1.5　直流电与交流电

1.5.1　直流电

直流电是指方向始终固定不变的电压或电流。能产生直流电的电源称为直流电源，常见的干电池、蓄电池和直流发电机等都是直流电源，直流电源常用图1-19（a）所示的图形符号表示。直流电的电流方向总是由电源的正极流出，再通过电路流到负极。在图1-19（b）所示的直流电路中，电流从直流电源正极流出，经电阻R和灯泡流到负极结束。

直流电又分为稳定直流电和脉动直流电。

1．稳定直流电

稳定直流电是指方向固定不变并且大小也不变的直流电。稳定直流电可用图1-20（a）所示波形表示，稳定直流电的电流I的大小始终保持恒定（始终为6mA），在图中用直线表示；直流电的电流方向保持不变，始终是从电源正极流向负极，图中的直线始终在t轴上方，表示电流的方向始终不变。

2．脉动直流电

脉动直流电是指方向固定不变，但大小随时间变化的直流电。脉动直流电可用图1-20（b）所示的波形表示，从图中可以看出，脉动直流电的电流I的大小随时间做波动变化（如在t1时刻电流为6mA，在t2时刻电流变为4mA），电流大小波动变化在图中用曲线表示；脉动直流电的方向始终不变（电流始终从电源正极流向负极），图中的曲线始终在t轴上方，表示电流的方向始终不变。

1.5.2　单相交流电

交流电是指方向和大小都随时间作周期性变化的电压或电流。交流电类型有很多，其中最常见的是正弦交流电，因此这里就以正弦交流电为例来介绍交流电。

1．正弦交流电

正弦交流电的符号、电路和波形如图1-21所示。

下面以图1-21（b）所示的交流电路来说明图1-21（c）所示正弦交流电波形。

①0～t1期间：交流电源e的电压极性是上正下负，电流I的方向是：交流电源上正→电阻→交流电源下负，并且电流I逐渐增大，电流逐渐增大在图1-21（c）中用波形逐渐上升表示，t1时刻电流达到最大值。

②t1～t2期间：交流电源e的电压极性仍是上正下负，电流I的方向仍是：交流电源上正→电阻→交流电源下负，但电流I逐渐减小，电流逐渐减小在图1-21（c）中用波形逐渐下降表示，t2时刻电流为0。

③t2～t3期间：交流电源e的电压极性变为上负下正，电流I的方向也发生改变，图1-21（c）中的交流电波形由t轴上方转到下方表示电流方向发生改变，电流I的方向是：交流电源下正→电阻→交流电源上负，电流反方向逐渐增大，t3时刻反方向的电流达到最大值。

④t3～t4期间：交流电源e的电压极性仍为上负下正，电流仍是反方向，电流的方向是：交流电源下正→电阻→交流电源上负，电流反方向逐渐减小，t4时刻电流减小到0。

t4时刻以后，交流电源的电流大小和方向变化与0～t4期间变化相同。实际上，交流电源不但电流大小和方向按正弦波变化，其电压大小和方向变化也像电流一样按正弦波变化。

2．周期和频率

周期和频率是交流电最常用的两个概念，下面以图1-22所示的正弦交流电波形图来说明。

（1）周期

从图1-22可以看出，交流电变化过程是不断重复的，交流电重复变化一次所需的时间称为周期，周期用T表示，单位是秒（s）。图1-22所示交流电的周期T=0.02s，说明该交流电每隔0.02s就会重复变化一次。

（2）频率

交流电在1秒内重复变化的次数称为频率，频率用f表示，它是周期的倒数，即

频率的单位是赫兹（Hz）。图1-22所示交流电的周期T=0.02s，那么它的频率f=1/T=1/0.02=50Hz，该交流电的频率f=50Hz，说明在1s内交流电能重复0～t4这个过程50次。交流电变化越快，变化一次所需的时间越短，周期就越短，频率就越高。

3．瞬时值和有效值

（1）瞬时值

交流电的大小和方向是不断变化的，交流电在某一时刻的值称为交流电在该时刻的瞬时值。以图1-22所示的交流电压为例，它在t1时刻的瞬时值为220V（约为311V），该值为最大瞬时值，在t2时刻瞬时值为0V，该值为最小瞬时值。

