1.2 交流电路的基础知识

交流电路是电工技术人员最为熟悉的电路，在人们日常的生活与工作中也常常与交流电打交道。在我们的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由市电交流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零线的电压。城市的供电是由三相高压经变压器变成三相380V电压，即相线之间的电压为380V，每个相线与零线之间的电压为220V。图1-14所示为常用的电气器件。

1.2.1 交流电路的基本物理量

交流电是由发电站产生的，由发电站为工业、商业以及家庭等设施提供220V交流电，且我国的发电站提供的电能，绝大多数是正弦交流电，其频率为50Hz，又称“工频”。

交流电是指大小和方向都随时间作周期性变化的电流。而其中，按照正弦规律变化的交流电，称之为正弦交流电。图1-15所示为正弦交流电的典型信号波形。正弦交流电路中的基本物理量主要包括正弦交流电的正弦量三要素和电压、电流值等。

1. 正弦交流电中正弦量的三要素

正弦交流电广泛应用在工农业生产、科学研究及日常生活中，正弦交流电中随时间按正弦规律作周期变化的量称为正弦量，如图1-16所示。正弦量的振幅值、频率（或角频率、周期）和初相位称为正弦量的三要素。

（1） 振幅值

正弦交流电瞬时值中最大的数值称做最大值或振幅值。振幅值决定正弦量的大小。

（2） 周期

正弦量变化一次所需的时间（秒），用“T”表示。

（3） 频率

正弦量在单位时间内变化的次数，用“f”表示，单位为赫兹，简称“赫”，用字母“Hz”表示。频率决定正弦量变化的快慢。

频率是周期的倒数，在正弦交流电中，周期（T）越小，频率（f）越大，交流电的变化也越快。频率与周期的关系如图1-17所示，即：

【重点提示】

电网频率：我国为50Hz ，美国和日本为60Hz

高频炉频率：200～300kHz

中频炉频率：500～8000Hz

无线通信频率：30kHz～30GHz

（4） 角频率

正弦量单位时间内变化的弧度数，用“ω”表示，单位是弧度/秒，用字母“rad/s”表示，角频率和频率的关系图如图1-18所示。

角频率和频率的关系可用下面公式表示：ω=2πT=2πf

（5） 相位、初相位和相位差

相位是反映正弦量变化的进程。正弦量是随时间而变化的，要确定一个正弦量还必须从计时起点（t=0）上看。所取的时间起点不同，正弦量的初始值（t=0）就不同，到达最大值或某一特定值所需的时间也就不同。

正弦量可用下面公式表示：i=Imsin ωt

初相位等于零的正弦波形如图1-19所示。它的初始值为零。

正弦量可用下面公式表示：

i=Im(ωt+φi )（初相位为φi）

正弦量波形如图1-20所示。其初始值（t=0时）i0不等于零，而是i0=Imsin φi。上式中的瞬时角度ωt和（ωt+φi）称为正弦量的相位角或相位，当t=0时的相位角称为初相位角或初相位。公式中的初相位为“φi”表明所取计时起点不同，正弦量的初相位不同，其初始值就不同。

同频率正弦量的相位关系如图1-21所示。

2. 正弦交流电的电压和电流值

由于正弦波电压或电流值连续变化，引用这个波形值时就需要准确地加以描述，交流电路中有5个关于电压和电流的重要值，分别是：最大值或峰值、峰-峰值、瞬时值、有效值和平均值。

（1） 峰值

从零基准点到波峰处的电压值或电流值，如图1-22所示。峰值在一周中出现两次，一次是正最大值处，另一次是负最大值处。

（2） 峰-峰值

正弦波从一个峰到另一个峰的总的电压值或电流值，如图1-23所示。它等于2倍的峰值。

（3） 瞬时值

电压或电流的瞬时值是正弦波上任意时间的值，它可以是从零到峰值之间的任意值。

（4） 有效值

把一直流电流和一交流电流分别通过同一电阻，如果经过相同的时间产生相同的热量，我们就把这个直流电流的数值称做该交流电流的有效值。

正弦交流电流的有效值通常用字母“I”表示，其电流最大值用“Im”表示。正弦交流电压的有效值用“U”表示，其电压最大值用“Um”表示。

正弦交流电的有效值与最大值之间的关系式如下：

用万用表、电压表或安培表测得的电压值和电流值均是指有效值。

当用有效值时，正弦交流电流和电压的瞬时值可表示如下：

220V交流电压瞬时值可表示如下：

【重点提示】

正弦交流电中的有效值和峰值之间具有的关系，而在非正弦（或余弦）交流电中，则无此关系，但可按有效值的定义进行推导。

（5） 平均值

用来表示当正弦波经过整流成为直流后的值。如果电压和电流在整个半周内按相同的比例变化，平均值将是峰值的一半。然而，由于电压和电流并不是按相同的比例变化，就需要用另一种方法求其平均值。交流正弦波的平均值是半周内所有瞬时值的平均值的平均数。经过计算，半周期内一个纯正弦波的平均值为其峰值的0.637倍，如图1-24所示。其表示式如下。

