1.2 直流電、單相交流電和三相交流電

1.2.1 直流電

直流電是指方向始終固定不變的電壓或電流。能產(chǎn)生直流電的電源稱為直流電源，常見的干電池、蓄電池和直流發(fā)電機等都是直流電源，直流電源常用圖1-7（a）所示的圖形符號表示。直流電的電流方向總是由電源正極流出，再通過電路流到負極。在圖1-7（b）所示的直流電路中，電流從直流電源正極流出，經(jīng)電阻R和燈泡流到負極結束。

直流電又分為穩(wěn)定直流電和脈動直流電。

穩(wěn)定直流電是指方向固定不變并且大小也不變的直流電。穩(wěn)定直流電可用圖1-8（a）所示波形表示，穩(wěn)定直流電的電流I的大小始終保持恒定（始終為6mA），在圖中用直線表示；直流電的電流方向保持不變，始終是從電源正極流向負極，圖1-8（a）中的直線始終在t軸上方，表示電流的方向始終不變。

脈動直流電是指方向固定不變，但大小隨時間變化的直流電。脈動直流電可用圖1-8（b）所示的波形表示，從圖中可以看出，脈動直流電的電流I的大小隨時間作波動變化（如在t1時刻電流為6mA，在t2時刻電流變?yōu)?mA），電流大小波動變化在圖中用曲線表示；脈動直流電的方向始終不變（電流始終從電源正極流向負極），圖中的曲線始終在t軸上方，表示電流的方向始終不變。

1.2.2 單相交流電

交流電是指方向和大小都隨時間作周期性變化的電壓或電流。交流電類型很多，其中最常見的是正弦交流電，因此這里就以正弦交流電為例來介紹交流電。

1.正弦交流電

正弦交流電的圖形符號、電路和波形如圖1-9所示。

下面以圖1-9（b）所示的交流電路來說明圖1-9（c）所示正弦交流電波形。

① 在0～t1期間：交流電源e的電壓極性是上正下負，電流I的方向是交流電源上正→電阻R→交流電源下負，并且電流I逐漸增大，電流逐漸增大在圖1-9（c）中用波形逐漸上升表示，t1時刻電流達到最大值。

② 在t1～t2期間：交流電源e的電壓極性仍是上正下負，電流I的方向仍是交流電源上正→電阻R→交流電源下負，但電流I逐漸減小，電流逐漸減小在圖1-9（c）中用波形逐漸下降表示，t2時刻電流為0。

③ 在t2～t3期間：交流電源e的電壓極性變?yōu)樯县撓抡娏?span id="1n9djpc" class="italic">I的方向也發(fā)生改變，圖1-9 （c）中的交流電波形由t軸上方轉到下方表示電流方向發(fā)生改變，電流I的方向是交流電源下正→電阻R→交流電源上負，電流反方向逐漸增大，t3時刻反方向的電流達到最大值。

④ 在t3～t4期間：交流電源e的電壓極性仍為上負下正，電流仍是反方向，電流的方向是交流電源下正→電阻R→交流電源上負，電流反方向逐漸減小，t4時刻電流減小到0。

t4時刻以后，交流電源的電流大小和方向變化與0～t4期間變化相同。實際上，交流電源不但電流大小和方向按正弦波變化，其電壓大小和方向變化也像電流一樣按正弦波變化。

2.周期和頻率

周期和頻率是交流電常用的兩個概念，下面以圖1-10所示的正弦交流電波形圖來說明。

（1）周期

從圖1-10可以看出，交流電變化過程是不斷重復的，交流電重復變化一次所需的時間稱為周期，周期用“T”表示,單位是秒（s）。圖1-10所示交流電的周期為T=0.02s，說明該交流電每隔0.02s就會重復變化一次。

（2）頻率

交流電在每秒內(nèi)重復變化的次數(shù)稱為頻率，頻率用“f ”表示，它是周期的倒數(shù)，即

頻率的單位是赫茲（Hz）。圖1-10所示交流電的周期T=0.02s，那么它的頻率f=1/T=1/0.02=50Hz，該交流電的頻率f=50Hz，說明在1s內(nèi)交流電能重復0～t4這個過程50次。交流電變化越快，變化一次所需要時間越短，周期越短，頻率就越高。

3.瞬時值和有效值

（1）瞬時值

交流電的大小和方向是不斷變化的，交流電在某一時刻的值稱為交流電在該時刻的瞬時值。以圖1-10所示的交流電壓為例，它在t1時刻的瞬時值為220V（約為311V），該值為最大瞬時值，在t2時刻瞬時值為0V，該值為最小瞬時值。

（2）有效值

交流電的大小和方向是不斷變化的，這給電路計算和測量帶來不便，為此引入有效值的概念。下面以圖1-11所示電路來說明有效值的含義。

圖1-11所示兩個電路中的電熱絲完全一樣，現(xiàn)分別給電熱絲通交流電和直流電，如果兩電路通電時間相同，并且電熱絲發(fā)出熱量也相同，對于電熱絲來說，這里的交流電和直流電是等效的，那么就將圖1-11（b）中直流電的電壓值或電流值稱為圖1-11（a）中交流電的有效電壓值或有效電流值。

交流市電電壓為220V指的就是有效值，其含義是雖然交流電壓時刻變化，但它的效果與220V直流電是一樣的。若無特別說明，交流電的大小通常是指有效值，測量儀表的測量值一般也是指有效值。正弦交流電的有效值與瞬時最大值的關系是

