一、正弦交流電的基本特點(diǎn)
大小和方向隨時(shí)間做有規(guī)律變化的電壓和電流稱為交流電。正弦交流電是隨時(shí)間按照正弦函數(shù)規(guī)律變化的電壓和電流。交流電的大小和方向都隨時(shí)間不斷變化，也就是說，每一瞬間電壓（電動(dòng)勢(shì)）和電流的數(shù)值都不相同。
圖2-1 不同交流電的波形
正弦波的解析圖如圖2-2所示。如果圓周上的一點(diǎn)D 由D0開始以恒定角速度旋轉(zhuǎn)，在任意時(shí)刻，如D0、D1、D2……在y軸上的坐標(biāo)（或在y軸上的分量）可以用正弦函數(shù)的公式sinθ來表示，設(shè)圓的半徑為r，相位角為θ，當(dāng)D 繞圓心旋轉(zhuǎn)一周時(shí)，y的值與旋轉(zhuǎn)角度的關(guān)系就是一個(gè)正弦曲線。
在現(xiàn)代工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)和日常生活中，從發(fā)電站送來的電能都是交流電，而各種電池提供的能源則都是直流電。交流電在生產(chǎn)和使用中具有明顯的優(yōu)勢(shì)和重大的經(jīng)濟(jì)意義。例如，在遠(yuǎn)距離傳輸時(shí)，將交流電的電壓升高，采用高壓輸電線可減少線路上的電能損耗；當(dāng)電能輸送到用戶，又可進(jìn)行降壓處理，以便安全使用。這種升壓和降壓，在交流供電系統(tǒng)中可以很方便地由變壓器來實(shí)現(xiàn)。很多用電設(shè)備（例如交流異步電動(dòng)機(jī)和照明設(shè)備）直接由交流電源驅(qū)動(dòng)。交流電也可以借助于變壓器和整流設(shè)備轉(zhuǎn)化成為直流電。
從圖2-2可見，正弦交流電的變化非常平滑且不易產(chǎn)生高次諧波，不僅安全性好，而且有利于減少電氣設(shè)備運(yùn)行中的能量損耗。非正弦波交流電都是由不同頻率的正弦信號(hào)疊加而成的，例如方波脈沖電流可以分解成無限個(gè)不同頻率的正弦波。
圖2-2 正弦波的分解圖
二、正弦交流電的產(chǎn)生
在日常的生產(chǎn)和生活中，電動(dòng)機(jī)應(yīng)用的場(chǎng)合很多，很多設(shè)備都是采用電動(dòng)機(jī)作為動(dòng)力源。給電動(dòng)機(jī)加上交流電源，電動(dòng)機(jī)就會(huì)運(yùn)轉(zhuǎn)。常見的交流異步電動(dòng)機(jī)是由定子繞組和轉(zhuǎn)子構(gòu)成的，交流電源加到定子繞組上就會(huì)產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)，旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)便會(huì)帶動(dòng)轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)。而發(fā)電機(jī)則相反，旋轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)子就會(huì)在定子繞組中感應(yīng)出交變的電壓（即電動(dòng)勢(shì)）。
交流發(fā)電機(jī)的基本結(jié)構(gòu)和原理如圖2-3所示。轉(zhuǎn)子是由永磁體構(gòu)成的，當(dāng)水輪機(jī)或汽輪機(jī)帶動(dòng)發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)時(shí)，轉(zhuǎn)子磁極旋轉(zhuǎn)，會(huì)對(duì)定子繞組輻射磁場(chǎng)，磁力線切割定子繞組，定子繞組中便會(huì)產(chǎn)生感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)，轉(zhuǎn)子磁極轉(zhuǎn)動(dòng)一周就會(huì)使定子繞組產(chǎn)生相應(yīng)的電動(dòng)勢(shì)（電壓）。
圖2-3 交流發(fā)電機(jī)的結(jié)構(gòu)和原理
由于感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)的強(qiáng)弱與感應(yīng)磁場(chǎng)的強(qiáng)度成正比，感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)的極性也與感應(yīng)磁場(chǎng)的極性相對(duì)應(yīng)。定子繞組所受到的感應(yīng)磁場(chǎng)是正反向交替周期性變化的。轉(zhuǎn)子磁極勻速轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，感應(yīng)磁場(chǎng)是按正弦規(guī)律變化的，發(fā)電機(jī)輸出的電動(dòng)勢(shì)則為正弦波形。
