交流電是怎樣的?

【專家解說】：交流電和直流電的區(qū)別交流電即交變電流，大小和方向都隨時(shí)間做周期性變化的電流。  直流電則相反。電網(wǎng)公司一般使用交流電方式送電，但有高壓直流電用于遠(yuǎn)距離大功率輸電、海底電纜輸電、非同步的交流系統(tǒng)之間的聯(lián)絡(luò)等  高壓直流輸電方式與高壓交流輸電方式相比，有明顯的優(yōu)越性．歷史上僅僅由于技術(shù)的原因，才使得交流輸電代替了直流輸電．下面先就交流電和直流電的主要優(yōu)缺點(diǎn)作出比較，從而說明它們各自在應(yīng)用中的價(jià)值．  交流電的優(yōu)點(diǎn)主要表現(xiàn)在發(fā)電和配電方面：利用建立在電磁感應(yīng)原理基礎(chǔ)上的交流發(fā)電機(jī)可以很經(jīng)濟(jì)方便地把機(jī)械能（水流能、風(fēng)能……）、化學(xué)能（石油、天然氣……）等其他形式的能轉(zhuǎn)化為電能；交流電源和交流變電站與同功率的直流電源和直流換流站相比，造價(jià)大為低廉；交流電可以方便地通過變壓器升壓和降壓，這給配送電能帶來極大的方便．這是交流電與直流電相比所具有的獨(dú)特優(yōu)勢(shì)．  直流電的優(yōu)點(diǎn)主要在輸電方面：  ①輸送相同功率時(shí)，直流輸電所用線材僅為交流輸電的2／3～l／2  直流輸電采用兩線制，以大地或海水作回線，與采用三線制三相交流輸電相比，在輸電線載面積相同和電流密度相同的條件下，即使不考慮趨膚效應(yīng)，也可以輸送相同的電功率，而輸電線和絕緣材料可節(jié)約1／3．  如果考慮到趨膚效應(yīng)和各種損耗（絕緣材料的介質(zhì)損耗、磁感應(yīng)的渦流損耗、架空線的電暈損耗等），輸送同樣功率交流電所用導(dǎo)線截面積大于或等于直流輸電所用導(dǎo)線的截面積的1.33倍．因此，直流輸電所用的線材幾乎只有交流輸電的一半．同時(shí)，直流輸電桿塔結(jié)構(gòu)也比同容量的三相交流輸電簡(jiǎn)單，線路走廊占地面積也少．  ②在電纜輸電線路中，直流輸電沒有電容電流產(chǎn)生，而交流輸電線路存在電容電流，引起損耗．  在一些特殊場(chǎng)合，必須用電纜輸電．例如高壓輸電線經(jīng)過大城市時(shí)，采用地下電纜；輸電線經(jīng)過海峽時(shí)，要用海底電纜．由于電纜芯線與大地之間構(gòu)成同軸電容器，在交流高壓輸線路中，空載電容電流極為可觀．一條200kV的電纜，每千米的電容約為0.2μF，每千米需供給充電功率約3×103kw，在每千米輸電線路上，每年就要耗電2.6×107kw·h．而在直流輸電中，由于電壓波動(dòng)很小，基本上沒有電容電流加在電纜上．  ③直流輸電時(shí)，其兩側(cè)交流系統(tǒng)不需同步運(yùn)行，而交流輸電必須同步運(yùn)行．交流遠(yuǎn)距離輸電時(shí)，電流的相位在交流輸電系統(tǒng)的兩端會(huì)產(chǎn)生顯著的相位差；并網(wǎng)的各系統(tǒng)交流電的頻率雖然規(guī)定統(tǒng)一為50HZ，但實(shí)際上常產(chǎn)生波動(dòng)．這兩種因素引起交流系統(tǒng)不能同步運(yùn)行，需要用復(fù)雜龐大的補(bǔ)償系統(tǒng)和綜合性很強(qiáng)的技術(shù)加以調(diào)整，否則就可能在設(shè)備中形成強(qiáng)大的循環(huán)電流損壞設(shè)備，或造成不同步運(yùn)行的停電事故．在技術(shù)不發(fā)達(dá)的國(guó)家里，交流輸電距離一般不超過300km而直流輸電線路互連時(shí)，它兩端的交流電網(wǎng)可以用各自的頻率和相位運(yùn)行，不需進(jìn)行同步調(diào)整．  ④直流輸電發(fā)生故障的損失比交流輸電小．兩個(gè)交流系統(tǒng)若用交流線路互連，則當(dāng)一側(cè)系統(tǒng)發(fā)生短路時(shí)，另一側(cè)要向故障一側(cè)輸送短路電流．因此使兩側(cè)系統(tǒng)原有開關(guān)切斷短路電流的能力受到威脅，需要更換開關(guān)．而直流輸電中，由于采用可控硅裝置，電路功率能迅速、方便地進(jìn)行調(diào)節(jié)，直流輸電線路上基本上不向發(fā)生短路的交流系統(tǒng)輸送短路電流，故障側(cè)交流系統(tǒng)的短路電流與沒有互連時(shí)一樣．因此不必更換兩側(cè)原有開關(guān)及載流設(shè)備．  在直流輸電線路中，各級(jí)是獨(dú)立調(diào)節(jié)和工作的，彼此沒有影響．所以，當(dāng)一極發(fā)生故障時(shí)，只需停運(yùn)故障極，另一極仍可輸送不少于一半功率的電能．但在交流輸電線路中，任一相發(fā)生永久性故障，必須全線停電．  另外提醒一下:在直流輸電系統(tǒng)中，只有輸電環(huán)節(jié)是直流電，發(fā)電系統(tǒng)和用電系統(tǒng)仍然是交流電． 