一文读懂直流电

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交流电是指电流方向随时间作周期性变化的电流，在一个周期内的平均电流为零。不同于直流电，它的方向是会随着时间发生改变的，而直流电没有周期性变化。
通常交流电（简称AC）波形为正弦曲线。交流电可以有效传输电力。但实际上还有应用其他的波形，例如三角形波、正方形波。生活中使用的市电就是具有正弦波形的交流电。

一、发展历史

  当发现了电磁感应后，产生交流电流的方法就被知晓。早期的发电机由英国人麦可·法拉第（Michael Faraday）与法国人波利特·皮克西（Hippolyte Pixii）等人发明出来。
  1882年，英国电工詹姆斯·戈登建造了大型双相交流发电机。开尔文勋爵与塞巴斯蒂安·费兰蒂（Sebastian Ziani de Ferranti）开发早期交流发电机，频率介于100赫兹至300赫兹之间。
  1891年，尼古拉·特斯拉取得了高频交流发电机（15000Hz）的专利。
  1891年后，多相交流发电机被用来供应电流，此后的交流发电机的交流电流频率通常设计在16赫兹至100赫兹间，搭配弧光灯、白炽灯或电动机使用。
  根据电磁感应定律，当导体周围的磁场发生变化，感应电流在导体中产生。通常情况下，旋转磁体称为转子，导体绕在铁芯上的线圈内的固定组，称为定子，当其跨越磁场时，便产生电流。产生交流电的基本机械称为交流发电机。

二、产生

  交流电的最基本形式是正弦电流，此外还有锯齿状电流的。发现了电磁感应后，产生交流电的方法也随之被法拉第发现，法拉第因此被誉为交流电之父。问题：为什么要生产交流电？电能是目前最为广泛的能量，利用电磁感应的公式E=BLV，我们可以发电。可现在有一个问题需要解决，就是如何产生稳定的电压。如果是平洞，那么必须有持续的位移，既要有很长很长的导轨。
  这样很明显不容易实现，可是我们如果还想得到稳定的位移的话，就需要用圆周运动来代替，但是这样就会有一个问题，圆周运动的产生的电压的大小是变化的，所以就得到了正选交流电。

交流电：

  根据电磁感应定律，当导体周围的磁场发生变化，感应电流在导体中产生。通常情况下，旋转磁体称为转子，导体绕在铁芯上的线圈内的固定组，称为定子，当其跨越磁场时，便产生电流。产生交流电的基本机械称为交流发电机。

  由于线圈的运动呈周期性，在一个周期内以两个不同的方向（对于线圈的一边来说）穿过磁场，电荷的运动方向完全相反，因此其产生的电压呈正弦波形，如下图所示

  为了简化机械结构，发电机一般设计为磁心在线圈中间转动。也就是说让磁场转动而不是线圈，下图所示为一个线圈和磁心的结构：

  由于大型磁铁转子的加工成本非常高，稳定性不佳，且难以控制磁场强度，因此转子一般用电磁铁来实现。也就是用电流通过铁心上的绕阻来产生磁场，这种机制称为“励磁”。下图为一个实际的多极发电机的结构示意图：

  为了最大化发电效率，一般要在发电机中按装三个线圈，这三个线圈两两呈120度夹角分布。注意上图中红色、绿色和黄色的三条线就是三个线圈，中间青色的是铁质转子，前面铜色的是绕阻，用来产生磁场。发电机工作的具体原理比较复杂，也不在本文的讨论范围之内，因此就不细讲了。由于每个线圈都有两端，发电机工作时电荷就会在这两端之间往复移动，形成前述的正弦波形电压。如果在这两端接上灯泡，就形成了电流回路。
  无论电路中电流的方向如何，经过钨丝（电阻）时都会做功产热，灯也就亮了。电炉、电暧气都是此原理。电动机的原理与发电机正好相反，是利用正弦波电流产生不断变换方向的磁场，推动磁芯转子转动。电子类用电器情况就更复杂了，一般首先会经过直流电源将交流电转换为直流电再输送给电子器件。这个交/直转换的过程比较复杂，有兴趣的同学可以参见这篇贴子：【火眼金睛 教你看懂电源内部用料(原创)】。
  为了节省发电机成本和输电线材，发电机中的三个线圈的一端会连在一起，一般为Y型连接，这一端称为中性线。在上面的发电机结构图中可以看到三个线圈的一端分别接到了蓝色的中性线上，而三个线圈的另一端就成为了发电机的三项输出端。输出的三条波型如下图(b)所示。

