5.2　交流电的特性

电网和大多数负载或电器使用的都是交流（AC）电。交流电是一种极性定期反转的电，即电流和电压定期改变方向的电。交流电波形通常为正弦波。

定义

交流电（AC）是电流极性定期反转的电。

交流电的关键特性在下文中有论述。

5.2.1　电压、电流和功率

按照定义，交流电具有交流电压和电流波形，通常为正弦波。由于功率是电流乘以电压所得（按照欧姆定律，2.1.4节），交流电也具有可变的功率波形。交流电的电压、电流和功率可用其峰值（图5.6）或其平均值来描述。峰值对电气设计很有用，这是因为它们描述了电压、电流和功率将达到的最大值。平均值对交流功率与直流功率相比较很有用，对量化一段时间内的平均能量也有用。有两种常用于交流电的平均值：均方根（RMS）和基准平均值。

定义

均方根（RMS）为交流功率通常被引用的方式，例如

1.均方根电压和电流

交流信号的均方根电压（VRMS）和电流（IRMS）代表了电阻负载所消耗的功率量。交流电的均方根值等于直流电的电压和电流值；因此，交流信号的VRMS和IRMS可与直流信号的V和I直接相比较。

均方根电压与峰值电压（VP）的平方成一定比例，同样，均方根电流也与峰值电流（IP）的平方成一定比例。这通过公式来表示为

这同样适用于电流，即

交流功率通常用均方根值来表示。

2.平均电压和电流

平均电压是所有的电压值总和除以时间周期所得之商。同样，平均电流是所有的电流值总和除以时间周期所得之商。根据波形，平均电压可能与均方根电压相同，也可能与均方根电压不同（图5.7）。平均电压用于确定变压器和电机的磁化行为。

实例

图5.8显示了澳大利亚的电网电源。其电压均方根值（VRMS）为230V AC。这表示，交流电源供电可产生230V DC信号的等效功率。为了计算峰值电压（VP），对RMS公式进行重新整理，计算为

5.2.2　频率

交流波形的频率被定义为每秒循环数，计量单位为赫兹（Hz）。电网频率为50Hz或60Hz（每秒循环数分别为50次或60次）。例如澳大利亚、中国、印度尼西亚和英国的供电频率均为50 Hz，而韩国、菲律宾和美国的供电频率均为60Hz。

频率对一些电器的运行有不同程度的影响。许多带有定时器的电器都取决于电源频率，它们的时钟将漂移，除非频率准确。重大偏差也将负面影响变压器和感应电机；特别是低频可能会烧坏此设备。

5.2.3　谐波失真

谐波失真是对交流信号电能质量的一种度量。谐波电流通常在一定程度上出现在交流信号中，它们扭曲了正弦波形。非线性负载，如开关型电源、电池充电器、荧光照明，产生谐波。在电力网供电中，这些失真通常为正弦失真，频率较高。

在逆变器中，所产生的正弦波的准确性用谐波失真来表示；谐波失真越低，逆变器输出性能越佳。并网逆变器符合相关标准中规定的所允许的最大谐波失真。如果它们不符合这类标准，通常就不允许它们连接到配网。

澳大利亚标准

AS 4777.2：2005 第4.5条规定，并网逆变器的总谐波失真必须小于5%。

5.2.4　功率三角形

交流系统中有功功率、无功功率和视在功率之间的关系，这可被看作一个三角形来描述（图5.9）。

（1）有功功率（也被称为有效功率和真实功率；计量单位为瓦特，W）。为交流功率的“有用”组分，“确实做功”（例如电机的旋转或灯泡的照明）。

（2）无功功率（计量单位为无功伏安，var）。由于确实不“做功”，所以经常被称为交流功率的“无功”组分。然而，无功功率需要用来维持系统中的电压，事实上促进了有功功率通过交流电路的传输。无功功率的其他用途包括向电机提供磁化功率，而电机的运作需要磁化功率。

（3）视在功率（计量单位为伏安，VA）。为有功和无功功率的向量和。

为了说明功率三角形的概念，设想一瓶啤酒（图5.10）。瓶中实际的液态啤酒代表有功功率（W），泡沫（或啤酒头）代表无功功率（var），瓶中液态啤酒和泡沫的总和代表视在功率（VA）。一瓶啤酒中泡沫太多就不那么好了，因为这意味着啤酒瓶中的实际啤酒含量较少。然而，一瓶啤酒中没泡沫也不好，因为这可影响啤酒的香味、外观和味道。同样的，交流系统中有功功率和无功功率两者缺一不可，但是无功功率太多或太少都是有害的。

有功功率与视在功率之间的夹角被称作相角（φ），相角用于计算功率因数。

5.2.5　功率因数

功率因数是对电能质量的另一种度量。它显示了电压和电流之间的相移大小，即电压和电流正弦波是否彼此不同步。如果电流波形不再与交流电压波形同步，输出的可用功率（用瓦特表示）递减，电流波形滞后于电压波形（图5.11）。

功率因数被定义为输送给负载的有功功率（W）与电源所需的视在功率（VA）之比。随着电压和电流越来越不同步，功率因数减少。功率因数低，输送给负载的有功功率就减少。功率因数与交流系统相关，在此感性或容性负载可能会导致交流电流波形的相位偏移。功率因数还可以通过电压和电流之间的相位角的余弦值来计算，即

注意

功率因数是一个比率，因此将为0和1之间的数。为了表明电流是否先于或滞后于电压波形，新增了“领先”（电流领先于电压）和“滞后”（电流滞后于电压）这两个术语。

纯电阻性负载，如加热器和白炽灯，不会造成任何电压和电流之间的相移。这表示功率因数等于1。

感性负载，比如电机和变压器，产生的功率因数小于1。这被称为滞后功率因数，这是因为电流波形滞后于电压波形。功率因数低可导致额外的系统损耗并增加系统功率需求，所以它可能是一个问题。在某些情况下可使用功率因数校正来使功率因数更接近于1。通常的做法是安装电容器，它会以相反的方向引起相移。

可使用制造商的规格或使用功率记录设备确定特定负载或器具的功率因数。在并网光伏系统中很可能看到的主要类型的负载以及它们的预期功率因数范围见表5.2。