Việc lựa chọn điện xoay chiều (AC) thay vì điện một chiều (DC) cho hộ gia đình là một kết quả toàn diện dựa trên hiệu suất truyền tải điện, khả năng tương thích của thiết bị và sự phát triển công nghệ trong lịch sử. Logic cốt lõi xoay quanh việc "làm thế nào để truyền tải điện từ các nhà máy điện xa xôi đến hàng ngàn hộ gia đình với chi phí thấp và tổn thất thấp".

1. Ưu điểm cốt lõi của AC là khả năng truyền tải điện năng đi xa một cách hiệu quả.

Có một khoảng cách địa lý tự nhiên giữa sản xuất và tiêu thụ điện – các nhà máy điện lớn (như thủy điện và nhiệt điện) thường được xây dựng ở những nơi giàu tài nguyên hoặc xa khu vực đô thị, và cần truyền tải điện hàng trăm, thậm chí hàng nghìn km đến khu dân cư. Trong quá trình này, khi dòng điện chạy qua đường dây truyền tải, tổn thất nhiệt sẽ xảy ra do điện trở của dây dẫn (theo định luật Joule: tổn thất tỷ lệ thuận với bình phương dòng điện). Nếu không kiểm soát được tổn thất, một lượng điện lớn sẽ bị lãng phí trong quá trình truyền tải, dẫn đến chi phí cung cấp điện tăng vọt.

Giá trị cốt lõi của AC nằm ở khả năng dễ dàng đạt được “tăng và giảm điện áp” thông qua máy biến áp (thiết bị có cấu trúc đơn giản, chi phí thấp và không có bộ phận chuyển động):

• Tăng cường nhà máy điện: Điện áp xoay chiều do nhà máy điện tạo ra khoảng 12.000V, trước tiên được tăng áp lên điện áp cao 115kV, 230kV, thậm chí 765kV thông qua máy biến áp tăng áp. Theo công thức tính công suất, trong điều kiện tổng công suất không đổi, việc tăng điện áp sẽ làm giảm đáng kể dòng điện, từ đó giảm tổn thất nhiệt trên đường dây truyền tải (ví dụ, nếu điện áp tăng 10 lần và dòng điện giảm xuống còn 1/10, tổn thất chỉ bằng 1/100 so với ban đầu), và tổn thất truyền tải cuối cùng có thể được kiểm soát trong phạm vi 5%.

• Giảm điện áp trước khi vào nhà: Sau khi điện đến thành phố, trước tiên điện được hạ xuống khoảng 12kV bằng máy biến áp giảm điện áp của trạm biến áp, được sử dụng để phân phối cục bộ trong thành phố; Cuối cùng, điện áp được hạ xuống mức an toàn cho hộ gia đình (như 120V ở Bắc Mỹ và 230V ở Trung Quốc/Châu Âu) thông qua các máy biến áp nhỏ đặt tại các khu dân cư hoặc đường phố, để tránh nguy cơ điện áp cao gây hại cho sức khỏe con người và các thiết bị gia dụng.

Mặt khácDòng điện một chiều (DC), do có điện áp và hướng dòng điện không đổi, không thể tạo ra từ trường biến thiên – và nguyên lý hoạt động của máy biến áp dựa trên “từ trường biến thiên tạo ra điện áp”, do đó DC không thể tăng giảm điện áp thông qua các máy biến áp thông thường. Nếu sử dụng truyền tải DC cưỡng bức, nó chỉ có thể được truyền tải ở điện áp thấp và dòng điện cao, dẫn đến tổn thất đường dây cực kỳ cao (ví dụ, tổn thất trên đường dây DC dài 100 km có thể vượt quá 50%), buộc phải xây dựng các nhà máy điện gần người dùng (thường trong vòng 1 dặm), điều này không thể đáp ứng nhu cầu cung cấp điện quy mô lớn của các thành phố.

2. Sự tương thích tự nhiên giữa máy điều hòa và các thiết bị gia dụng.

Trong cuộc sống hàng ngày, các thiết bị gia dụng (từ thiết bị lớn đến thiết bị nhỏ) chủ yếu sử dụng nguồn điện xoay chiều (AC) hoặc phù hợp hơn với nguồn điện xoay chiều (AC). Sự tương thích này xuất phát từ các đặc tính và lợi thế về chi phí sản xuất của AC:

• Phù hợp với các loại động cơ chính: Tủ lạnh, máy giặt, máy điều hòa không khí, máy hút mùi và các thiết bị gia dụng lớn khác, với động cơ cảm ứng AC là thành phần điện lõi. Loại động cơ này có cấu trúc đơn giản (không cần các thành phần dễ hỏng như bộ chuyển mạch), tỷ lệ hỏng hóc thấp, chi phí kiểm soát được và có thể sử dụng trực tiếp các đặc tính xoay chiều của AC để tự khởi động mà không cần thêm các thành phần điều khiển điện tử. Động cơ DC (chẳng hạn như động cơ DC chổi than đời đầu) yêu cầu bộ chuyển mạch cơ học để chuyển hướng dòng điện, dễ bị mài mòn và có tuổi thọ ngắn; Ngay cả động cơ DC không chổi than hiện đại cũng cần bộ điều khiển phức tạp để hoạt động, và trước đây được sản xuất với chi phí cao hơn nhiều so với động cơ AC.

