1.1.2 交流电

在日常的生产和生活中，很多设备都采用电动机作为动力源。给电动机加上交流电源，电动机就会运转。常见的交流感应电动机是由定子线圈和转子构成的，交流电源加到定子线圈上就会产生旋转磁场，旋转磁场便会带动转子旋转。而发电机则相反，旋转转子就会在定子线圈中感应出交变的电压（即电动势）。

1．单相交流电

（1）单相交流电的概念

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的，下面我们看一下单相交流电的产生。

图1-5所示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芯上构成定子，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。

图1-6所示为交流发电机的基本结构。转子是由永磁体构成的，当水轮机或汽轮机带动发电机转子旋转时，转子磁极旋转，会对定子线圈辐射磁场，磁力线切割定子线圈，定子线圈中便会产生感应电动势，转子磁极转动一周就会使定子线圈产生相应的电动势（电压）。

由于感应电动势的强弱与感应磁场的强度成正比，感应电动势的极性也与感应磁场的极性相对应。定子线圈所受到的感应磁场是正反向交替周期性变化的。转子磁极匀速转动时，感应磁场是按正弦规律变化的，发电机输出的电动势则为正弦波形。

（2）单相交流电的应用

单相交流电（即交流220V市电）普遍用于人们的日常生活和生产中，多做照明用和家庭用电。

通常，家庭中所使用的单相交流电路往往是三相电源分配过来的，如图1-7所示。供配电系统送来的电源多为交流380V电源。这种电源是由三根相位差为120°的相线（火线）和一根零线（又称中性线）构成的。三根相线之间的电压为380V，而每根相线与零线之间的电压为220V。这样，三相交流380V电源就可以分成三组单相220V电源使用。

从结构上看，单相交流电路就是由一根火线和一根零线组成的电路，主要可分为单相两线式和单相三线式两种供电方式。

① 单相两线式的应用

图1-8所示为单相两线式在家庭照明中的应用。从三相三线高压输电线上取其中的两线送入柱上高压变压器输入端。例如，高压6600V电压经过柱上变压器变压后，其次级向家庭照明线路提供220V电压。变压器初级与次级之间隔离，输出端火线与零线之间的电压为220V。

② 单相三线制的应用

图1-9所示为单相三线式在家庭照明中的应用。单相三线式供电中的一条线路作为地线应与大地相接。此时，地线与火线之间的电压为220V，零线（N）与火线（L）之间电压为220V。由于不同接地点存在一定的电位差，因而零线与地线之间可能有一定的电压。

2．三相交流电的概念和应用

（1）三相交流电的概念

三相交流电是三个频率相同、电势振幅相等、相位差互差120°的交流电路组成的一种电力系统，与单相交流电相比，三相交流电应用更为广泛，例如在发电、输配电以及电能转换为机械能方面都有明显的优势。

通常，三相交流电是由三相交流发电机产生的，如图1-10所示。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等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。

大部分工业和大功率电力设备都需要三相电压。三相电压源供电系统可以分为三个单相电源供电系统。实际上，住宅用电的供给是从三相配电系统中抽取其中的某一相电源。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1-11所示。

（2）三相交流电的应用

在人们的日常生活和生产中，大部分工业和大功率的电力设备都需要三相电源。三相电源系统是三个单相电源系统的组合。实际上，住宅用电的供给是从三相配电系统中抽取其中的某一相电压。根据应用环境的不同，在对三相交流电应用时，主要可以分为三相三线式、三相四线式以及三相五线式三种。

① 三相三线式的应用

高压电（6600V或10000V）经过指定的变压器变压后，变成低压380V，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，如图1-12所示。

② 三相四线式的应用

三相四线式供电方式与三相三线式供电方法不同的是从变压器输出端多引出一条零线，如图1-13所示，接上零线的电气设备在工作时，电流经过电气设备进行做功，没有做功的电流就可经零线回到电厂，对电气设备起到了保护的作用。

在三相四线制供电方式中，由于三相负载不平衡时和低压电网的零线过长且阻抗过大时，零线将有零序电流通过，过长的低压电网，由于环境恶化、导线老化、受潮等因素，导线的漏电电流通过零线形成闭合回路，致使零线也带一定的电位，这对安全运行十分不利。在零线断线的特殊情况下，断线以后的单相设备和所有保护接零的设备会产生危险的电压，这是不允许的。

在三相四线制供电方式中（TN-C），主要采用TN-C系统供电系统，对于单相回路存在较大的安全缺陷。单相二线制供电方式，最大缺陷是在发生电器外壳碰触相线时，直接将220V相电压施加给此时正巧触摸到的人，从而发生触电事故。但如果把接外壳的保护线PE和中性线N并联合用一根，实际上这也是极不安全的。建筑物的配电线路由于接头松脱、导线断线等故障，很可能造成图3-14所示A点处开路，此时当其中一台设备开关接通后，在A点后面所有中性线上，将出现相电压，这个高电压又被设备接地引至所有插入插座的用电设备外壳上，而且其后的设备即使并未开启，外壳上也有220V电压，这是十分危险的。

而在三相五线制供电方式中（TN-S系统），如图1-15所示。只有当保护线断开，而且又有一台设备发生相线碰触外壳这两种故障同时出现时，才会出现与前述二线制中类似情况的事故。从而也极大地降低了事故出现的可能性。

③ 三相五线式的应用

图1-16所示为典型三相五线制的应用示意图。在上文所述的三相四线制供电系统中，当把零线的两个作用分开，即一根线做工作零线（N），另一根线做保护零线（PE），这样的供电接线方式称为三相五线制供电方式。

采用三相五线制供电方式，用电设备上所连接的工作零线N和保护零线PE是分别敷设的，工作零线上的电位不能传递到用电设备的外壳上，这样就能有效隔离三相四线制供电方式所造成的危险电压，用电设备外壳上电位始终处在“地”电位，从而消除了设备产生危险电压的隐患。