交流电

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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。

交流电的波形

发展历史

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

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·特斯拉取得交流发电机的专利,特斯拉称之为交流电之父。

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。

发电机

旋转磁场发电机

交流发电机通常采用旋转磁场设计,电枢静止,这样便不需要使用电刷和滑环取电。

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。

异步发电机没有磁石,利用定子与转子间气隙旋转磁场,与转子绕组中感应电流相互作用来发电。异步发电机需要电容或同步发电机提供无功功率才可以运作,因此通常不能黑启动,即是不借助外部电力来启动。

电力传输

交流电被广泛运用于电力的传输,因为在以往的技术条件下交流输电比直流输电更有效率。传输的电流在导线上的耗散功率可用焦耳定律( P=I²R)求得,显然要降低能量损耗需要降低传输的电流或电线的电阻。由于成本和技术所限,很难降低目前使用的输电线路(如铜线)的电阻,所以降低传输的电流是唯一而且有效的方法。根据P=IU(实际上有功功率),提高电网的电压即可降低导线中的电流,以达到节约能源的目的。

而交流电升降压容易的特点正好适合实现高压输电。使用结构简单的升压变压器即可将交流电升至几千至几十万伏特,从而使电线上的电力损失极少。在城市内一般使用降压变压器将电压降至几万至几千伏以保证安全,在进户之前再次降低至市电电压或者适用的电压供用电器使用。

随着电力电子学的发展,愈来愈多长距离输电采用高压直流输电(HVDC),直流电功率因素是效率更高。在日本,糸鱼川静冈构造线以东为50Hz、以西为60Hz,在静冈县与长野县设有三处频率转换变电所联网,而本州与北海道及四国间则以海底HVDC连结。


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