（2）有效值

交流电的大小和方向是不断变化的，这给电路计算和测量带来不便，为此引入有效值的概念。下面以图1-23所示电路来说明有效值的含义。

图1-23所示两个电路中的电热丝完全一样，现分别给电热丝通交流电和直流电，如果两电路通电时间相同，并且电热丝发出热量也相同，对电热丝来说，这里的交流电和直流电是等效的，那么就将图1-23（b）中直流电的电压值或电流值称为图1-23（a）中交流电的有效电压值或有效电流值。

交流市电电压为220V指的就是有效值，其含义是虽然交流电压时刻变化，但它的效果与220V直流电是一样的。没特别说明，交流电的大小通常是指有效值，测量仪表的测量值一般也是指有效值。正弦交流电的有效值与瞬时最大值的关系是

例如，交流市电的有效电压值为220V，它的最大瞬时电压值=220≈311（V）。

4．交流电的相位与相位差

（1）相位

正弦交流电的电压或电流值变化规律与正弦波一样，为了分析方便，将正弦交流电波形放在图1-24所示的坐标中。

图中画出了交流电的一个周期，一个周期的角度为2π，一个周期的时间为T=0.02s。从图中可以看出，在不同的时刻，交流电压所处的角度不同，如在t=0时刻的角度为0°，在t=0.005s时刻的角度为π/2（或90°），在t=0.01s时刻的角度为π（180°）。

交流电在某时刻的角度称为交流电在该时刻的相位。图1-24所示的交流电在t=0.005s时刻的相位为π/2，在t=0.01s时刻的相位为π。交流电在t=0时刻的角度称为交流电的初相位，图1-24中的交流电初相位为0°。对于初相位为0°的交流电，可用下面的式子表示：

U=Umsinωt

式中，U为交流电压的瞬时值；Um为交流电压的最大值；ωt为交流电压的相位，其中ω为交流电的角频率，ω=2π/T=2πf。利用上面的公式可以求出交流电压在任意时刻的相位及该时刻的电压值。

例如，已知某交流电压的周期T=0.02s，最大电压值Um=10V，初相位为0°，求该交流电压在t=0.015s时刻的相位及电压。

先求出交流电压在t=0.015s时刻的相位ωt：

再求交流电压在t=0.015s时刻的电压值U：

有些交流电在t=0时刻的相位并不为0°（即初相位不为0°），如图1-25所示。在t=0时刻，U2的初相位为0°，它可以用U2=Umsinωt表示；U1的初相位不为0°，而为φ。对于初相位不为0°的交流电压可用下面的式子表示

式中，Um为交流电压的最大值；(ωt+φ)为交流电压的相位；φ为交流电压的初相位（即t=0时的相位）。

图1-25中，U1的初相位φ=π/2，它的表达式为U1=Umsin(ωt+π/2)，根据这个表达式可以求出U1在任何时刻的相位和电压值。

（2）相位差

相位差是指两个同频率交流电的相位之差。如图1-26（a）、（b）所示，两个同频率的交流电流i1、i2分别从两条线路流向A点，在同一时刻，到达A点的i1、i2交流电的相位并不相同，在t=0时刻，i1的相位为π/2，而i2相位为0°，在t=0.01s时刻，i1的相位为3π/2，而i2相位为π，两个电流的相位差为(π/2−0°)=π/2或(3π/2−π)=π/2，即i1、i2的相位差始终是π/2。在图1-26（b）中，若将i1的前一段补充出来（虚线所示），也可以看出i1、i2的相位差是π/2，并且i1超前i2 π/2（90°）。

两个交流电存在相位差实际上就是两个交流电变化存在着时间差。如图1-26（b）所示的两个交流电，在t=0时刻，i1电流的值为5mA，i2电流的值为0；而到t=0.005s时，i1电流的值变为0，i2电流的值变为5mA；也就是说，i2电流变化总是滞后i1电流的变化。

要在坐标图中求出两个同频率交流电的相位差，可采用下面两种方法。

若将两个交流电建立在x轴表示时间（t）的坐标图中，要求出它们的相位差，就需先确定在某一时刻各交流电的相位，然后对它们进行求差，即可得出相位差。在图1-26（b）中，两个交流电流i1、i2在t=0时刻的相位分别是π/2和0°，那么它们的相位差是（π/2−0°）=π/2，而哪个交流电相位超前或落后，可根据相位差结果的正负来判断，结果为正说明相位作被减数的交流电相位超前，为负说明相位作被减数的交流电相位落后，i1、i2相位差为（π/2−0°），i1相位作被减数，相位差为正，所以i1相位超前。

