AC：交流电

AC 或交流电（Alternating current）源自两个词，即“交替的”（Alternating）和“电流”（current）。电流是电子在物质、材料或物体中的流动。交替意味着重复的变化。因此，AC 是指电流大小和方向随时间不断变化的电流。

让我们详细了解一下

AC 由遍布世界各地的发电厂产生。这些发电厂可以是水力发电厂、汽车交流发电机等。

交流电从零开始，达到正向最大值，然后再次降至零。然后它再次开始，达到负向最大值，并再次降至零。这被定义为第一个周期。同样地，它会完成其他周期。

在这里，我们将讨论以下主题

历史

交流电波形

交流电频率

交流电阻

输电线路和电源

高电压

三相发电

电力传输

交流电公式

直流电的应用

交流电相对于直流电的优势

交流电相对于直流电的劣势

交流电 vs. 直流电

历史

• 1882 年，托马斯·爱迪生（美国发明家）在纽约发明了直流电系统。这是第一个基于直流电的电力系统。
• 当时，电力主要用于基于爱迪生发明的灯泡的照明。
• 电力也用于改进版的灯泡。
• 尼古拉·特斯拉发明了交流电动机和输电系统。乔治·威斯汀豪斯（美国工程师）在尼古拉·特斯拉（美国发明家和工程师）的帮助下，意识到了高压和长距离输电的用途。
• 乔治·威斯汀豪斯与查尔斯·普罗透斯·斯坦梅茨（通用电气的商业伙伴）共同建立了交流电系统。
• 多相交流电（使用同一台发电机产生多种交流电波）也是由尼古拉·特斯拉提出的。
• 在交流电和直流电的电流战争中，AC 因其在长距离输电中的应用而赢得了胜利。它是至今仍在使用的最可靠的输电方式之一。

交流电波形

正弦波形是最常见的交流电波形类型。示波器，也称为 CRO（阴极射线示波器），是一种显示波形的设备。它通常用于电压信号的可视化表示。显示信号以图表形式绘制，描绘了信号随时间的变化。

正弦交流电波形如下所示

信号的前半部分是正弦波的正半周。它表示电流的正方向。同样，后半部分是波形的负半周，表示电流的负方向。

交流电频率

交流电的频率可分为低频、中频和高频。高于 60Hz 的频率称为高频。发电最常见的频率是 50Hz 或 60Hz。低频也用于不同的应用，因为它能最大限度地减少阻抗损耗。但是，低频会导致白炽灯泡闪烁。

大多数国家都依赖于 50Hz 频率的应用。在 21 世纪初期，水力发电厂曾产生 25Hz 的频率。大约 400Hz 的频率用于各种应用，如飞机、军事、潜艇等。

为什么大多数国家更喜欢 50Hz 的频率而不是 60Hz？

当时的科学家发现，频率的增加会增加磁滞和涡流损耗。因此，为了减少电流损耗，50Hz 被用于不同的应用。

高频的影响

交流电的通常频率是 60Hz。这被认为是交流电运行的标准频率。60Hz 意味着每秒六十个周期。更高频率指的是大于 60Hz 的频率。

在高频下，对交流电的影响可以是

• 它会导致交流电压和信号增加。
• 高频电流在导体或电线的表面流动。

让我们详细讨论以上几点。

电流更多地在导体或电线的表面附近流动。随着深度的增加，电流减少。这意味着在电线或导体的中心附近没有电流流动。电流是由电子的流动产生的。在电线或导体中，电荷的加速会产生电磁辐射波。这里的电磁波指的是电磁场波。这种电磁波会抵消通过导体中心或高导电性材料的电流。这被称为趋肤效应。

一些高载流导体是中空的。这是因为趋肤效应。

导体的内部部分几乎不携带或不携带电流。制作中空导体不仅可以减轻重量，还可以降低成本。中空导体广泛用于输电线路。它还提高了其稳定性。

交流电阻

交流电阻通常高于直流电阻。直流电均匀地流过电线或导体。而交流电更多地集中在导体表面，这被称为趋肤效应。这导致了导体横截面积的减小。

我们知道电阻与横截面积成反比。横截面积的减小增加了交流电阻。因此，与直流电阻相比，交流电阻更高。交流电阻的增加也可能导致高能量损耗。

对于低频到中频范围，导体通常被分类为捆绑排列的绞线。这使得交流电能够均匀地通过绞合导体的总面积。这部分地减少了趋肤效应。捆绑排列的导线通常被称为利兹线。它用于传输射频电流。