U平均=U峰× 0.6337

I平均=I峰× 0. 6337

【重点提示】

① 交流电气设备的额定电压和额定电流值若没有特殊说明，则均是指有效值，且交流电流表和电压表所检测出的交流数值也是指有效值，除非在电气设备的参数中另加提示。

② 在计算交流电的功率或电热能时，必须采用交流电的有效值。

③ 在交流电压表或电流表检测交流电时，在检测的过程中表内的元件已经将交流电变成了等效的直流，因此检测出的数值即为交流电的有效值，且在检测过程中表的指针不会忽左忽右地摆动。

1.2.2 交流电路的特点与应用

交流电路中，常采用单相或多相交流电压，这些交流电压均采用交流发电机设计产生。图1-25所示为单相交流电压和多相交流电压的产生示意图。

大部分工业和重大的电力设备都需要三相电压，而单相交流电则主要应用在住宅用电中。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相电压。三相交流电与单相交流电有以下区别。

① 三相电路所需的导线长度为单相双线系统的75%。

② 单相电源提供的电力是脉冲式，而三相系统提供的电力则总是保持相对恒定。这意味着即使三相电中每相的电力是脉冲的，但任何时刻的瞬时值与电力保持相对恒定。因此相同的额定功率下，三相电设备的工作性能要优于单相设备的性能。

③ 三相电动机的额定功率和三相变压器的额定功率是单相电动机和变压器的150%。

④ 三相配电系统同时可以用来提供三相电和单相电供电服务。

1. 单相交流电路的特点与应用

（1） 单相交流电路的特点

单相交流电是指电源为一个交变电动势的交流电。图1-26所示为交流发电机的结构、电路图及电动势的波形。交流发电机中的磁铁旋转后，在两个定子线圈A、B中产生正弦波交流电动势 e。产生电动势的电源被称为相，这种发电机使用由两根电线供给的交流，称为单相交流，这种配电方式称为单相二线制。

（2） 单相交流电路的应用

单相交流电路由单相电源、单相负载和线路组成，是由一根火线和一根零线组成的电路。一般单相电路电压为220V。

单相交流电路有单相二线制、单相三线制、单相四线制等供电方式，一般的家庭用电都是单相交流电路。

① 单相二线制

图1-27所示为单相二线制的供电实例，其中，图1-27（a）所示为单相二线制在家庭照明中的配电线路图。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。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。其单相二线制在家庭照明中的配电线路等效电路如图1-27（b）所示。

② 单相三线制

单相三相制供电方式是在单相二线制的配电基础上，另外增加一根专用的保护线直接与地网相连，单相三线制供电实例如图1-28所示。此时，零线与其他两条线之间电压均为220V，从而保障了电器使用的安全。

其中，图1-28（a）所示为单相三线制的配电线路；图1-28（b）所示为单相三线制配电线路的等效电路。

③ 单相四线制

单相四线制实质上是三相供电的方式，此种配电方式电源是三相，而负载则为单相。单相四线制供电方式是从高压线引线到变压器，经变压器变压输出家庭用电所需的电压。总耗电流比较多（40A以上）的配线一般都采用220V/380V单相四线制方式，用四根电线引入到房屋内，每一相与零线之间的电压均为220V。图1-29所示为单相四线制供电实例。其中，图1-29（a）所示为单相四线制在家庭照明中的配电线路；图1-29（b）所示为单相四线制配电线路的等效电路。

2. 三相交流电路的特点与应用

三相交流电路是指由三相电源、三相负载及三相线路组成的，电压为380V的供电方式，此种供电方式多作为动力用。通常，我们把三相电源及负载的三相交流电动势、电压和电流统称三相交流电，而把大小相等、频率相同、相位互差120°的三相交流电动势、电压和电流统称为对称三相交流电。对称三相交流电的最大值相等，频率相同，相位互差120°。对称三相交流电的特点如图1-30所示。

三相交流电是由三相交流发电机产生的，在三相交流发电机的结构中有对称的三相绕组A-X、B-Y、C-Z，分别称为A相、B相和C相。其中，A、B、C称为三相绕组的首端， X、Y、Z称为三相绕组的末端，每相绕组电动势的正方向由末端指向首端。图1-31所示为三相交流发电机的结构示意图和绕组的等效电路。

