2.2 交流电与交流供电
2.2.1 交流电
交流电（Alternating Current，AC）电流的大小和方向会随时间做周期性的变化。
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。
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2-6所示。
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，其电流和电压都按一定的频率随时间变化。
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两线制。
图2-6 单相交流电压和多相交流电压的产生
图2-7所示为单相交流电的产生。
图2-7 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，还可以分为两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地分布在转子外围。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2-8所示为两相交流电的产生。
图2-8 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），但相位差为120°。图2-9所示为三相交流电的产生。
三相交流电是由三相交流发电机产生的。三相交流发电机的定子槽内放置着三个结构相同的定子绕组A、B、C，这些绕组在空间上互隔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。
图2-9 三相交流电的产生
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三相交流电路中，相线与零线（标准术语为中性线）之间的电压为220V，而相线与相线之间的电压为380V，如图2-10所示。
图2-10 三相交流电路电压的测量
要点说明
交流发电机的基本结构如图2-11所示，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）。由于感应电动势的大小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。
图2-11 交流发电机的结构和原理
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发电机是根据电磁感应原理产生电动势的，当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。发电机的转子可以看作是一个永磁体，如图2-12 a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。
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2-12 b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2-12 发电机感应电动势产生的过程
2.2.2 单相交流供电
单相交流电路的供电方式主要有单相两线制、单相三线制，一般的家庭用电都是单相交流电路。
1.单相两线制
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，其二次侧向家庭照明线路提供220V电压。变压器一次侧与二次侧之间隔离，输出端相线与零线之间的电压为220V。
图2-13所示为单相两线制的交流供电电路。
图2-13 单相两线制的交流供电电路
2.单相三线制
单相三线制供电中的一条线路作为地线与大地相接。此时，地线与相线之间的电压为220V，零线N（中性线）与相线（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。
图2-14所示为单相三线制交流供电电路。
图2-14 单相三线制交流供电电路
2.2.3 三相交流供电
三相交流电路的供电方式主要有三相三线制、三相四线制和三相五线制三种，一般工厂中的电器设备常采用三相交流电路。
1.三相三线制
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。
图2-15所示为三相三线制的交流供电电路。
图2-15 三相三线制的交流供电电路
2.三相四线制
三相四线制供电方式与三相三线制供电方法不同的是从变压器输出端多引出一条零线。而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相线全部接到用电设备上。
图2-16所示为三相四线制的交流供电电路。
图2-16 三相四线制的交流供电电路
图2-16 三相四线制的交流供电电路（续）
3.三相五线制
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的交流供电电路。
图2-17所示为三相五线制的交流供电电路。
图2-17 三相五线制的交流供电电路