交流電簡(jiǎn)介

交流電（英文：AlternatingCurrent，簡(jiǎn)寫(xiě)AC）是指大小和方向都發(fā)生周期性變化的電流，因?yàn)橹芷陔娏髟谝粋€(gè)周期內(nèi)的運(yùn)行平均值為零，稱(chēng)為交變電流或簡(jiǎn)稱(chēng)交流電。英文簡(jiǎn)寫(xiě)為AC。不同直流電，其方向都是一樣。通常波形為正弦曲線。交流電可以有效傳輸電力。但實(shí)際上還有應(yīng)用其他的波形，例如三角形波、正方形波。生活中使用的市電就是具有正弦波形的交流電。

折疊交流電力傳輸

交流電被廣泛運(yùn)用于電力的傳輸，因?yàn)樵谝酝募夹g(shù)條件下交流輸電比直流輸電更有效率。傳輸?shù)碾娏髟趯?dǎo)線上的耗散功率可用P= I2R（功率=電流的平方×電阻）求得，顯然要降低能量損耗需要降低傳輸?shù)碾娏骰螂娋€的電阻。由于成本和技術(shù)所限，很難降低目前使用的輸電線路（如銅線）的電阻，所以降低傳輸?shù)碾娏魇俏ㄒ欢矣行У姆椒ā８鶕?jù)P=IU（功率=電流×電壓，實(shí)際上有效功率P= IUcosφ），提高電網(wǎng)的電壓即可降低導(dǎo)線中的電流，以達(dá)到節(jié)約能源的目的。

而交流電升降壓容易的特點(diǎn)正好適合實(shí)現(xiàn)高壓輸電。使用結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單的升壓變壓器即可將交流電升至幾千至幾十萬(wàn)伏特，從而使電線上的電力損失極少。在城市內(nèi)一般使用降壓變壓器將電壓降至幾萬(wàn)至幾千伏以保證安全，在進(jìn)戶(hù)之前再次降低至市電電壓（中國(guó)、香港220V）或者適用的電壓供用電器使用。 一般使用的交流電為三相交流電，其電纜有三條火線和一條公共地線，三條火線上的正弦波各有120°之相位差。對(duì)于一般用戶(hù)只使用其中的一或兩條相線（一條時(shí)需要零線）。

近年來(lái)直流變壓及輸電技術(shù)取得了長(zhǎng)足的發(fā)展，而高壓直流輸電的浪費(fèi)會(huì)比較?。灰虼宋磥?lái)有望取代交流電以解決交流電的安全性和交直流轉(zhuǎn)換問(wèn)題。

交流電傳輸過(guò)程詳解

我們得從電子與電荷講起。電流是電荷的流動(dòng)，而不是電子。電子是特指一種實(shí)物粒子，它可能?chē)@原子運(yùn)轉(zhuǎn)，也可能處于游離態(tài)；而電荷是一個(gè)抽象概念，泛指帶電粒子，可能是失去了電子的粒子，帶正電，也可能是得到了電子的粒子，帶負(fù)電。

電荷具有的勢(shì)能稱(chēng)為電勢(shì)，也就是電荷從一處向另一處移動(dòng)的趨勢(shì)，比如法拉弟告訴我們：導(dǎo)體切割磁感線時(shí)會(huì)就在導(dǎo)體上產(chǎn)生流動(dòng)的電荷。見(jiàn)下圖，一根與手掌四指方向平行的金屬棍沿姆指方向穿過(guò)磁場(chǎng)，兩端之間就會(huì)產(chǎn)生電勢(shì)：

人們一般用電壓來(lái)衡量電勢(shì)的大小，單位是伏特。電壓也稱(chēng)為電位差，類(lèi)似于高差。電位差也有正負(fù)，高處相對(duì)于低處是正，反之為負(fù)。比如干電池的正極相對(duì)于負(fù)極是+1.5V，負(fù)極相對(duì)于正極是-1.5V。