根据三相交流电应用的场合不同，其三相交流电源和负载的连接方法也有所区别。且在三相交流电中，火线与零线（中间线）之间的电压称做相电压，而任意两相之间的电压称做线电压。相电压的电压值是220V，线电压的电压值是380V。

另外，线电压值是相电压的倍，约等于1.732倍，公式如下：

1.732×220V=380V

目前，我国的电力从发电厂出来的都是三根火线（线电压），再用变压器升压输送出去，在日常生活中的电是用降压变压器降压到400V，其中，380V为生活用电供电，另外20V电压消耗在线路等其他设备中了。而零线则是从降压变压器中绕组的三组线圈的接点中引出来的，三根火线一般命名为A、B、C，零线命名为N，因此，380V的线电压分别为UA、UB、UC，而相电压则为UAN、UBN、UCN。

【重要提示】

在常见的发电机和配电变压器中，铭牌标识中写着额定电压为400V，是指电源输出线电压为400V；380V是指负载工作的线电压。

（1） 三相交流电源的连接特点

三相电源的连接主要分为星形（Y）连接方式和三角形（△）连接方式，如图1-32所示。

① 三相电源的星形（Y）连接方式

三相电源的星形连接方式如图1-32所示（a）所示，它是把三相绕组的末端连接在一起形成一个节点，称为电源的中点或零点。从中点引出的线称为中线或零线，用字母N表示。从三相绕组首端引出的三根导线称为端线或相线，习惯上称为火线，用黄绿红三色表示相序中的A、B、C三相火线。

三相电源绕组按Y形连接时，可以向负载提供两种电压。此种供电系统称为三相四线制。

② 三相电源的三角形（△）连接方式

三角形（△）连接方式是三相电源的另一种连接方式，如图1-32（b）所示。三角形连接是将三相绕组的首、末端依次相连，从3个点引出3条火线，接成一个闭合回路。发电机三相绕组按三角形连接时，不允许首尾端接反，否则将在三角形环路中引起大电流而致使电源过热烧损。

由图1-32（b）可知，三相电源三角形连接时，线电压等于发电机绕组的三相感应电压。即：

U线=U相

显然发电机绕组按三角形连接时只能向负载提供一种电压。此种供电系统称为三相三线制。

在实际的生产生活中，电源绕组的连接方式通常为星形连接。

（2） 三相负载的连接方式

三相负载的连接方式主要分为对称星形（Y）连接方式、不对称星形连接方式及三角形（△）连接方式、

负载有单相负载与三相负载之分。单相负载的连接如图1-33所示，它应根据其额定电压接入电路。若负载所需的电压是电源的相电压，应将负载接到火线与零线之间，如图1-33 （a）所示；若负载所需的电压是电源的线电压，应将负载接到火线与火线之间，如图1-33 （b）所示。

三相负载的连接有两种情况：一种是将三个（或三组）单相负载分别接到三相电源的每一相上，组成三相负载。另一种是负载本身就是要求三相电源供电的三相负载。例如三相交流电动机、三相电炉等。

按照电源与负载连接方式不同，三相电源与负载有四种接法，即：Y-Y、Y-△、△-Y、△-△。但对用户来讲，对电源绕组如何连接并不太关心。只讨论三相负载本身的连接：星形（Y）连接和三角形（△）连接。

在电路中采用哪种接法要根据每相负载额定电压与电源线电压之间的关系来决定，当每相负载额定电压等于电源线电压的时，负载应连接成星形；当每相负载额定电压等于电源线电压时，负载应连接成三角形。

三相负载ZA、ZB、ZC的末端连成一点N＇，称为负载中点，接在电源中线上。首端分别与三相火线相连。流过各相负载的电流称为相电流（Ia，Ib，Ic），正方向与对应相电压正方向相同。流过火线的电流称为线电流（IA，IB，IC），正方向从电源指向负载。

① 三相负载对称星形（Y）连接方式

负载对称是指三相负载电抗相等（Xa=Xb=Xc=X），三相负载电阻相等（Ra=Rb=Rc=R），并且性质相同（同为感抗或容抗）。

图1-34所示为负载的星形连接的三相四线制电路。它的特点是负载两端的电压是电源的相电压。

② 三相负载不对称星形连接方式

当ZA≠ZB≠ZC时，称之为不对称三相负载。求解不对称三相负载电路时，只要电路中有零线，就可把各相按照单相电路的分析方法分别计算，注意此时零线电流不等于零。

③ 三相负载三角形（△）连接方式

将三相负载首尾相接构成一个闭合的环，由三个连接点分别向外引出端线。就构成了负载三角形连接的三相三线制电路，如图1-35所示。

三相负载三角形连接方式中，由于各相负载都直接接在电源的相线上，所以负载的相电压与电源的线电压相等。

（2） 三相交流电路的应用

配电系统中常用的交流供电方式主要有三相三线制（380V）、三相四线制（380/220V）、三相二线一地制、三相单线制。其中三相三线制用于高压配电、三相380V电动机；三相四线制用于380/220V低压动力与照明混合配电；三相二线一地制多用于农村配电。