最大瞬時值=×有效值

例如，交流市電的有效電壓值為220V，它的最大瞬時電壓值=220≈311（V）。

1.2.3 三相交流電

1.三相交流電的產(chǎn)生

目前應用的電能絕大多數(shù)是由三相發(fā)電機產(chǎn)生的，三相發(fā)電機與單相發(fā)電機的區(qū)別在于:三相發(fā)電機可以同時產(chǎn)生并輸出三組電源，而單相發(fā)電機只能輸出一組電源，因此三相發(fā)電機效率較單相發(fā)電機更高。三相交流發(fā)電機的結構示意圖如圖1-12所示。

從圖1-12中可以看出，三相發(fā)電機主要由互成120°且固定不動的U、V、W三組線圈和一塊旋轉磁鐵組成。當磁鐵旋轉時，磁鐵產(chǎn)生的磁場切割這三組線圈，這樣就會在U、V、W三組線圈中分別產(chǎn)生交流電動勢，各線圈兩端就分別輸出交流電壓UU、UV、UW，這三組線圈輸出的三組交流電壓就稱為三相交流電壓。

無論磁鐵旋轉到哪個位置，穿過三組線圈的磁感線都會不同，所以三組線圈產(chǎn)生的交流電壓波形也就不同。三相交流發(fā)電機產(chǎn)生的三相交流電波形如圖1-13所示。

2.三相交流電的供電方式

三相交流發(fā)電機能產(chǎn)生三相交流電壓，將這三相交流電壓供給用戶可采用三種方式：直接連接供電、星形連接供電和三角形連接供電。

（1）直接連接供電方式

直接連接供電方式如圖1-14所示。

直接連接供電方式是將發(fā)電機三組線圈輸出的每相交流電壓分別用兩根導線向用戶供電，這種方式共需用到六根供電導線，如果在長距離供電時采用這種供電方式會使成本很高。

（2）星形連接供電方式

星形連接供電方式如圖1-15所示。

星形連接是將發(fā)電機的三組線圈末端都連接在一起，并接出一根線，稱為中性線（N），三組線圈的首端各引出一根線，稱為相線，這三根相線分別稱為U相線（L1）、V相線（L2）和W相線（L3）。三根相線分別連接到單獨的用戶，而中性線則在用戶端一分為三，同時連接三個用戶，這樣發(fā)電機三組線圈上的電壓就分別提供給各自的用戶。在這種供電方式中，發(fā)電機三組線圈連接成星形，并且采用四根線來傳送三相電壓，故稱為三相四線制星形連接供電方式。

任意一根相線與中性線之間的電壓都稱為相電壓UP，該電壓實際上是任意一組線圈兩端的電壓。任意兩根相線之間的電壓稱為線電壓UL。從圖1-15中可以看出，線電壓實際上是兩組線圈上的相電壓疊加得到的，但線電壓UL的值并不是相電壓UP的2倍，因為任意兩組線圈上的相電壓的相位都不相同，不能進行簡單的乘2來求得。根據(jù)理論推導可知，在星形連接時，線電壓是相電壓的倍，即

如果相電壓UP=220V，根據(jù)上式可計算出線電壓UL約為380V。

（3）三角形連接供電方式

三角形連接供電方式如圖1-16所示。

三角形連接是將發(fā)電機的三組線圈首末端依次連接在一起，連接方式呈三角形，在三個連接點各接出一根線，分別稱為U相線（L1）、V相線（L2）和W相線（L3）。將三根相線按圖1-16所示的方式與用戶連接，三組線圈上的電壓就分別提供給各自的用戶。在這種供電方式中，發(fā)電機三組線圈連接成三角形，并且采用三根線來傳送三相電壓，故稱為三相三線制三角形連接供電方式。

三角形連接方式中，相電壓UP（每組線圈上的電壓）和線電壓UL（兩根相線之間的電壓）是相等的，即

UL=UP

3.三相交流電的遠距離傳送

發(fā)電部門的發(fā)電機將其他形式的能（如水能、風能、熱能和核能等）轉換成電能，電能再通過導線傳送給用戶。由于用戶與發(fā)電部門的距離往往很遠，電能傳送需要很長的導線，電能在傳送的過程中，導線對電能有損耗，根據(jù)焦耳定律Q=I2Rt可知，導線對電能的損耗主要與流過導線的電流和導線本身的電阻有關，電流、電阻越大，導線的損耗越大。

為了降低電能在導線上傳送產(chǎn)生的損耗，可減小導線的電阻和降低流過導線的電流。減小導線對電能損耗的具體方法：①采用電阻率小的鋁或銅材料制作成較粗的導線來減小導線的電阻；②提高傳輸電壓來減小電流，這是根據(jù)P=UI，在傳輸功率一定的情況下，導線電壓越高，流過導線的電流越小。

電能從發(fā)電站傳送到用戶的過程如圖1-17所示。發(fā)電機輸出的電壓先送到升壓變電站進行升壓，升壓后得到110～330kV的高壓，高壓經(jīng)導線進行遠距離傳送，到達目的地后，再由降壓變電站的降壓變壓器將高壓降低成低壓，再提供給用戶。實際上，在提升電壓時，往往不是依靠一個變壓器將低壓提升到很高的電壓，而是經(jīng)過多個升壓變壓器一級級進行升壓的，在降壓時，也需要經(jīng)多個降壓變壓器進行逐級降壓。