那么交流電是怎么回事呢？這又得從交流發(fā)電機(jī)說(shuō)起了。我們知道電磁式發(fā)電機(jī)的基本原理是利用機(jī)械能使線圈在磁場(chǎng)的兩極間轉(zhuǎn)動(dòng)；當(dāng)線圈轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)線圈切割磁感線，推動(dòng)電荷移動(dòng)產(chǎn)生電壓。見(jiàn)下圖：

由于線圈的運(yùn)動(dòng)呈周期性，在一個(gè)周期內(nèi)以?xún)蓚€(gè)不同的方向（對(duì)于線圈的一邊來(lái)說(shuō)）穿過(guò)磁場(chǎng)，電荷的運(yùn)動(dòng)方向完全相反，因此其產(chǎn)生的電壓呈正弦波形，如下圖所示：

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為了簡(jiǎn)化機(jī)械結(jié)構(gòu)，發(fā)電機(jī)一般設(shè)計(jì)為磁心在線圈中間轉(zhuǎn)動(dòng)。也就是說(shuō)讓磁場(chǎng)轉(zhuǎn)動(dòng)而不是線圈，下圖所示為一個(gè)線圈和磁心的結(jié)構(gòu)：

由于大型磁鐵轉(zhuǎn)子的加工成本非常高，穩(wěn)定性不佳，且難以控制磁場(chǎng)強(qiáng)度，因此轉(zhuǎn)子一般用電磁鐵來(lái)實(shí)現(xiàn)。也就是用電流通過(guò)鐵心上的繞阻來(lái)產(chǎn)生磁場(chǎng)，這種機(jī)制稱(chēng)為“勵(lì)磁”。下圖為一個(gè)實(shí)際的多極發(fā)電機(jī)的結(jié)構(gòu)示意圖：

為了最大化發(fā)電效率，一般要在發(fā)電機(jī)中按裝三個(gè)線圈，這三個(gè)線圈兩兩呈120度夾角分布。注意上圖中紅色、綠色和黃色的三條線就是三個(gè)線圈，中間青色的是鐵質(zhì)轉(zhuǎn)子，前面銅色的是繞阻，用來(lái)產(chǎn)生磁場(chǎng)。發(fā)電機(jī)工作的具體原理比較復(fù)雜，也不在本文的討論范圍之內(nèi)，因此就不細(xì)講了。

由于每個(gè)線圈都有兩端，發(fā)電機(jī)工作時(shí)電荷就會(huì)在這兩端之間往復(fù)移動(dòng)，形成前述的正弦波形電壓。如果在這兩端接上燈泡，就形成了電流回路。無(wú)論電路中電流的方向如何，經(jīng)過(guò)鎢絲（電阻）時(shí)都會(huì)做功產(chǎn)熱，燈也就亮了。電爐、電曖氣都是此原理。

電動(dòng)機(jī)的原理與發(fā)電機(jī)正好相反，是利用正弦波電流產(chǎn)生不斷變換方向的磁場(chǎng)，推動(dòng)磁芯轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動(dòng)。電子類(lèi)用電器情況就更復(fù)雜了，一般首先會(huì)經(jīng)過(guò)直流電源將交流電轉(zhuǎn)換為直流電再輸送給電子器件。這個(gè)交/直轉(zhuǎn)換的過(guò)程比較復(fù)雜，有興趣的同學(xué)可以參見(jiàn)這篇貼子：【火眼金睛 教你看懂電源內(nèi)部用料（原創(chuàng)）】。

為了節(jié)省發(fā)電機(jī)成本和輸電線材，發(fā)電機(jī)中的三個(gè)線圈的一端會(huì)連在一起，一般為Y型連接，這一端稱(chēng)為中性線。在上面的發(fā)電機(jī)結(jié)構(gòu)圖中可以看到三個(gè)線圈的一端分別接到了藍(lán)色的中性線上，而三個(gè)線圈的另一端就成為了發(fā)電機(jī)的三項(xiàng)輸出端。輸出的三條波型如下圖（b）所示。

