖1.7.1 奧斯卡·馮·彌勒與法蘭克福博覽會
一開始彌勒尋找一位瑞士工程師，名叫查爾斯·布朗，當時他們公司正在測試水力發電站高壓直流輸電。經過反覆考慮，彌勒還是決定使用令人激動的全新三相輸電系統。於是他協調布朗公司，多利弗·多布羅夫斯基公司，德國政府以及水泥廠來推動這個技術的發展。
多利弗·多布羅沃利斯基利用勞芬瀑布推動的三相發電機產生三相電，使用星型變壓器將55伏的交流電升高到驚人的8500伏交流電。然後使用了三條電線將電輸送到法蘭克福。這麼高的電壓時需要的，為了使用最細的電線。最終電線的直徑只有5毫米，輸電線路消耗銅的重量為60噸。
▲ 圖1.7.2 勞芬至法蘭克福輸電系統
他們再使用另外一個星型變壓器將高壓降低到65伏，除了點亮一些電燈之外，還驅動了 一個100馬力的三相電機，來驅動一個人工瀑布。
他們使用了一個真正的瀑布，驅動發電機產生三相電，然後經過175公里的輸電之後最終驅動一個電機來產生人工瀑布。這個系統當時看起來很酷。
▲ 圖1.7.3 三相電機以及驅動的人工瀑布
對於這個長距離輸電系統很多科學家認為它不可能實現，但結果是經過那麼長距離傳輸之後，有74%的電力最終傳到用戶端。這個工程被報紙稱為“簡直太壯觀了”。在電氣工程雜誌一篇記錄文章對此評價到，毫不誇張的說，自從那神秘的自然力量可以為人類服務以來，勞芬到法蘭克林電力傳輸系統是人類在電氣技術方面所做的最困難最重大的實驗。
這是第一個輸電系統，在很多方面都與現在輸電系統相同，現在我們依然在使用相同方式的三相delta變壓器、星型變壓器。
但是不要對大多數室內電氣的插頭都是三個插頭搞混了，以為那就是三相電。實際上大多數室內家電插頭上只有一個火線，另外兩個分別是中線以及保護地線，地線往往是連接附近地下的金屬板。
▲ 圖1.7.4 家用電器插頭
八、榮譽被低估
但是多利弗·多布羅沃利斯基不太善於表達，對他的系統的優越性推廣不夠。很多人對於兩相、三相也會混淆。這兩種都被成為多相交流電，這是西爾瓦諾斯·湯普森取得另外一個名字，現在我們還在使用。
可能多利弗·多布羅沃利斯基沒有意識到，在輸電系統中他的合作夥伴 查爾斯·布朗嫉妒他所獲得的的關注，以及三相電所得到的關注。在1891年十月份的雜誌專欄文章中，作者寫道，使用三相電會遇到很多困難，但多虧了多利弗·多布羅沃利斯基才使得在勞芬-法蘭克福展示工程中的建造改進沒有任何閃失。對此布朗聲稱，用在法蘭克福中的三相電技術來自於特斯拉的勞動成果，在其申請的專利中都進行了清晰具體說明。
▲ 圖1.8.1 特斯拉的三相發電機
也許你認為布朗說話中並沒有最後的注釋，下面對此進行解釋。在1888年，特斯拉不僅僅申請了2相交流發電機，也申請了三相交流發電機。如果多利弗·多布羅沃利斯基知道特斯拉三相電機，他應該強調特斯拉使用六根傳輸線，而不是三根，反映出三相三線輸電系統的優勢。但他沒有提及這些。只是強調兩相電機與三相電機之間的優劣。
由於多利弗·多布羅沃利斯基不會說英語，但布朗可以說應用，系統又是如此複雜，所以很多人相信是特斯拉發明所有的三相輸電系統，對於多利弗·多布羅沃利斯基的影響忽略了。這些隨着歲月流逝逐步可以理清楚。
九、世界博覽會
在1891年5月21日，大約在芝加哥博覽會會開幕1周之後，尼古拉的贊助人推動他對自己的最新設備，也就是特斯拉線圈進行第一次展示。
▲ 圖1.9.1 尼古拉· 特斯拉的展示