• Tương thích với thiết bị sưởi ấm và chiếu sáng: Thiết bị sưởi ấm bằng điện trở như lò nướng điện, bình nước nóng và lò sưởi điện, mặc dù về mặt lý thuyết tương thích với cả AC và DC (dòng điện chạy qua điện trở sẽ sinh nhiệt), nhưng vì AC là tiêu chuẩn thống nhất cho lưới điện, nên thiết bị không cần thêm bộ chuyển đổi "AC sang DC", giúp giảm đáng kể chi phí sản xuất và tỷ lệ hỏng hóc. Đèn sợi đốt đời đầu và đèn huỳnh quang đời sau cũng có thể được kết nối trực tiếp với lưới điện AC để vận hành; mặc dù đèn LED hiện đại về cơ bản được cấp nguồn DC, chúng chỉ cần tích hợp một bộ chỉnh lưu nhỏ (với chi phí cực thấp) bên trong để thích ứng với AC hộ gia đình mà không cần thay đổi kiến ​​trúc lưới điện.

3. “Cuộc chiến dòng điện” đã thiết lập vị thế thống trị của AC vào cuối thế kỷ 19, trực tiếp xác định rằng AC đã trở thành tiêu chuẩn toàn cầu cho điện gia dụng.

Đằng sau đó là cuộc cạnh tranh thực tế của hai lộ trình công nghệ:

• Hạn chế của giải pháp DC của Edison: Nhà phát minh Edison ban đầu đã thúc đẩy hệ thống cung cấp điện một chiều (DC) và xây dựng các nhà máy điện DC đầu tiên ở New York. Tuy nhiên, như đã đề cập trước đó, DC không thể truyền tải điện đi xa, và phạm vi cung cấp điện của nó bị giới hạn trong phạm vi 1 dặm xung quanh nhà máy điện. Để tránh tổn thất, cần phải có dây dẫn dày (rất tốn kém) và không thể đáp ứng nhu cầu mở rộng đô thị.

• Giải pháp AC đột phá của Tesla: Nhà vật lý Tesla đã phát minh ra hệ thống AC đa pha và động cơ không đồng bộ AC, giải quyết các vấn đề cốt lõi của việc truyền tải và ứng dụng AC. Doanh nhân Westinghouse Electric đã áp dụng kế hoạch này và thành công trong việc sử dụng AC để cung cấp điện cho Hội chợ Thế giới Chicago năm 1893 (thắp sáng hàng chục nghìn bóng đèn), tiếp theo là việc xây dựng hệ thống truyền tải AC cho Nhà máy Thủy điện Niagara (cung cấp điện cho Buffalo, cách đó 35 km). Những trường hợp này chứng minh khả năng mở rộng của AC, hoàn toàn đánh bại giải pháp DC và khẳng định vị thế của AC trong lĩnh vực điện gia dụng toàn cầu.

4. Giới hạn ứng dụng của DC hiện đại: vẫn dựa vào lưới điện AC.

Ngày nay, DC được sử dụng rộng rãi trong sản xuất điện mặt trời, lưu trữ năng lượng bằng pin và các thiết bị điện tử, nhưng nó vẫn chưa thay thế được vị trí cốt lõi của AC trong sử dụng gia đình.

• Chuyển đổi năng lượng tái tạo từ DC sang AC: Tấm pin mặt trời trực tiếp tạo ra dòng điện một chiều (DC) và pin lưu trữ năng lượng gia dụng cũng lưu trữ dòng điện một chiều (DC), nhưng điện này cần được chuyển đổi thành dòng điện xoay chiều (AC) thông qua "bộ biến tần" trước khi có thể kết nối với lưới điện gia dụng để cung cấp cho các thiết bị gia dụng - về cơ bản vẫn dựa vào tiêu chuẩn AC thống nhất.

• Bổ sung cho dòng điện một chiều cao áp (HVDC): Truyền tải điện siêu xa hiện đại (như lưới điện xuyên biên giới, các trang trại gió ngoài khơi vào đất liền) sử dụng HVDC (có tổn thất thấp hơn AC), nhưng sau khi điện đến mạng lưới phân phối đô thị, điện vẫn cần được chuyển đổi thành AC trước khi có thể sử dụng trong các hộ gia đình.

Tóm lại, ứng dụng hiện đại của DC là bổ sung cho lưới điện AC, chứ không phải là thay thế – nhu cầu cốt lõi của điện gia dụng (khoảng cách xa, chi phí thấp, tương thích với nhiều thiết bị) vẫn được AC đáp ứng hoàn hảo.