Cuộc chiến giữa hai hệ thống điện: Một chiều và Xoay chiều
Trong nghiên cứu và giảng dạy, lịch sử chuyên ngành luôn là một chủ đề hấp dẫn. Các tác giả nhận thấy rằng một chút hiểu biết về lịch sử của đối tượng đang nghiên cứu sẽ đem lại sự hứng khởi nhất định đối với bản thân cũng như các sinh viên. Tuy vậy, dường như chủ đề này ít được chúng ta đề cập đến trong các bài giảng cũng như ít được quan tâm khi làm công việc nghiên cứu. Chúng tôi viết bài này với hy vọng tạo nên một chút hứng thú, và để từ đó bạn đọc tiếp tục tìm hiểu và chia sẻ những vấn đề thú vị trong lịch sử ngành nghề của mình. Bài viết này là một “tiểu luận” nhỏ về “cuộc chiến vĩ đại” giữa hai hệ thống điện một chiều (DC) và xoay chiều (AC) mà những đại diện “tham chiến” trực tiếp là Edison và Westinghouse cùng những cộng sự của họ vào cuối thế kỷ 19. Sau đó, với những cập nhật về xu thế phát triển của ngành điện hiện nay, chúng tôi nêu lên một dự đoán về sự “trỗi dậy” của điện một chiều và rất có thể đó sẽ là hệ thống điện của tương lai. Bài viết có sử dụng một số tư liệu lịch sử; những dự đoán phần nào là quan điểm chủ quan của tác giả.
1. Cuộc chiến vĩ đại cuối thế kỷ 19:
Sự toàn thắng của điện xoay chiều
“Cuộc chiến vĩ đại” là từ mà Kassakian và cộng sự trong cuốn giáo trình [1] nổi tiếng của mình đã dùng để gọi cuộc tranh đấu vào giai đoạn 1885-1895 tại Hoa Kỳ giữa hai doanh nghiệp cung cấp điện của Edison và Westinghouse. [1] Đây thực sự là một cuộc chiến; nó có đủ cả những lời tuyên chiến, thách thức, những trận tranh đấu với đủ cả tấn công và phòng thủ, có cả “viện binh,” và cả những yếu tố về “thời cuộc”.
1.1 Sự thống trị và độc đoán của Edison
Thomas Edison, với kỳ tài thiên phú trong cả vai trò nhà phát minh và thương nhân, đã hoàn toàn chi phối lĩnh vực kỹ thuật điện cho đến đầu những năm 1880. Hệ thống điện lúc bấy giờ được sử dụng cho hai việc chính là chiếu sáng và chạy động cơ điện. Bóng đèn dây tóc là sản phẩm do Edison hoàn thiện, và nó dễ dàng làm việc với cả điện xoay chiều và một chiều. Động cơ điện, trái lại, chỉ có loại dùng điện một chiều vào thời điểm đó. Một ưu thế vượt trội của điện một chiều lúc đó là người ta có thể đo được lượng tiêu thụ điện. Đồng hồ đo điện lúc đó, cũng do công ty của Edison sản xuất, là một thiết bị làm việc dựa trên nguyên lý điện hóa, và do đó, nó chỉ làm việc với điện một chiều. Edison và công ty của ông lúc này thực sự ở một vị trí độc tôn.
Lịch sử còn ghi nhận ở thời gian này một nhà phát minh thiên tài nữa là Nikola Tesla. Đối với nhiều người, Tesla thậm chí ở một tầm cao hơn hẳn Edison về năng lực sáng tạo. Năm 1884, Tesla tới New York làm việc cho công ty của Edison, ông bắt đầu từ vị trí kỹ sư thông thường và rất nhanh chóng trở thành một người quan trọng chuyên giải quyết các vấn đề khó khăn nhất về kỹ thuật cho công ty. Vào năm 1885, Tesla đã đề xuất rằng ông có thể cải tiến hiệu suất của sản phẩm máy phát điện một chiều, làm tăng cả chất lượng làm việc và tính kinh tế cho công ty. Edison đã nói "Sẽ có 50 nghìn đô-la cho anh, nếu anh làm được điều đó." Ta nên biết rằng Edison là một người rất keo kiệt, và thực tế là lúc đó ông cũng không có bằng ấy tiền mặt trong tay. Vài tháng sau, Tesla hoàn thành công việc, ông yêu cầu được số tiền đã hứa. Edison cho biết ông chỉ nói đùa: "Tesla, anh không hiểu tính hài hước của người Mỹ chúng tôi!" Edison thưởng cho thành tích đó của Tesla bằng cách tăng lương của ông từ 10 lên 18 đô-la một tuần. Tesla lập tức bỏ việc.