若将两个交流电建立在x轴表示角度（ωt）的坐标图中，要求出它们的相位差，可以在两个交流电上取性质相同的相邻两个点，求得两点之间相差的角度就能得出两者的相位差。在图1-26（c）中，i1的E点与i2的F点性质相同（两点变化趋势相同）且相邻，两点相差的角度(π−π/2)=π/2，那么它们之间的相位差就为π/2，点位置在前的交流电相位超前，E点在F点前面，故i1相位超前i2。需要说明的是，i1的E点与i2的H点性质相同但不相邻，故不能将它们之间的角度差看成相位差。

1.5.3　三相交流电

1．三相交流电的产生

目前应用的电能绝大多数是由三相发电机产生的，三相发电机与单相发电机的区别：三相发电机可以同时产生并输出三组电源，而单相发电机只能输出一组电源，因此三相发电机效率较单相发电机更高。三相交流发电机的结构示意图如图1-27所示。

从图1-27中可以看出，三相发电机主要由互成120°且固定不动的U、V、W三组线圈和一块旋转磁铁组成。当磁铁旋转时，磁铁产生的磁场切割这三组线圈，这样就会在U、V、W三组线圈中分别产生交流电动势，各线圈两端就分别输出交流电压UU、UV、UW，这三组线圈输出的三组交流电压就称为三相交流电压。一些常见的三相交流发电机每相交流电压大小为220V。

不管磁铁旋转到哪个位置，穿过三组线圈的磁感线都会不同，所以三组线圈产生的交流电压也就不同。三相交流发电机产生的三相交流电波形如图1-28所示。

从图1-28中可以看出，UU、UV、UW三相交流电压的相位都不相同，在三个电压上取性质相同且相近的A、B、C三个点，三个点之间相差的角度都是120°，即这三个交流电压相位差都是120°，它们在任意时刻的电压值可分别用下面的表达式来求：

UU=Umsinωt

UV=Umsin(ωt−120°)

UW=Umsin(ωt−240°)

2．三相交流电的供电方式

三相交流发电机能产生三相交流电压，将这三相交流电压供给用户可采用三种方式：直接连接供电、星形连接供电和三角形连接供电。

（1）直接连接供电方式

直接连接供电方式如图1-29所示。

直接连接供电方式是将发电机三组线圈输出的每相交流电压分别用两根导线向用户供电，这种方式共需用到六根供电导线，如果在长距离供电时采用这种供电方式，则成本会很高。

（2）星形连接供电方式

星形连接供电方式如图1-30所示。

星形连接是将发电机的三组线圈末端连接在一起，并接出一根线，称为中性线N，三组线圈的首端各引出一根线，称为相线，这三根相线分别称为U相线、V相线和W相线。三根相线分别连接到单独的用户，而中性线则在用户端一分为三，同时连接三个用户，这样发电机三组线圈上的电压就分别提供给各自的用户。在这种供电方式中，发电机三组线圈连接成星形，并且采用四根线来传送三相电压，故称为三相四线制星形连接供电方式。

任意一根相线与中性线之间的电压都称为相电压UP，该电压实际上是任意一组线圈两端的电压。任意两根相线之间的电压称为线电压UL。从图1-30中可以看出，线电压实际上是两组线圈上的相电压叠加得到的，但线电压UL的值并不是相电压UP的2倍，因为任意两组线圈上的相电压的相位都不相同，不能进行简单的乘2来求得。根据理论推导可知，在星形连接时，线电压是相电压的倍，即

如果相电压UP=220V，则根据上式可计算出线电压约为380V。在图1-30中，三相交流电动机的三根线分别与发电机的三根相线连接，若发电机的相电压为220V，那么电动机三根线中的任意两根之间的电压就为380V。

（3）三角形连接供电方式

三角形连接供电方式如图1-31所示。

三角形连接是将发电机的三组线圈首末端依次连接在一起，连接方式呈三角形，在三个连接点各接出一根线，分别称为U相线、V相线和W相线。将三根相线按图1-31所示的方式与用户连接，三组线圈上的电压就分别提供给各自的用户。在这种供电方式中，发电机三组线圈连接成三角形，并且采用三根线来传送三相电压，故称为三相三线制三角形连接供电方式。

在三角形连接方式中，相电压UP（每组线圈上的电压）和线电压UL（两根相线之间的电压）是相等的，即

UL=UP

在图1-31中，如果相电压为220V，那么电动机三根线中的任意两根之间的电压也为220V。