基于利兹线的概念被用于不同的应用，例如

• 高品质因数电感器
• 减少在低频下承载大电流的导体中的损耗
• 承载大电流的设备
• 开关模式电源
• 射频变压器

降低交流电阻的方法

让我们讨论降低交流电电阻的方法。

• 光纤
  光纤是一种以波的形式传输信号的方法，波在其核心中传播。光纤的工作原理是全内反射（TIR）。它在为传输过程提供安全功能和电气隔离方面起着重要作用。使用其他模式（如双绞线、波导等）传输超过200GHz的信号变得困难。因此，对于频率高于 200GHz 的交流电传输，首选光纤。
• 波导
  波导是一种中空导体或金属管，用于传输波。它不能直接传输功率。相反，功率通过引导的电磁场传输。对于频率高于 5GHz 的交流电传输，首选波导。与同轴电缆相比，波导可以以较低的损耗传输微波频率。
  波导的结构包括内核和管壁。引导电磁场产生的表面电流防止了场从波导中泄漏。由非导电材料制成的波导会增加功率耗散。因此，首选材料通常是金属。
• 同轴电缆
  同轴电缆适用于频率约为5GHz的交流电传输。同轴电缆在 5GHz 以下的损耗很低。高于 5GHz 的频率是微波频率。在此类频率以上传输会导致更多的传输损耗。因此，对于微波频率，首选波导。
  同轴电缆的结构包括一根导电管，内部有一根导线。管和导线之间由介电层隔开。一些同轴电缆还包括外部保护套。
  电缆的内部和外部部分产生电磁场。这是由于内导体和外管内壁中流动的相反电流所致。
• 双绞线
  双绞线是一种由两根绞合在一起的导体组成的电缆。绞合有助于提高其在电磁环境中的功能性。它适用于频率约为 1GHz 的交流电传输。它也用于平衡信号系统，其中两根导线承载大小相等、方向相反的电流。
  在辐射损耗方面，两根导线都会辐射一个信号，该信号被另一根导线抵消。两边辐射的抵消导致没有传输损耗。

输电线路和电源

用于从一个电路向另一个电路传输能量的设备称为变压器。它可以升高或降低电压水平。它允许交流电压通过电力线路传输。

电力线路是用于长距离输电的三相线路。它也可以传输高电压。电线的有效电阻有助于减少热量损失，并以更安全、更低电压的方式传输交流电供使用。

功率损耗公式为

其中，

P 是功率损耗

R 是电阻

I 是电流（安培）

如果电流减半，功率损耗将减少到四分之一。

解释如下

I = I/2
P' = (I/2) ^2 R
P' = (I/4) R
P' = I R / 4
P' = P/4

变压器

变压器由初级绕组和次级绕组组成。变压器的初级绕组连接到交流电源，次级绕组向负载供电。变压器具有升压或降压的能力。其应用包括升高低交流电压、降低高交流电压等。

近年来，变压器已成为交流配电的重要组成部分。它有各种设计和尺寸。它是一种电子设备，从小变压器到用于交流配电系统的大型变压器不等。

交流发电机

交流发电机是产生交流电的设备。它也被称为交流发电机。交流发电机与普通发电机在输出电压方面有所不同。普通发电机可以产生交流电和直流电，而交流发电机只能产生交流电。

它可以是带有旋转电枢和静止磁场的线性交流发电机。交流发电机也可以有旋转磁场和静止电枢。带有旋转磁场的交流发电机被认为是成本较低的简单交流发电机。与直流电机相比，交流发电机中的定子不用于向转子提供磁通量。相反，交流发电机中的定子用于固定电枢绕组。

交流发电机可以是单相（一个相）和多相（多个相）的。多相交流发电机还包括六相交流发电机，通常用于大型整流器。三相交流发电机通常用于发电和输电。

交流电机

交流电机被定义为依靠施加的交流电运行的电动机。交流电机的两个主要部分是定子和转子。定子是电机的静止部分，当提供电流时产生磁场。转子是电机的内部部分。

定子为转子提供磁场。定子可以是永磁体或电磁体。让我们来看一下交流电机和直流电机之间的一些区别。

• 交流电机的电枢是静止的，而直流电机的电枢是旋转的。
• 交流电机只能在交流电源上运行。
• 交流电机有单相和三相配置，而直流电机只有单相配置。
• 交流电机的使用寿命比直流电机长，因为交流电机没有电刷和滑环，从而无需维护。