特斯拉線圈立即在全球範圍內獲得了成功。雖說三相輸電系統可以節省50% 的電線，但是特斯拉線圈可以不使用任何電線就能點亮燈泡，只要燈泡靠近特斯拉線圈。整個世界幾乎都成為特斯拉狂熱分子。在電子工程師雜誌上的一篇報告中說道，在我們這個時代沒有一個人能夠像特斯拉這位天才年輕電氣工程師那樣通過一次活動獲得如此廣泛科技聲譽。
▲ 圖1.9.2 對特斯拉發出讚譽的雜誌
就是在這關鍵時期，威斯汀豪斯決定重新投資來使得兩相電機可以用於工業驅動。為何這樣確信是因為他的一位工程師認為60赫茲交流電可以長距離輸電，線路損失比133赫茲小。另外一個工程師，本傑明·拉米聲稱可以改進特斯拉電機繞組使其可以用於工業用途。徵得特斯拉以及他的資助人的同意，特斯拉的資助者擁有54%的專利權，西屋電氣公司可以免除電機每馬力2.5美元的專利費用。
在1891年晚些時候，本傑明·拉米被允許搭建他的兩相交流電機。在1892年年初就獲得了工業可用的的兩相電機。據拉米所說，這是西屋電氣公司產生的第一台可以使用的交流電機，具有現代交流電機的所有特徵。
正當1893年芝加哥世界博覽會臨近，西屋電氣公司開會商討如何商業推廣特斯拉電機，本傑明· 拉米建議他們需要讓多相交流發電機成為時尚，這樣所有人就會購買它，電動機的推廣問題也就隨之解決了。一年後拉米回憶道，建造多相交流發電機標準生產線的公司指令立即作出，並在任何時候任何場合來推廣多相交流發電機。
▲ 圖1.9.3 使用兩台單相電機組成多相發電機
然後，威斯汀豪斯意識到，在博覽會方面他遇到了麻煩，現在公司還沒有任何一個大功率兩相發電機，研製的時間也不夠了，三相發電機更別提了。拉米回憶道，威斯汀豪斯建議使用兩台單相交流發電機，將它們交錯排列形成90度空間相位差。這是向多相供電系統前進了一小步。
在這個小把戲的基礎上，他甚至在博覽會上張貼了 一個告示，說博覽會是由特斯拉多相供電系統提供電能。威斯汀豪斯也邀請特斯拉到西屋電氣公司博覽會分館來進行演示，主要是展示西屋電氣與特斯拉在所有方面的聯繫。
▲ 圖1.9.4 西屋電氣再博覽會上張貼的告示
十、通用電氣與西屋電氣
在1892年，博覽會的前一年，愛迪生通用電氣與其他公司合併，愛迪生被公司開除，並將公司名稱中的愛迪生去掉，只剩下通用電氣。拋開愛迪生對交流電的偏見，通用電氣從一個直流電公司一躍成為三相交流電的領導者。此時拉米成為西屋電氣的首席工程師，他回來回憶道。有兩套多相交流電系統，一個是兩相系統，一個是三相系統。西屋電氣被認為是從事推廣兩相交流電的公司，通用電氣是從事推廣三相交流電的公司。雖然這兩家公司都是同時在推廣使用兩種多相交流電系統。
▲ 圖1.10.1 通用電氣
在博覽會之後，威斯汀豪斯花費大量金錢來起訴特斯拉兩相電與三相電侵權的公司。在1896年4月份，威斯汀豪斯支付特斯拉21.66萬美元，為的是特斯拉與通用電氣技術共享的合同，這個協議幾乎讓兩家公司可以在多相電應用方面按照自己的想法進行發展。電氣市場也基本上被這兩家公司所壟斷。
在這期間他們對於特斯拉的發明大談特談，而對多利弗·多布羅夫斯基則進行打壓。此時多利弗·多布羅夫斯基仍然在為AEG公司工作，並成為公司的首席工程師，並幫助公司在歐洲、亞洲以及非洲成為輸電行業的領頭羊。
十一、交流電頻率