  中性线的电位也就是三条正弦波的平均值，即一直为零。此时鸡贼的同学会跑来质问我：这三相的一端拧在一起了，那它们的电荷是怎么移动的？嗯，这个问题看了动图就明白了，请看：

作者：Devymex Wang
链接：https://www.zhihu.com/question/22117559/answer/20836297 来源：知乎
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直流电：

  直流电所通过的电路称直流电路，是由直流电源和电阻构成的闭合导电回路。在该直流电路中，形成恒定的电场。在电源外，正电荷经电阻从高电势处流向低电势处，在电源内，靠电源的非静电力的作用，克服静电力，再从低电势处到达高电势处，如此循环，构成闭合的电流线。

三、数值

  交流电在某一个瞬间的数值称为瞬时值，瞬时值最大的时候叫做最大值。其平均值可以用交流电的半个周期来计算。
●瞬时值和最大值
  右图上的圆圈表示线圈的旋转角度（角频率），波浪则是正弦交流电，表示线圈旋转后产生的电动势。正弦波交流电，记录了因线圈旋转而改变角频率时的瞬时数值。这个数值叫做“瞬时值”。当瞬时值最大的时候，刚好处于正向的波形小山和负向的波形小山的顶点，所以这个值叫做“最大值”。
  瞬时值f可以用e= Vm*sinwt来求得。Vm是由线圈的形状或磁铁的强弱来决定的。
交流电的电动势的电压是正弦波，电流表现出来的也是同样的正弦波。
●平均值
  由于正弦交流电的波形图是在正向波形小山和负向波形小山之间反复变化的，所以可以求出其平均值。在正弦交流电的1个周期内，正向波形小山的面积与负向波形小山的面积相等，所以取其平均的结果是0。因此，如果要求正弦交流电的电动势或电流的平均值的时候，可以用半个周期来计算。平均值Vav可以用Vav=2Vm / π来求得。

四、交流电的传输

  交流电远距离传输要考虑电抗，所以线路损耗较大，而且交流需要三根导线传输。但是交流传输技术成熟，且发生单相接地故障仍能短时间工作，对受电端无影响。直流电不存在电抗问题，而且只需要两根导线传输，线路损耗较小。但技术复杂，输出端和受电端都需要进行交直流转换才能使用。

六、通过交流电传输信息

1、不是用交流电波形来传送信息，是另外调制和发送载波，令电力线上充满待解码的信息；可能是数据，也可能是语音；
2、接收点有相应设备可接收载波，进行解码或解调制，取出有用信息（语音或数据）；
3、曾经有个人制作及公司产品出现过，但销售不好，不成气候。理由和原因大致如下：
1）传送能力差，信号损失严重，理论上在一个变压器范围内都能收到数据，但实际线路长一点就不行了，其次，载波频率做不高，频率越高传送数据能力越强但传送距离越近。
2）电力消耗较大；
3）交换机容量小，不能容得下太多电话机，当然，单机通信完全可以对付；
4）对用电器有一定干扰；
5）开关用电器大行其道的今天这种通信方式易受干扰，数据传送易出错，语音通信效果也不太好；

