交流电是什么?关于交流电的详细介绍

创闻科学2020-11-16 15:13:29

交流电流(Alternating Current,缩写:AC)是指大小和方向都发生周期性变化的电流,在一个周期内的运行平均值为零。不同于直流电,后者的方向是不会随着时间发生改变的,并且直流电没有周期性变化。

通常波形为正弦曲线。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。

交流电发展历史

早期的发现由英国人麦可·法拉第(Michael Faraday)与法国人波利特·皮克西(Hippolyte Pixii)等人开发出来。当发现了电磁感应后,产生交流电流的方法就被知晓。

1882年,英国电工詹姆斯·戈登建造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。

1891年,尼古拉·特斯拉取得了“高频率”(15,000赫兹)交流发电机的专利。

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、白炽灯或电动机使用。

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。

简谐交流电

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。

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。

峰值和有效值

在简单模型中交流电的峰值与正弦波的振幅相关联,交流电峰值与均方根值(有效值)的关系为:市电220V表示有效值,其峰值为311V。根据定义,经计算得到交流电的最大值等于其有效值的√2倍。实际工程中所说的交流电压、电流的大小,若无特殊说明,均指交流电的有效值。如交流电气设备上所标的额定电压和额定电流,电工仪表所指示或显示的数值等都是有效值 。

发电机

发电机的形式很多,但其工作原理都基于电磁感应定律和电磁力定律。因此,其构造的一般原则是:用适当的导磁和导电材料构成互相进行电磁感应的磁路和电路,以产生电磁功率,达到能量转换的目的。

发电机的分类可归纳如下:

发电机直流发电机、交流发电机同步发电机、异步发电机(很少采用)

交流发电机还可分为单相发电机与三相发电机。同步发电机的磁场来自永久磁铁或电磁铁。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。

电力传输

直流线路造价低,但换流站造价高,所以一般来说,交流输电适合于近距离输电,直流适合于远距离输电,远距离输电终归较少,所以总体而言交流更经济。其实有个平衡距离,认为架空线超过600-800km,电缆线路超过40-60km直流输电较交流输电经济。当然,随着高电压大容量可控硅及控制保护技术的发展,换流设备造价逐渐降低,这个距离会缩短。这是次次主要的原因。

交流输电构成网架更灵活,配送电更方便。这是最主要的原因,纯直流怎么组网,怎么落点,怎么发电-输电-配电,怎么灵活引出各种电压等级配电?这是交流电与直流电相比所具有的独特优势。直流目前来说还较单一,一般只能用于端对端输电,难以引出分支,而多端直流太昂贵。

交流电相位分类

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。三条火线上的正弦波各有120°相位差,主要为工业用。

交流电动势的波形是按正弦曲线变化的,其数学表达式为:e=EmSinωt。 上式表明在计时开始瞬间导体位于水平面时的情况。如果计时开始时导体不在水平面上,而是与中性面相差一个角,那么在t=0时,线圈中产生的感应电势为E=Emsinψ。

若转子以ω角度旋转,经过时间t后,转过ωt角度,此时线圈与中性面的夹角为:(ωt+ψ) 上式为正弦电势的一般表达式,也称作瞬时值表达式。式中: ωT+ψ-----------------相位角,即相位; ψ---------------初相角,即初相。表示t=0时的相位。

在一台发电机中,常有几个线圈,由于线圈在磁场中的位置不同,因此它们的初相就不同,但是它们的频率是相同的。另外,在同一电路中,电压与电流的频率相同,但往往初相也是不同的,通常将两个同频率正弦量相位之差叫相位差。