Vị trí thống trị về mọi mặt của Edison và hệ thống điện một chiều của ông bắt đầu gặp thách thức khi Shallenberger, một kỹ sư trưởng của Công ty Westinghouse, vào đầu năm 1888 đã tìm ra một nguyên lý để đo điện xoay chiều, chính là nền tảng cho công-tơ điện kiểu đĩa quay phổ biến ngày nay.
Hình 1: Ảnh chụp một góc bằng sáng chế của Tesla vào năm 1888 về động cơ điện xoay chiều. Chú ý rằng vào thời điểm này đăng ký sáng chế này thì Tesla mới đưa ra nguyên lý chứ chưa có mô hình hoạt động trong thực tế (chữ “No Model”).
1.2. Động cơ AC của Tesla và ngọn gió đảo chiều
Có thể nói rằng cùng với đồng hồ đo điện AC, việc sáng chế ra động cơ điện xoay chiều của Nikola Tesla năm 1888 ([2]) đã có tác dụng với Công ty Westinghouse như ngọn gió Đông trên sông Xích Bích. Hình 1 chụp một góc bằng sáng chế của Tesla mô tả nguyên lý hoạt động của động cơ điện xoay chiều. Tại thời điểm này, ông mới đưa ra nguyên lý hoạt động chứ chưacó mô hình thực nghiệm của động cơ. Ở đây ta có thể chú ý một chút sự khác biệt giữa phương pháp của Tesla và Edison. Edison phát minh dựa trên hàng chuỗi mày mò thử nghiệm; trong khi đó Tesla xây dựng mọi mô hìnhvà nguyên lý vận hành trong đầu rồi mới triển khai xây dựng thực nghiệm. Tuy rằng mới chỉ là nguyên lý trên giấy, nhưng giới chuyên môn đánh giá rất cao sáng chế này. Tài liệu [3] trích lời một kỹ sư:Việc phát triển động cơ điện xoay chiều như mô tả của ngài Teslalà nỗ lực rất hiệu quả để nối liền chuỗi mắt xích đến nay vẫn còn thiếu trong ứng dụng của điện xoay chiều. Westinghouse ngay lập tức tiến hành đàm phán để mua lại các bằng sang chế của Tesla. Chỉ đến tháng 7 năm 1888, ông đã không chỉ mua lại cácsáng chế mà còn bảo hộ tất cả công việc của Tesla. 4 năm sau, vào 3 năm 1892, Công ty Westinghouse đã thương mại thành công động cơ xoay chiều của Tesla.
1.3 Chiến dịch tấn công của phe DC vào vấn đề an toàn điện
Năm 1888 là một dấu mốc then chốt của “cuộc chiến dòng điện” (currentwar). Từ năm 1886 và 1887, khi công ty Westinghouse triển khai thành công hệ thống cung cấp điện AC, Edison đã có một loạt động thái công kích hệ thống này. Ban đầu, “vị phù thủy của Menlo Park”1tấn công trên tất cả các phương diện gồm giá thành và tính kinh tế, độ tin cậy, tính an toàn, và hiệu suất. Tuy nhiên, các mũi tấn công vào các yếu tố kinh tế và kỹ thuật đềukhông thu được hiệu quả. Về kinh tế thì việc truyền điện AC đòi hỏi dây dẫn có tiết diện nhỏ hơn hẳn truyền điện DC. Ở thời điểm này, giá đồng đang rất cao và do vậy hệ thống truyền điện AC có giá thành cạnh tranh hơn sovới DC. Về phương diện kỹ thuật, nhược điểm lớn về sự thiếu vắng đồng hồ đo điện AC đã được chính đội ngũ nghiên cứu của Westinghouse giải quyết. Vào năm 1888, khi Tesla sáng chế ra động cơ xoay chiều, phe DC đứng trước một nguy cơ lớn. Đúng vào năm này, một trợ thủ đắc lực của Edison xuấthiện; đó là Harold P. Brown, một kỹ sư cũng tự học không qua đào tạo chính quy giống như Edison.
