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1.5 直流电与交流电

1.5.1 直流电

1.符号

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,如图1-17a所示。直流电源常用图1-17b所示的图形符号表示。直流电的电流方向总是由电源正极流出,通过电路流到负极。在图1-17c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。

图1-17 直流电源与直流电路

2.种类

直流电又分为稳定直流电和脉动直流电。

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1-18a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。

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1-18b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 t 1 时刻电流为6mA,在 t 2 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。

图1-18 直流电

1.5.2 单相交流电

交流电是指方向和大小都随时间做周期性变化的电压或电流。 交流电类型很多,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进行介绍。

1.正弦交流电

正弦交流电的符号、电路和波形如图1-19所示。

图1-19 正弦交流电

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1-20所示的正弦交流电波形图来说明。

(1)周期

从图1-20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,用 T 表示,单位是秒(s) 。图1-20所示交流电的周期为 T =0.02s,说明该交流电每隔0.02s就会重复变化一次。

图1-20 正弦交流电的周期、频率和瞬时值说明图

(2)频率

交流电在每秒钟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,

频率的单位是赫兹(Hz) 。图1-20所示交流电的周期 T =0.02s,那么它的频率 f =1/ T =1/0.02s=50Hz,该交流电的频率 f =50Hz,说明在1s内交流电能重复0~ t 4 这个过程50次。交流电变化越快,变化一次所需要时间越短,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1-20所示的交流电压为例,它在 t 1 时刻的瞬时值为 (约为311V),该值为最大瞬时值,在 t 2 时刻的瞬时值为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1-21所示电路为例来说明有效值的含义。

图1-21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,如果两个电路通电时间相同,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1-21b中直流电的电压值或电流值称为图1-21a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

图1-21 交流电有效值的说明图

例如,交流市电的有效电压值为220V,它的最大瞬时电压值= ≈311V。

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在于,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1-22所示。

图1-22 三相交流发电机的结构示意图

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、星形联结供电和三角形联结供电。

(1)直接连接供电方式

直接连接供电方式如图1-23所示。

图1-23 直接连接供电方式

(2)星形联结供电方式

星形联结供电方式如图1-24所示。

图1-24 星形联结供电方式

星形联结是将发电机的三组线圈末端都连接在一起,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,故称作三相四线制星形联结供电方式。

任意一根相线与中性线之间的电压都称为相电压 U P ,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 U L 。从图1-24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 U L 的值并不是相电压 U P 的2倍,因为任意两组线圈上的相电压的相位都不相同,不能进行简单地乘2来求得。根据理论推导可知, 在星形联结时,线电压是相电压的 倍,

如果相电压 U P =220V,根据上式可计算出线电压约为380V。在图1-24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)三角形联结供电方式

三角形联结供电方式如图1-25所示。

图1-25 三角形联结供电方式

三角形联结是将发电机的三组线圈首末端依次连接在一起,联结方式呈三角形,在三个连接点各接出一根线,分别称作U相线、V相线和W相线。将三根相线按图1-25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,故称作三相三线制三角形联结供电方式。

三角形联结方式中,相电压 U P (每组线圈上的电压)和线电压 U L (两根相线之间的电压)是相等的,

U L = U P

在图1-25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。 SlUdilX6NTJKN/B0NE8eN2AY7LBWi3nF3Uhf8FENYtm8RHf8VhsLTnX03Yrg0kkH

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