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交流电

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交流电是指电流方向随时间作周期性变化的电流,在一个周期内的平均电流为零。不同于直流电,它的方向是会随着时间发生改变的,而直流电没有周期性变化。
通常交流电(简称AC)波形为正弦曲线。交流电可以有效传输电力。但实际上还有应用其他的波形,例如三角形波、正方形波。生活中使用的市电就是具有正弦波形的交流电。
中文名
交流电
外文名
Alternating Current
诠    释
大小和方向随时间作周期性
频率规定
50Hz
发现者
麦可·法拉第Michael Faraday
电机发明
波利特·皮克西Hippolyte Pixii
其它贡献
雅布洛奇科夫等
有效值
正余弦交流电的峰值与振幅相对应
符    号
~
交流电之父
法拉第
交流电机之父
波利特·皮克西
学    科
电磁学

交流电发展历史

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当发现了电磁感应后,产生交流电流的方法就被知晓。早期的发电机由英国人麦可·法拉第(Michael Faraday)与法国人波利特·皮克西(Hippolyte Pixii)等人发明出来。 [1] 
1882年,英国电工詹姆斯·戈登建造了大型双相交流发电机。开尔文勋爵与塞巴斯蒂安·费兰蒂(Sebastian Ziani de Ferranti)开发早期交流发电机,频率介于100赫兹至300赫兹之间。 [1] 
1891年,尼古拉·特斯拉取得了高频交流发电机(15000Hz)的专利。 [1] 
1891年后,多相交流发电机被用来供应电流,此后的交流发电机的交流电流频率通常设计在16赫兹至100赫兹间,搭配弧光灯白炽灯电动机使用。 [1] 
根据电磁感应定律,当导体周围的磁场发生变化,感应电流在导体中产生。通常情况下,旋转磁体称为转子,导体绕在铁芯上的线圈内的固定组,称为定子,当其跨越磁场时,便产生电流。产生交流电的基本机械称为交流发电机 [1] 

交流电数值

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交流电在某一个瞬间的数值称为瞬时值,瞬时值最大的时候叫做最大值。其平均值可以用交流电的半个周期来计算。 [2] 
●瞬时值和最大值
右图上的圆圈表示线圈的旋转角度(角频率),波浪则是正弦交流电,表示线圈旋转后产生的电动势。正弦波交流电,记录了因线圈旋转而改变角频率时的瞬时数值。这个数值叫做“瞬时值”。当瞬时值最大的时候,刚好处于正向的波形小山和负向的波形小山的顶点,所以这个值叫做“最大值”。
瞬时值f可以用e= Vm*sinwt来求得。Vm是由线圈的形状或磁铁的强弱来决定的。 [2] 
交流电的电动势的电压是正弦波,电流表现出来的也是同样的正弦波。 [2] 
  • 平均值
由于正弦交流电波形图是在正向波形小山和负向波形小山之间反复变化的,所以可以求出其平均值。在正弦交流电的1个周期内,正向波形小山的面积与负向波形小山的面积相等,所以取其平均的结果是0。因此,如果要求正弦交流电的电动势或电流的平均值的时候,可以用半个周期来计算。平均值Vav可以用Vav=2Vm / π来求得。

交流电性质

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根据傅里叶级数的原理,周期函数都可以展开为以正弦函数、余弦函数组成的无穷级数,任何非简谐的交流电也可以分解为一系列简谐正余弦交流电的合成。 [1] 

交流电频率

交流电的频率是指它单位时间内周期性变化的次数,单位是赫兹,与周期成倒数关系。日常生活中的交流电的频率一般为50赫兹或60赫兹,而无线电技术中涉及的交流电频率一般较大,达到千赫兹(KHz)甚至百万赫兹(MHz)的度量。不同国家的电力系统的交流电频率不同,通常为50赫兹或者60赫兹。在亚洲使用50赫兹的国家与地区主要有中国、日本、泰国、印度和新加坡,而韩国、菲律宾和中国台湾使用60赫兹,欧洲大部分国家使用50赫兹,美洲使用60赫兹的国家主要是墨西哥、美国、加拿大。 [1] 

交流电峰值和有效值

正余弦交流电的峰值与振幅相对应,而有效值大小则由相同时间内产生相当焦耳热的直流电的大小来等效。交流电峰值与均方根值(有效值)的关系为
。市电220V表示均方根值,其峰值为311V。 [1] 

交流电功率振荡

假设使用单相电连接到纯电阻负载。 [1] 
根据三角恒等式,可以得知功率(P)的振荡频率是电压(V)频率的两倍。 [1] 
使用50Hz或60Hz单相电时,电器的输出功率会以100Hz或120Hz振荡。这个数字远高于肉眼可分辨的24Hz,所以我们无法观察电灯在闪烁。 [1] 
使用三相电时,三个功率相加是稳定的,这是发电厂使用三相发电机的主要原因之一。 [1] 

交流电应用

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交流电发电机

交流发电机通常采用旋转磁场设计,电枢静止,这样便不需要使用电刷和滑环取电。 [1] 
同步发电机的磁场来自永久磁铁电磁铁。发电厂使用的大型同步发电机可透过控制励磁系统(电磁铁)来改变输出电压及无功功率。 [1] 
异步发电机静止时不会自行产生磁场,利用定子与转子间气隙旋转磁场,与转子绕组中感应电流相互作用来发电。异步发电机需要电容或同步发电机提供无功功率才可以运作,因此通常不能自启动,即是不借助外部电力来启动。 [1] 