Brown chỉ chuyên tâm nghiên cứu một chủ đề chính là độ an toàn của các hệ thống điện đối với cộng đồng. Trong những tuyên bố trên báo chí của mình, Brown tuyên bố rằng điện xoay chiều rất nguy hiểm, trong khi hệ thống của Edison “an toàn một cách hoàn hảo.” Từ 1888, phe DC tập trung toàn bộ các mũi tấn công và vấn đề an toàn điện. Edison đã viết một bài báo trên tờ The New York Times (số ra ngày 18/12/1888) ra lời thách thức Westinghouse đến gặp ông và cho điện AC chạy qua người, trong khi Edisonsẽ cho điện DC chạy qua người trước sự chứng kiến của các chuyên gia. (Rất may là) Westinghouse đã từ chối lời thách thức này. Brown và các cộng sự ở công ty Edison đã tiến hành những thí nghiệm về tác dụng của điện lên động vật như chó, ngựa, và cả voi. Hình 2 chụp lại một cuộc thí nghiệm củanhóm Edison về tác hại của điện xoay chiều bằng cách giật chết một con ngựa. Thí nghiệm nổi tiếng nhất trong cuộc chiến này là Edison đã “nướng chín” một con voi 36 tuổi bằng điện 6600 VAC vào năm 1903. [2] Tuy nhiên, ở thời điểm này thì gần như phe AC đã cơ bản dành chiến thắng.
Hình 2: Thí nghiệm của Edison về tác hại của điện xoay chiều lên động vật năm 1888. Trong thí nghiệm này, nhóm nghiên cứu đã giật chết một con ngựa bằng điện xoay chiều như của Westinghouse [3].
Thắng lợi được coi là rõ ràng nhất của nhóm DC trong cuộc tấn công trên trận địa an toàn điện này lại là một sự kiện thú vị. Edison đã thuyết phục được bang New York tử hình phạm nhân bằng ghế điện với dòng điện xoay chiều của Westinghouse với vụ tử hình đầu tiên thực hiện vào 06/08/1890. Ghế điện cũng chính là một phát minh của Edison hình thức tử hình này ở Hoa Kỳ tồn tại đến năm 2012.
1.4 Phe AC dành chiến thắng
Mặc dù thực hiện rất nhiều cuộc công kích “lý thú” kể trên, Edison cũng không thể kìm hãm bánh xe lịch sử. Thực tiễn kỹ thuật đã chứng minh những ưu điểm của hệ thống điện xoay chiều. Sự ra đời và hoàn thiện của đồng hồ đo và động cơ điện AC đã nền tảng kỹ thuật vững chắc cho điện xoay chiều trở thành hệ thống cung cấp điện tiêu chuẩn. Ở đây có lẽ cũng phải kể đến bản lĩnh của Westinghouse. Trước những sự khiêu khích của pheEdison, ông chỉ đơn giản là từ chối những lời tuyên chiến thách thức và hoàn thiện công nghệ của mình.
Thắng lợi quyết định của phe AC là ở Thác Niagara. Năm 1892, các kỹ sư thiết kế công trình thủy điện lớn nhất lúc đó ở Thác Niagara đã quyết địnhsử dụng hệ thống phát dẫn xoay chiều để truyền điện đến Buffalo cách đó20 dăm (32,2 km). Vào năm 1895 khi hệ thống này vận hành thành công thì cuộc chiến coi như đã ngã ngũ. Những công kích của phe DC sau đó khôngcòn khả năng xoay chuyển tình hình.
2. Thế kỷ 21: Điện một chiều trỗi dậy?
Từ thời điểm “cuộc chiến” kết thúc đến bây giờ, điện xoay chiều vẫn là hệ thống truyền tải và sử dụng chủ yếu trên toàn thế giới. Tuy vậy, những phát triển mạnh mẽ về khoa học và kỹ thuật ngày nay, đặc biệt là về điện tử, công suất và các lĩnh vực liên quan, đang thúc đẩy một cuộc xoay chuyển mới. Điện một chiều đang trỗi dậy và rất có thể sẽ trở lại thành hệ thống truyền tải, phân phối, và sử dụng chủ chốt trong dân dụng và công nghiệp.
Hình 3: Hệ thống cáp điện một chiều cao áp (HVDC) đang được lắp đặt để nối liền Na Uy và Đan Mạch [4].
