1.3 直流电与交流电
1.3.1 直流电与直流电路
1 直流电
直流电（Direct Current，DC）是指电流流向单一，其方向和时间不作周期性变化，即电流的大小、方向固定不变，是由正极流向负极，但电流的大小可能不固定。
直流电可以分为脉动直流和恒定直流两种，如图1-21所示。脉动直流中直流电流大小不稳定；而恒定电流中的直流电流大小能够一直保持恒定不变。
图1-21 脉动直流和恒定直流
图1-22 直流的形成
一般将可提供直流电的装置称为直流电源，它是一种形成并保持电路中恒定直流的供电装置，例如干电池、蓄电池、直流发电机等直流电源，直流电源有正、负两极、当直流电源为电路供电时，直流电源能够使电路两端之间保持恒定的电位差，从而在外电路中形成由电源正极到负极的电流，如图1-22所示。
2 直流电路
由直流电通过的电路称为直流电路，该电路是指电流流向单一的电路，即电流方向与大小不随时间产生变化。它是最基本也是最简单的电路。
在生活和生产中电池供电的电器，都采用直流供电方式，如低压小功率照明灯、直流电动机等。还有许多电器是利用交流-直流变换器，将交流电变成直流电再为电器产品供电。
如图1-23所示，交流220V电压经变压器T，先变成交流电低压（12V），再经整流二极管VD整流后变成脉动直流，脉动直流经LC滤波后变成稳定的直流电压。
图1-23 直流电源电路
1.3.2 交流电与交流电路
1 交流电
交流电（Alternating Current，AC）一般是指电流的大小和方向会随时间作周期性变化。
我们在日常生活中所有的电气产品都需要有供电电源才能正常工作，大多数的电器设备都是以市电交流220V、50Hz作为供电电源，这是我国公共用电的统一标准，交流220V电压是指相线（即火线）对中性线（即零线）的电压。
交流电是由交流发电机产生的，交流发电机可以产生单相和多相交流电压，如图1-24所示。
图1-24 单相交流电压和多相交流电压的产生
（1）单相交流电
单相交流电是以一个交变电动势作为电源的电力系统。在单相交流电路中，只具有单一的交流电压，其电流和电压都是按一定的频率随时间变化。
图1-25为单相交流电的产生。在单相交流发电机中，只有一个线圈绕制在铁心上构成定子，转子是永磁体，当其内部的定子和线圈为一组时，它所产生的感应电动势（电压）也为一组，由两条线进行传输，这种电源就是单相电源，这种配电方式称为单相二线制。
图1-25 单相交流电的产生
（2）多相交流电
多相交流电根据相线的不同，还可以分为二相交流电和三相交流电。
① 两相交流电。在发电机内设有两组定子线圈互相垂直的分布在转子外围。如图1-26所示。转子旋转时两组定子线圈产生两组感应电动势，这两组电动势之间有90°的相位差。这种电源为两相电源。这种方式多在自动化设备中使用。
图1-26 两相交流电的产生
② 三相交流电。通常，把三相电源线路中的电压和电流统称三相交流电，这种电源由三条线来传输，三线之间的电压大小相等（380V）、频率相同（50Hz），相位差为120°，如图1-27所示。
图1-27 三相交流发电机
三相交流电是由三相交流发电机产生的。在定子槽内放置着三个结构相同的定子绕组A、B、C，这些绕组在空间互隔120°。转子旋转时，其磁场在空间按正弦规律变化，当转子由水轮机或汽轮机带动以角速度ω匀速地顺时针方向旋转时，在三个定子绕组中，就产生频率相同、幅值相等、相位上互差120°的三个正弦电动势，这样就形成了对称三相电动势。
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三相交流电路中，相线与零线之间的电压为220V，而相线与相线之间的电压为380V，如图1-28所示。
发电机是根据电磁感应原理产生电动势的，当绕组线圈受到变化磁场的作用时，即线圈切割磁力线，便会产生感应磁场，感应磁场的方向与作用磁场方向相反。发电机的转子可以被看作是一个永磁体，如图1-29a所示，当N极旋转并接近定子线圈时，会使定子线圈产生感应磁场，方向为N/S，线圈产生的感应电动势为一个逐渐增强的曲线，当转子磁极转过线圈继续旋转时，感应磁场则逐渐减小。
图1-28 三相交流电路电压的测量
当转子磁极继续旋转时，转子磁极S开始接近定子线圈，磁场的磁极发生了变化，如图1-29b所示，定子线圈所产生的感应电动势极性也翻转180°，感应电动势输出为反向变化的曲线。转子旋转一周，感应电动势又会重复变化一次。由于转子旋转的速度是均匀恒定的，因此输出电动势的波形则为正弦波。
图1-29 发电机感应电动势产生的过程
2 交流电路
我们将交流电通过的电路称为交流电路。交流电路普遍用于人们的日常生活和生产中，下面就分别介绍一下单相交流电路和三相交流电路。
（1）单相交流电路
单相交流电路的供电方式主要有单相两线式、单相三线式供电方式，一般的家庭用电都是单相交流电路。
① 单相两线式。图1-30为单相两线式交流电路，单相两线式交流电路是由一根相线和一根零线组成的交流电路，取三相三线式高压线中的两线作为柱上变压器的输入端，经变压处理后，由二次侧输出220V交流电压。
② 单相三线式。图1-31为单相三线式交流电路。单相三线式交流电路是由一根相线、一根零线和一根地线组成的交流电路。家庭中的相线和零线来自柱上变压器，地线是住宅的接地线。由于不同的接地点存在一定的电位差，因此零线与地线之间可能有一定的电压。
图1-30 单相两线式的交流电路
图1-31 单相三线式交流电路
（2）三相交流电路
三相交流电路的供电方式主要三相三线式、三相四线式和三相五线式三种供电方法，一般的工厂中的电器设备常采用三相交流电路。
① 三相三线式。图1-32为典型三相三线式交流电动机供电配电线路图。高压（6600V或10000V）经柱上变压器变压后，由变压器引出三根相线，送入工厂中，为工厂中的电气设备供电，每根相线之间的电压为380V，因此工厂中额定电压为380V的电气设备可直接接在相线上。
② 三相四线式。图1-33为典型三相四线供电方式的交流电路示意图。三相四线式供电方式由柱上变压器引出四根线。其中，三根为相线，一根为零线。零线接电动机三相绕组的中点，工作时，电流经过电动机做功，没有做功的电流经零线回到电厂，对电动机起保护作用。
图1-32 三相三线式的交流电路
图1-33 三相四线式的交流电路
③ 三相五线式。图1-34为典型三相五线供电方式的示意图。三相五线式供电方式是在三相四线式供电方式的基础上增加一根地线（PE），与大地相连，起保护作用，即为车间内的保护地线。
图1-34 三相五线式的交流电路