交流电电力传输

交流电被广泛运用于电力的传输,因为在以往的技术条件下交流输电比直流输电更有效率。传输的电流在导线上的耗散功率可用焦耳定律(P =I ²R)求得,显然要降低能量损耗需要降低传输的电流或电线的电阻。由于成本和技术所限,很难降低使用的输电线路(如铜线)的电阻,所以降低传输的电流是唯一而且有效的方法。根据P=IU(实际上有功功率
),提高电网的电压即可降低导线中的电流,以达到节约能源的目的。
而交流电升降压容易的特点正好适合实现高压输电。使用结构简单的升压变压器即可将交流电升至几千至几十万伏特,从而使电线上的电力损失极少。在城市内一般使用降压变压器将电压降至几万至几千伏以保证安全,在进户之前再次降低至市电电压或者适用的电压供用电器使用。 [1] 
随着电力电子学的发展,愈来愈多长距离输电采用高压直流输电(HVDC),直流电功率因素是1,效率更高。在日本糸鱼川静冈构造线以东为50Hz、以西为60Hz,在静冈县与长野县设有三处频率转换变电所联网,而本州与北海道及四国间则以海底HVDC连结。 [1] 

交流电变压器

  • 变压器的构造
变压器是一种用来改变交流电电压的电气设备,它是由一个闭合铁芯和绕在铁芯上的两个线圈组成的。一个线圈和电源连接,叫原线圈(也叫初级线圈);另一个和负载连接,叫副线圈(也叫次级线圈)。两个线圈都是用绝缘导线绕制成的,铁芯由涂有绝缘漆的硅钢片叠合而成。 [3] 
  • 变压器的变压原理
在原线圈上加交变电压U1,原线圈中就有交流电通过,在铁芯中产生交变的磁通量。这个交变的磁通量也穿过副线圈,在副线圈中引起感应电动势。所以,这时的副线圈可以作为电源使用。当把用电器连接在副线圈的两端时,副线圈电路中就产生交流电,这时加在用电器上的电压就是副线圈的端电压U2。 [3] 
由实验知道,变压器原线圈两端的电压U1和副线圈两端的电压U2之比,等于原线圈、副线圈的匝数n1、n2之比。如果n2大于n1,U2就大于U1变压器就使电压升高,这种变压器叫做升压变压器。如果n2小于n1,U2就小于U1,变压器就使电压降低,这种变压器叫做降压变压器 [3] 

交流电交流电相位分类

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各国使用的交流电相位主要为单相及三相。 [4] 

交流电三相电

主条目:三相交流电
三相交流电,输电时只有三条火线,供电给客户时有三条火线和中线。只使用其中一条相线及中线,便是单相电。 [4] 
三条火线上的正弦波各有120°相位差,主要为工业用。 [4] 
如果相电压是220V,线电压则是380V。
三相电一般为三相四线。三个相线的符号为L1,L2,L3,也可以分别表示为A,B,C,分别代表相线1,相线2,相线3,L为Live Wire的缩写,零线的符号为N,为Neutral Wire的缩写。地线为E,为Earth的缩写。 [4] 

交流电单相电

主条目:单相交流电
单相交流电,其电缆有一条火线和一条中线,用于一般住宅及商业楼宇。 [4] 
单相电有火线和零线两条线,火线为L,为Live Wire的缩写,零线为N,为Neutral Wire的缩写。地线为E,为Earth的缩写,也可以写作PE,为Protecting Earth的缩写。 [4] 

交流电直流电

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“直流电”(Direct Current,简称DC),又称“恒流电”,恒定电流是直流电的一种,是大小和方向都不变的直流电,它是由爱迪生发现的。1747年,美国的富兰克林根据实验提出电荷守恒定律,并且定义了正电和负电的术语。 [2] 
恒定电流是指大小(电压高低)和方向(正负极)都不随时间(相对范围内)而变化,比如干电池。脉动直流电是指方向(正负极)不变,但大小随时间变化,比如:我们把50Hz的交流电经过二极管整流后得到的就是典型脉动直流电,半波整流得到的是50Hz的脉动直流电,如果是全波或桥式整流得到的就是100Hz的脉动直流电,它们只有经过滤波(用电感或电容)以后才变成平滑直流电,当然其中仍存在脉动成分(称纹波系数),大小视滤波电路的滤波效果。 [2] 
参考资料
  • 1.    Licht, Sidney Herman., "History of Electrotherapy", in Therapeutic Electricity and Ultraviolet Radiation, 2nd ed., ed. Sidney Licht, New Haven: E. Licht, 1967, Pp. 1-70.
  • 2.    (日)理科教育研究会著;游向宇,雨晴译.图解电学知识:湖南科学技术出版社,2016.04:第70页
  • 3.    复习指导用书编写组.公安边防消防警卫部队院校招收士兵学员统考复习指导用书(2016版) 物理:中国人民公安大学出版社,,2016.03:第189页
  • 4.    Hiob, Eric, "An Application of Trigonometry and Vectors to Alternating Current". British Columbia Institute of Technology, 2004.
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