① 三线二线一地制的应用

三线二线一地制最早应用在苏联时期的农村用电中，由于其连接复杂、危险度较高，现在已经不采用此种配电方式。

② 三相三线制的应用

三相三线制配线方式常用于高压配电，其供电线路实例及等效电路如图1-36所示。高压6600V经柱上变压器变压后，由变压器引出三根相线（火线），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间。

③ 三相四线制的应用

三相四线制常用于380/220V低压动力与照明混合配电，图1-37所示为典型三相四线制的供配电线路实例与等效电路。三相四线制供电方式与三相三线制供电方式不同的是从变压器输出端多引出一条零线。接上零线的电气设备在工作时，电流经过电气设备做功，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。与单相四线制供电不同的是，单相四线制供电只取其中的一相加入负载电路，而三相四线制则是将三根火线全部接到用电设备上。

④ 三相五线制的应用

图1-38所示为典型三相五线制供配电线路实例及等效电路。在前面所述的三相四线制供电系统中，把零线的两个作用分开，即一根线作为工作零线（N），另一根线作为保护零线（PE），这样的供电接线方式称为三相五线制供电方式。

“PE”即英文“protecting earthing”的缩写，意思是“保护导体、保护接地”。“N”即英文“neutral point”意思“中性点，零压点”。

【重点提示】

交流电路中常用的基本供电系统主要有三相三线制、三相四线制和三相五线制，但由于这些名词术语内涵不是十分严格，由此国际电工委员会（IEC）对此作了统一规定，分别为TT系统、IT系统、TN系统。

其中，首字母表明地线与连接的供电设备（发电机或变压器）的方式：“T”表示一点与地线直接连接（法语：Terre）；“I”表示没有连接地线（隔离）或者通过高阻抗连接。

尾部字母表示地线与被供应的电子设备之间的连接方式：“T”表示与地线直接连接；“N”表示通过供应网络与地线连接。

（1） TT系统

TT系统，是指电气设备的金属外壳直接接地的保护系统，又将其称为保护接地系统。TT系统中，第一个符号“T”表示电力系统中性点直接接地，第二个符号“T”表示负载设备金属外壳和正常不带电的金属部分与大地直接连接，而与系统如何接地无关。在TT系统中负载的所有接地均称为保护接地。图1-39所示为TT系统的配电方式。

目前，有的建筑单位主要采用TT系统，施工单位借用其电源作临时用电，常采用一条专用保护线，以减少需接地装置钢材用量。

（2） IT系统

IT系统，符号“I”表示电源侧没有工作接地，或经过高阻抗接地，符号“T”表示负载侧电气设备进行接地保护。IT方式供电系统在供电距离不是很长时，供电的可靠性高、安全性好。一般用于不允许停电的场所，或者是要求严格的连续供电的地方，例如连续生产装置、大医院的手术室、地下矿井等处。图1-40所示为IT系统的配电方式。

（3） TN系统

TN系统分为TN-C、TN-S、TN-C-S系统，此种供电系统是将电气设备的金属外壳和正常不带电的金属部分与工作零线连接的保护系统，也称做接零保护系统。

① TN-C系统

TN-C系统，用工作零线兼做接零保护线，可称做保护中性线，可用NPE表示，此种方式即为常用的三相四线制供电方式，如图1-41所示。

② TN-S系统

TN-S系统，是把工作零线N和专用保护线PE严格分开的供电系统，即为常用的三相五线制供电方式，如图1-42所示。

③ TN-C-S系统

如图1-43所示，为TN-C-S系统的供电方式。从图1-43所示可知，该系统的PEN线自A点起分为保护线（PE）和中心线（N），分开后，N线应对地绝缘。且为了避免PE线与N线混淆，应在PE线上涂上黄绿相间的色标，N线上涂上浅蓝色色标。此外，将PE线与N线分开后，不能再进行合并。

【学习总结】

通过对本章的学习，读者应能够掌握直流电路和交流电路的基本概念、物理量，以及区分直流电路和交流电路的特点及应用范围等，使读者具有更加合理的知识结构，为电气线路识读、电气安装和故障排查等打下良好的基础。