交流电机有两种类型，称为同步电机和异步电机。在这两种电机中，同步电机成本较高，效率更高。在同步电机中，转子的速度与定子产生的磁场速度相等。它需要额外的启动扭矩才能使转子的速度等于同步速度。

异步电机也称为感应电机。转子的速度较慢，并且不需要由电源产生的额外启动扭矩。

更高电压

高于 1KV 或 1000V 的电压被认为是高交流电压。在高电压下，长距离输电变得容易。因此，高电压是首选。交流电从高到低以及反之的转换能力使其易于在高电压下传输。但是，这并不意味着直流电不能传输高电压。使用直流电进行高压传输还有其他优点。

根据“I^2 R”损耗或欧姆定律，高压输电在交流和直流中都是可行的。如今，为了提高效率，高压直流（HVDC）也用于长距离输电。由于成本、电压转换等原因，交流电主要用于高压输电线路。

传输高电压的优点是：

• 提高效率
• 低功率损耗

传输高电压的缺点如下所列：

• 需要增加绝缘
• 处理困难

以较高电压传输的功率比以较低电压水平传输的相同功率具有更少的电流损耗。输电线路中传输的功率约为数百千伏。功率在降压至数十千伏后进一步传输到低压线路。功率再次降压用于家庭，电压在 100 至 230V 之间。

我们知道电力是通过三相输电线路传输的。让我们详细讨论三相输电。我们也将讨论单相输电。

三相发电

让我们详细讨论三相发电。

什么是三相系统？

三相系统广泛用于传输电力。它也用于为电动机供电。两相系统和单相系统也是电力传输的一部分。

三相电路由三个交流电相组成，它们之间相差 120 度角。它产生的电流波形也等距分开。三个电流波形相互之间相位相差 120 度。

通常首选极数较多的电路。分离角可以通过将 360 除以极数 x 3 来计算。这是因为一个极由三个相组成。一个 12 极的机器将包括 12x3 = 36。

分离度将是 360/36 = 10 度的间距。

在线性负载的情况下，所有相的电流将相等。中性点将没有电流流过。如果我们考虑最坏情况下的线性负载，中性电流仍不会超过最大相电流。但是，在非线性负载的情况下，可能会出现谐波。

与两相系统和单相系统相比，三相系统输送相同功率所需的导电材料更少。它具有更高的效率、更低的功率损耗。因此，三相系统通常用于商业用途。

为什么三相系统在电动机中更受欢迎？

电动机需要连续的电流才能运行。三相系统在负载均衡的情况下，承载等量的电流。三相系统产生的磁场具有恒定的幅值，不需要启动扭矩。因此，三相系统通常在电动机中更受欢迎。

带中性线的单相系统比三相系统更好吗？

编号。

单相系统由一相和一根中性线组成。而三相系统有三个相，可以传输相当于单相三倍的功率。单相系统主要用于家庭。

第四根线的概念

三相系统通常需要使用第四根线，即中性线。中性线也与单相系统和两相系统一起用于小规模应用。带中性线的三相系统用于大型设备。中性线确保向三相提供恒定的电压。连接方式使得电力系统的每一相都能提供相等的功率。

第四根线的概念在不平衡负载中也很有用。流过电路的不平衡或额外电流通过第四根线或中性线找到路径。这使得电器能够接收到所需的相电压。

它有助于实现所需的性能。中性线位于地电位。因此，任何通过中性线的电流都不会影响通过电器的其他相电压。

电力传输

电力传输可以是架空和地下。让我们详细讨论这两种电力传输技术。

架空交流输电

架空交流输电指的是通过电线杆悬挂的架空电线进行远距离传输。它由导线形式的导体组成，将电流从一个地方传到另一个地方。这些导线没有覆盖任何类型的绝缘材料。空气是架空输电中这类导线的唯一绝缘材料。它是由常用合金材料铝制成的股线形式。这是因为铝的重量轻。

导体的材料和电阻取决于其载流能力。较少使用的中心部分的材料和重量成本更高。因此，在高电压下使用成束的多股导体。这也减少了能量损失。

高于 765,000V 或 765kV 的电压称为特高压。用于架空输电的中压约为 110,000V 或 110kV。

外部环境条件，如大风或大雨，可能会损坏电线杆或相关电路。

地下交流输电

电力也可以通过地下传输。由于使用地下电缆，地下交流输电通常受外部天气条件的影响较小。但是，地下电缆的成本高于架空电缆的成本。

任何泄漏或电气故障都可能损坏地下管道。液氮用于冻结损坏部分。这些管道的维修成本通常很高。

用于地下传输的交流电缆因其电容而长度受限。它无法为超过 80 公里的负载提供电力。而对于直流电，电缆不受电容限制。它需要高压直流（HVDC）站将直流电转换为交流电。HVDC 站用于直流电缆的两端以实现有效传输。