發(fā)電機(jī)是根據(jù)電磁感應(yīng)原理產(chǎn)生電動(dòng)勢(shì)的，當(dāng)繞組受到變化磁場(chǎng)的作用時(shí)，即繞組切割磁力線便會(huì)產(chǎn)生感應(yīng)磁場(chǎng)，感應(yīng)磁場(chǎng)的方向與作用磁場(chǎng)方向相反。發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)子可以被看作是一個(gè)永磁體，如圖2-4（a）所示，當(dāng)N 極旋轉(zhuǎn)并接近定子繞組時(shí)，會(huì)使定子繞組產(chǎn)生感應(yīng)磁場(chǎng)，方向?yàn)镹 →S，繞組產(chǎn)生的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)為一個(gè)逐漸增強(qiáng)的曲線，當(dāng)轉(zhuǎn)子磁極轉(zhuǎn)過繞組繼續(xù)旋轉(zhuǎn)時(shí)，感應(yīng)磁場(chǎng)則逐漸減小。
圖2-4 發(fā)電機(jī)感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)產(chǎn)生的過程
當(dāng)轉(zhuǎn)子磁極繼續(xù)旋轉(zhuǎn)時(shí)，轉(zhuǎn)子磁極S 開始接近定子繞組，磁場(chǎng)的磁極發(fā)生了變化，如圖2-4（b）所示，定子繞組所產(chǎn)生的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)極性也翻轉(zhuǎn)180° ，感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)輸出為反向變化的曲線。轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)一周，感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)會(huì)重復(fù)變化一次。由于轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)的速度是均勻恒定的，因此輸出電動(dòng)勢(shì)的波形為正弦波。
單相交流電的產(chǎn)生
在發(fā)電機(jī)中如定子繞組是一組，它所產(chǎn)生的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)（電壓）也為一組，如圖2-5所示，由兩條線傳輸，這種電源就是單相電源。這種方式多在小型移動(dòng)發(fā)電機(jī)中采用。
圖2-5 單相交流電的產(chǎn)生
2.兩相交流電的產(chǎn)生
在發(fā)電機(jī)內(nèi)設(shè)有兩組定子繞組互相垂直地分布在轉(zhuǎn)子外圍，如圖2-6所示。轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)時(shí)兩組定子繞組產(chǎn)生兩組感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)，這兩組電動(dòng)勢(shì)之間有90° 的相位差。這種電源為兩相電源。這種方式多在自動(dòng)化設(shè)備中使用。
圖2-6 兩相交流電的產(chǎn)生
三、正弦交流電路的應(yīng)用
單相正弦交流電路（即交流220V 市電）普遍用于人們的日常生活和生產(chǎn)中，如照明和家庭用電。
通常，家庭中所使用的單相正弦交流電路往往是三相電源分配過來的。如圖2-7所示，供配電系統(tǒng)送來的電源多為交流380V 電源。這種電源是由3根相位差為120° 的相線（又稱火線）和一根零線（又稱中性線）構(gòu)成的。3根相線之間的電壓為380V，而每根相線與零線之間的電壓為220V。這樣，三相交流380V 電源就可以分成3組單相220V 電源使用。
從結(jié)構(gòu)上看，單相正弦交流電路是由一根相線和一根零線組成的，主要可分為單相兩線式和單相三線式兩種供電方式。
圖2-7 三相交流380V 變?yōu)閱蜗嘟涣?20V
（1）單相兩線式
圖2-8所示為單相兩線式照明配電線路圖，從三相三線高壓輸電線上取其中的兩線送入柱上高壓變壓器輸入端。例如，高壓6600V 電壓經(jīng)過柱上變壓器變壓后，其次級(jí)向家庭照明線路提供220V 電壓。變壓器初級(jí)與次級(jí)之間隔離，輸出端相線（L）與零線（N）之間的電壓為220V。
圖2-8 單相兩線式照明配電線路實(shí)例
（2）單相三線式
圖2-9所示為單相三線式配電線路圖。單相三線式配電中的一條線路作為地線應(yīng)與大地相接。此時(shí)，地線與相線之間的電壓為220V，零線與相線之間的電壓為220V。由于不同接地點(diǎn)存在一定的電位差，因而零線與地線之間可能有一定的電壓。
圖2-9 單相三線式配電線路實(shí)例
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來源于《雙色圖解電工基礎(chǔ)線路》，作者：韓雪濤
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