七、三相交流电

  三相交流电是由三个频率相同、电势振幅相等、相位差互差120°角的交流电路组成的电力系统。目前，我国生产、配送的都是三相交流电。

基本释义

  是三个相位差互为120°的对称正弦交流电的组合。它是由三相发电机三组对称的绕组产生的，每一绕组连同其外部回路称一相，分别记以A、B、C。它们的组合称三相制，常以三相三线制和三相四线制方式，即三角形接法和星形接法供电。
  三相制的主要优点是：在电力输送上节省导线； 能产生旋转磁场，且为结构简单使用方便的异步电动机的发展和应用创造了条件。三相制不排除对单相负载的供电。因此三相交流电获得了最广泛的应用。

两种接线方式

  三相电在电源端和负载端均有星形和三角形两种接法。二种接法都会有三条三相的输电线及三个电源（或负载），但电源（或负载）的连接方式不同。
  日常用电系统中的三相四线制中电压为380/220V，即线电压为380V；相电压则随接线方式而异：若使用星形接法，相电压为220v；三角形接法，相电压则为380V。

• 星形接法

  三相电机的星形接法是将各相电源或负载的一端都接在一点上，而它们的另一端作为引出线，分别为三相电的三条相线。对于星形接法，可以将中点（称为中性点）引出作为中性线，形成三相四线制。也可不引出，形成三相三线制。当然，无论是否有中性线，都可以添加地线，分别成为三相五线制或三相四线制。
  星形接法的三相电，当三相负载平衡时，即使连接中性线，其上也没有电流流过。三相负载不平衡时，应当连接中性线，否则各相负载将分压不等。
  工业上用的三相交流电，有的直接来自三相交流发电机，但大多数还是来自三相变压器，对于负载来说，它们都是三相交流电源，在低电压供电时，多采用三相四线制。
  在三相四线制供电时，三相交流电源的三个线圈采用星形（Y形）接法，即把三个线圈的末端X、Y、Z连接在一起，成为三个线圈的公用点，通常称它为中点或零点，并用字母O表示。

  供电时，引出四根线：从中点O引出的导线称为中线(中性线),居民供电中称为零线；从三个线圈的首端引出的三根导线称为A线、B线、C线，统称为相线或火线。在星形接线中，如果中点与大地相连，中线也称为地线,也叫重复接地。我们常见的三相四线制供电设备中引出的四根线，就是三根火线一根地线。
  我国低压供电标准为50HZ、380/220V，而日本及西欧某些国家采用60HZ、110V的供电标准，在使用进口电器设备时要特别注意，电压等级不符，会造成电器设备的损坏。

• 三角接法

   三相电机的三角形接法是将各相电源或负载依次首尾相连，并将每个相连的点引出，作为三相电的三条相线。三角形接法没有中性点，也不可引出中性线，因此只有三相三线制。添加地线后，成为三相四线制。

交流电与直流电的区别

1、交流电存在过零点：电压波形为正弦或余弦，可以据此原理制造相应的灭弧设备对电路进行分合；高压直流输电由于没有过零特性，无法采用这种灭弧原理来制造断路器。
2、直流电在超高压、高压、中低压的输送过程中，比之交流电更加稳定。正是由于直流电没有正弦波形，因此也就不存在系统稳定的问题，近年来尤其作为两个大电网系统的互联而得到广泛应用。在超高压输电领域，国家电网将重点放在了特高压（1000kV）上面，而南方电网将重点放在了直流（正负800kV）上面。相对于交流输电的三相导线，直流输电只用两根甚至一根导线，因而大大减少了线路走廊，节省了宝贵的土地资源。
3、直流电更容易储存，尤其使用现代化的UPS，加入蓄电池作为后备失电保护，可以控制直流电和交流电相互逆变整流为我所用，更加智能方便。
4、直流电在整流和逆变的过程中，容易产生谐波，污染电能质量，这是它的大缺点。由于现代发电机绝大多数采用交流发电，直流电的获取除了化学反应以外（蓄电池），更多的是通过整流来实现，这个过程中损耗不小、投资巨大，且必须投入滤波器来消除多次谐波。