中性線的電位也就是三條正弦波的平均值，即一直為零。此時(shí)雞賊的同學(xué)會(huì)跑來(lái)質(zhì)問(wèn)我：這三相的一端擰在一起了，那它們的電荷是怎么移動(dòng)的？嗯，這個(gè)問(wèn)題看了動(dòng)圖就明白了，請(qǐng)看：

http://zh.wikipedia.org/wiki/File:3-phase_flow.gif

上圖中左邊的三個(gè)線圈分別帶動(dòng)右邊的三個(gè)電阻（用電器），不同顏色的圓點(diǎn)就帶表電荷在不同回路上的運(yùn)動(dòng)方向?？梢钥吹?，每條回路的電流方向都是呈周期變化的。其實(shí)用這三個(gè)輸出端的任意兩端連接在電阻（用電器）上都可以形成回路。

上述只是一個(gè)非常簡(jiǎn)單的模型，與實(shí)際情況還是存在較大差異的。特別雞賊的同學(xué)就會(huì)發(fā)現(xiàn)問(wèn)題：如果按照那幅動(dòng)圖來(lái)說(shuō)，輸送到家里的兩根線應(yīng)該都是火線，只是相位不同罷了，可實(shí)際完全不是這么回事嘛！

為了解釋這個(gè)問(wèn)題，就要扯到供電網(wǎng)的結(jié)構(gòu)了，先說(shuō)一下什么是接地。地球可以認(rèn)為是一個(gè)非常良好的導(dǎo)體，接地就是把電荷引向大地。通常將大地作為標(biāo)準(zhǔn)零電位，那么接地的部分的電位也是零。下圖是一個(gè)接地極：

接下來(lái)看從發(fā)電廠到變電站的輸變電結(jié)構(gòu)圖：

上圖中三根紅線就是發(fā)電機(jī)出來(lái)的三相輸出，分別是A相，B相和C相。在左邊的發(fā)電機(jī)中三個(gè)線圈的一端擰在一起，連到一根中性線（中線）接地。

變壓器的輸出線圈也有三個(gè)輸出端，圖里只畫(huà)了一根火線L。如果是居民用電單位，比如有一個(gè)樓的三個(gè)單元共用一個(gè)變電站，往往會(huì)將三根火線分別送給這三個(gè)單元。對(duì)于每個(gè)住戶(hù)，輸入一根火線（相線）、一根中性線，有時(shí)還會(huì)加一根地線，這種輸電方式稱(chēng)為單相兩線制或單相三線制。下圖的插頭是單相三線到單相兩線的轉(zhuǎn)換插頭，內(nèi)部的地線懸空不接。

如果用電單位是工廠，那可能會(huì)將三根火線和一根中性線一并輸送，稱(chēng)為“三相四線制”，再加一根地線稱(chēng)為“三相五線制”。當(dāng)然也有一些小區(qū)會(huì)將三根相線都送入住宅，用于驅(qū)動(dòng)空調(diào)等大型用電器。下面是一個(gè)常見(jiàn)的家用三相四線插座/插頭，最下面一個(gè)孔是中性線。

通向所有的用電單位的零線都連接在變壓器輸出線圈的另一端，并連接至大地。這條線也稱(chēng)為中性線，其電位與發(fā)電機(jī)的中性線同樣為零，因此人們通常稱(chēng)為零線。

從理論上講發(fā)電廠的中線和變電站的中性線是可以不接地的，但是當(dāng)變電站輸出的三相負(fù)載不均衡時(shí)，中性線的電位就不為零，此時(shí)就需要將電荷導(dǎo)向大地，以保證用戶(hù)端的零線電位接近于零。

那這樣就非常清楚了，我們平時(shí)用的電都只是發(fā)電廠輸送過(guò)來(lái)的三相中的一相而已，而零線實(shí)際就等于發(fā)電機(jī)的中性線。如果只討論原理我們可以這樣認(rèn)為：電荷就是在火線和零線間往反運(yùn)動(dòng)，帶動(dòng)用電器做功。
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