由於多利弗·多布羅沃利斯基通過實驗證明高頻交流點會造成更多的輸電損失，開始他使用40赫茲的交流電，由來因為燈泡閃爍令人不舒服，由此將交流電頻率提升到50赫茲，並保持到如今。特斯拉則堅持使用60赫茲交流電，所以美國使用的交流電是60赫茲，那些使用通用電氣或者西屋電氣提供的供電系統國家也使用60赫茲的交流電。
這其中唯一的一個奇葩是日本，多利弗·多布羅沃利斯基公司 AEG在1895年東京提供電力輸送技術，使用50赫茲交流電。通用電氣在1896年為大阪提供輸電系統，使用60赫茲交流電。所以日本全國分成兩個部分，一部分使用50赫茲交流電，一部分使用60赫茲的交流電。
▲ 圖1.11.1 日本交流電頻率分布
在1914年第一次世界大戰開始了，多利弗·多布羅沃利斯基明智的認為對於俄國人來說德國不是一個安全的地方，於是大部分工作都搬到了瑞士，並把俄國國籍改成了瑞士國籍。 在1918年，俄國退出第一次世界大戰，多利弗·多布羅沃利斯基回到了德國，又一次忙於俄國革命。那個時候多利弗·多布羅沃利斯基有了心臟病，並在1919年11月死於心臟病發作。
▲ 圖1.11.2 老年時代的多利弗·多布羅夫斯基
德國在第一次世界大戰中期戰敗，人們喜歡討論那些在最需要的時候拋棄他們的俄國波蘭人成就。俄國此時忙於國內革命，對那些在德國取得成就的人由於各種榮譽，激起他們俄國市民的認同感，但這些人並沒有參與他們的革命。
十二、後記
美國人都認為是特斯拉發明了交流電，將相應的專利轉移給通用電氣與即西屋電氣。對於多利弗·多布羅沃利斯基也對交流電作出了傑出的貢獻，他的去世人們非常傷心。但對於他的貢獻並沒有得到人們的認可，這對他來說是不公平的。
作為結論，如果你問誰第一個發明了三相交流電機和發電機，答案是非常清楚的，是尼古拉·特斯拉。他在1888年申請了三相電動機和發電機的專利。如果你問是誰首次展示了三相電的輸電系統，以及鼠籠電機以及更多，答案是不同的。應該是米哈伊爾·多利弗·多布羅夫斯基。
在1891年多利弗·多布羅沃利斯基寫到， 費拉里斯教授以及特斯拉先生髮現的科學價值不能夠被低估，但第一個實際構建出並能實際應用的旋轉三相電流系統毫無疑問這個榮譽應該歸功於我們公司，我們將整個系統帶到一個完美的高度。
▲ 圖1.12.1 多利弗·多布羅夫斯基對交流電的貢獻
如果你想知道那位科學家發現高頻交流電會帶來更大的輸電損失，又是誰把通用電氣從直流電系統代入三相交流電系統，是另外一位科學家，他沒有獲得應有的知名度，他是查爾斯·斯坦梅茨，他具有超凡魅力又非常古怪，被稱為斯克內克塔迪奇才。關於他的傳奇故事，下次我們再說。
參考資料
[1]
閃電的馴服者：電學的歷史: https://blog.csdn.net/zhuoqingjoking97298/article/details/128426612?csdn_share_tail=%7B%22type%22%3A%22blog%22%2C%22rType%22%3A%22article%22%2C%22rId%22%3A%22128426612%22%2C%22source%22%3A%22zhuoqingjoking97298%22%7D
[2]
History of 3-phase Electricity & Distribution: https://www.youtube.com/watch?v=NEkegQanD2I&list=PLepnjl2hm9tF-CxhyRFZi3Pujkq_V4pKP&index=33