交流电公式

其中，

P 是功率

功率的单位是瓦特。

V 是电压

电压的单位是伏特

I 是电流

电流的单位是安培

我们知道 V = IR

将 V 的值代入方程 1，我们得到

我们知道，I = V/R

将 I 的值代入方程 2，我们得到

交流电压作为时间的函数可以表示为

v(t)=Vpsinωt

其中，

Vp - 峰值电压

ω - 角频率

角频率也可以写成

ω=2πf

其中，

F 是频率，单位为赫兹

交流功率

如上所述，

交流功率可以表示为

其中，

R 是负载电阻

P(t) 是作为时间函数的瞬时功率。

让我们计算平均功率。

平均功率可以表示为

就交流电压而言，电流可以表示为

代入值 v(t)=Vpsinωt，我们得到

功率可以表示为

P(t) = v(t)i(t)

将 i(t) 的值代入上式，我们得到

正弦波的 RMS 电压可以表示为

三角波的 RMS 电压可以表示为

方波的 RMS 电压可以表示为

交流相量图

让我们考虑正弦波的相量图。

相量定义为以恒定频率 w 逆时针旋转的向量。

交流电压表示为

V=Vocosωt

交流电表示为

I=Iocosωt

如上所述，

V = IR

将交流电（I）的值代入上式，我们得到

V=Iocosωt×R
V=(IoR)cosωt
V=Vr×cosωt

其中，

Vr 是瞬时电位。

交流电路的电容

I = dq/dt

我们知道：

I=Icosωt

代入 I 的值，我们得到

对两边积分，我们得到

我们知道，

Vc = q/C

将 q 的值代入上式，我们得到

在纯电容的情况下，

交流电的应用

让我们讨论交流电（AC）的应用。其范围从家庭到工业。

• 为电动机供电
  电动机有两种类型，称为交流电机和直流电机。交流电机只能使用交流电运行，而直流电机可以在交流电和直流电上运行。电动机由三个部分组成，即定子、转子和换向器。交流电帮助定子为转子提供磁场，从而帮助其旋转。
• 家用电器
  大多数家用电器都使用交流电源。交流电可以轻松高效地转换为低电压。这些电器内置了 AC-DC 转换器。在这种情况下，电器的内部过程将交流电压转换为直流电压，以帮助其运行。这些电器包括冰箱、烤面包机、空调等。
• 电力传输
  交流电更适合长距离传输。与直流电压相比，它具有更高的效率。例如，从发电站向远方用户输送电力。
• 直流电的来源
  使用不同的设备将交流电转换为直流电。常见的例子包括整流器。整流器内置于使用直流电的设备中。它将交流电压转换为直流电压。

交流电相对于直流电的优势

让我们讨论交流电相对于直流电的优势。

• 交流电可以很容易地转换为更高或更低的电压。长距离输电通常需要更高的电压。因此，在这种情况下首选交流电。
• 交流电的传输损耗较小。
• 它比直流电便宜。
• 与直流电相比，它可以覆盖更远的距离。
• 借助整流器等设备，AC 到 DC 的转换过程更简单。

交流电相对于直流电的劣势

让我们讨论交流电相对于直流电的缺点。

• 交流电的电击是吸引性的，而直流电的电击是排斥性的。这意味着交流电会导致更多的肌肉收缩。直流电通常只有一次收缩，将人推离电流源。
• 在高电压下，交流电比直流电更危险。
• 交流电不直接用于电子设备、电镀等。对于这些应用，它首先被转换为直流电。
• 交流电中可能出现谐波。
• 交流电的效率低于直流电。

交流电 vs. 直流电

AC 和 DC 决定了电路中电流的流动方式。让我们讨论一下 AC 和 DC 之间的区别。

交流电与脉冲直流电的关系

直流脉冲是线性的，如下图所示

脉冲直流的波形同时具有交流电和直流电的特性。脉冲直流的大小可变，方向恒定。

使用整流器（全波或半波）将交流电转换为脉冲直流电。交流电的平均值为零，而脉冲直流电的平均值是恒定的。它用于不同目的，如整流、半导体制造等。脉动直流电的主要用途是在 PWM（脉冲宽度调制）控制器中。