Trên phương diện truyền tải và phân phối điện, HVDC (high-voltagedirect current) đang ngày một lớn mạnh, hứa hẹn là một phương thức thay thế hiệu quả cho việc truyền tải bằng điện xoay chiều cao áp như hiện nay. Hình 3 là hình ảnh thi công lắp ráp mạng cáp điện một chiều cao áp HVDC xuyên biển nối liền Na Uy và Đan Mạch [4].
Trong công nghiệp, động cơ là một đối tượng tiêu thụ điện chủ yếu. Động cơ xoay chiều hiện nay có ưu thế tuyệt đối so với động cơ một chiều. Tuy vậy, khác với thế hệ trước, động cơ hiện nay phần lớn được sử dụng với các bộ biến đổi điện tử công suất, cụ thể là biến tần, mà chủ đạo đang là biến tần gián tiếp có khâu một chiều trung gian. Các bộ biến tần này chỉnh lưu điện lưới thành điện một chiều rồi nghịch lưu thành điện xoay chiều điều khiển được để cấp cho động cơ. Với một xu hướng đang phát triển mạnh hiện nay là tích hợp biến tần vào động cơ để thành một hệ thống nhất, tương lai vềmột thế hệ đối tượng tích hợp động cơ - biến tần nối thẳng vào hệ thống điện một chiều là hoàn toàn khả thi.
Trong lĩnh vực dân dụng, tất cả các thiết bị điện tử phổ biến hiện nay, từ tivi đến máy tính, điện thoại, đều sử dụng điện một chiều. Việc kết nối các thiết bị này với hệ thống điện xoay chiều đều phải thông qua các bộ chỉnh lưu (tích hợp trong thiết bị như đối với tivi hay qua bộ sạc như với điện thoại). Từ đó, ta thấy rằng việc sử dụng trực tiếp mạng điện một chiều được phân phối tới từng hộ dân dụng là điều hoàn toàn hợp lý. Một số nhà khoa học đã dự đoán và đi theo xu hướng này, đơn cử như một nhóm ở Nhật Bản chuyên nghiên cứu chế tạo các thiết bị như công tắc, ổ cắm... dùng cho mạng điện một chiều [5].
Những người quan tâm đến hệ thống điện một chiều chắc chắn sẽ thấy sự lớn mạnh nhanh chóng của các lĩnh vực nghiên cứu liên quan đến nguồn điện và dự trữ năng lượng, với các chủ đề nóng như ắc quy, fuel cell, siêu tụ điện (super–capacitor), hay hệ thống nguồn phân tán (distributed generation).
Tạm kết
Trên đây là lược khảo nhỏ về một chủ đề thú vị trong lịch sử chuyên ngành. Các tác giả hy vọng bài viết có thể đem lại một chút kiến thức, và quan trọng hơn là niềm hứng khởi cho sinh viên để tự tìm hiểu thêm nhữngchủ đề tương tự. Trong phần thứ hai về sự trỗi dậy của điện một chiều, chúng tôi cố ý chỉ nói rất vắn tắt, chủ yếu cung cấp những từ khóa và gợi ý xu hướng để các bạn yêu thích chuyên ngành tự mình khám phá.
Tài liệu
[1] J. G. Kassakian, M. F. Schlecht, and G. Verghese, Principles of PowerElectronics. Addison-Wesley, 1991.
[2] N. Tesla, “A New System of Alternate Current Motors and Transformers,”AIEE Trans., vol. 5, pp. 308–327, 1888.
[3] T. S. Reynolds and T. Bernstein, “The Damnable Alternating Current,”Proceedings of the IEEE, vol. 64, no. 9, pp. 1339–1343, 1976.
[4] P. Fairley, “ Norway Wants to Be Europe’s Battery,” IEEE Spectrum,2014.
[5] H. Matsuo, S. Matsumoto, M. Suetomi, S. Fujino, K. Harada, W. Lin,and Y. Sui, “Novel DC switch and DC socket for high voltage DC powerfeeding systems,” in 2012 IEEE 34th International TelecommunicationsEnergy Conference (INTELEC), pp. 1–4, Sept. 2012.
Nguyễn Bảo Huy, Tạ Cao Minh
Trung tâm Nghiên cứu Ứng dụng và Sáng tạo Công nghệ (CTI) Đại học Bách khoa Hà Nội