什么是交流電的周期  發(fā)電機(jī)的基本原理是導(dǎo)線在磁場(chǎng)中做切割磁感線的運(yùn)動(dòng)從而產(chǎn)生電流。由于導(dǎo)線在磁場(chǎng)中并不是沿一定的方向轉(zhuǎn)動(dòng)切割，故產(chǎn)生的電流方向也就發(fā)生周期性變化。電流發(fā)生變化，我們身邊的電器使用時(shí)也會(huì)出現(xiàn)問題。譬如燈使用時(shí)就會(huì)不停的閃爍，之所以看不見這現(xiàn)象，是利用了我們眼睛的視覺暫留現(xiàn)象。則如果每秒電流方向改變50次,一次用時(shí)0.02s ，即燈每秒閃爍50次我們就看不到閃爍現(xiàn)象了。所以說交流電的周期是0.02S。那為什么是0.02s不是0.03s 呢?因?yàn)?.03s大于人的視覺暫留0.02s 什么是交流電的頻率 交流電的頻率是由發(fā)電機(jī)的磁極對(duì)數(shù)m和轉(zhuǎn)速n決定的．它們有下列關(guān)系： f=mn/60  我國(guó)電網(wǎng)的標(biāo)準(zhǔn)頻率是50Hz，這是一個(gè)確定的數(shù)值．因此發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)速與磁極對(duì)數(shù)成反比．當(dāng)m=1（兩極電機(jī)）時(shí)，轉(zhuǎn)速n=3000r/min；當(dāng)m=2（四極電機(jī)）時(shí)，n=1500r/min．  國(guó)外電網(wǎng)也有采用60Hz作標(biāo)準(zhǔn)頻率的．頻率的高或低，各有利弊．頻率提高，可使發(fā)電機(jī)和變壓器的銅材、鋼材耗用量減少，重量輕，成本低．但會(huì)使電氣設(shè)備和輸電線路的感抗增大，容抗減少，損耗增大，從而降低了輸電效率．頻率過低，會(huì)使電氣設(shè)備用料增多，重量大，成本高，還會(huì)使電燈光閃爍明顯．考慮到各種因素，經(jīng)過技術(shù)經(jīng)濟(jì)比較，證明交變電流頻率采用50Hz、60Hz比較適宜．飛機(jī)上的交流電源，其頻率采用400Hz，這樣可以使電氣設(shè)備重量大大減輕．國(guó)外電網(wǎng)也有采用60Hz作標(biāo)準(zhǔn)頻率的。頻率的高或低，各有利弊。頻率提高，可使發(fā)電機(jī)和變壓器的銅材、鋼材耗用量減少，重量輕，成本低．但會(huì)使電氣設(shè)備和輸電線路的感抗增大，容抗減少，損耗增大，從而降低了輸電效率。頻率過低，會(huì)使電氣設(shè)備用料增多，重量大，成本高，還會(huì)使電燈光閃爍明顯?？紤]到各種因素，經(jīng)過技術(shù)經(jīng)濟(jì)比較，證明交變電流頻率采用50Hz、60Hz比較適宜。 怎樣提高交流電的頻率 電容在交流電路中對(duì)交變電流有阻礙作用，稱為阻抗。電容器在交流電路中阻抗的大小稱為容抗，它與電容器的電容、交流的頻率均成反比，電容越大．交流頻率越高，容抗便越小。  電容器是一種能儲(chǔ)存電荷的容器．它是由兩片靠得較近的金屬片，中間再隔以絕緣物質(zhì)而組成的．按絕緣材料不同，可制成各種各樣的電容器，如：云母．瓷介．紙介，電解電容器等．在構(gòu)造上，又分為固定電容器和可變電容器．電容器對(duì)直流電阻力無窮大，即電容器具有隔直流作用。  電容器對(duì)交流電的阻力受交流電頻率影響，即相同容量的電容器對(duì)不同頻率的交流電呈現(xiàn)不同的容抗.為什么會(huì)出現(xiàn)這些現(xiàn)象呢這是因?yàn)殡娙萜魇且揽克某浞烹姽δ軄砉ぷ鞯?，電源開關(guān)未合上時(shí)．電容器的兩片金屬板和其它普通金屬板同樣是不帶電的。當(dāng)開關(guān)合上時(shí)，電容器正極板上的自由電子便被電源所吸引，并推送到負(fù)極板上面。由于電容器兩極板之間隔有絕緣材料，所以從正極板跑過來的自由電子便在負(fù)極板上面堆積起來．正極板便因電子減少而帶上正電，負(fù)極板便因電子逐漸增加而帶上負(fù)電。電容器兩個(gè)極板之間便有了電位差，當(dāng)這個(gè)電位差與電源電壓相等時(shí)，電容器的充電就停上了．此時(shí)若將電源切斷，電容器仍能保持充電電壓。對(duì)已充電的電容器，如果我們用導(dǎo)線將兩個(gè)極板連接起來，由于兩極板間存在的電位差，電子便會(huì)通過導(dǎo)線，回到正極板上，直至兩極板間的電位差為零．電容器又恢復(fù)到不帶電的中性狀態(tài),導(dǎo)線中也就沒電流了．加在電容器兩個(gè)極板上的交流電頻率高，電容器的充放電次數(shù)增多；充放電電流也就增強(qiáng)；也就是說．電容器對(duì)于頻率高的交流電的阻礙作用就減小,即容抗小,反之電容器對(duì)頻率低的交流電產(chǎn)生的容抗大．對(duì)于同一頻率的交流電電．電容器的容量越大，容抗就越小，容量越小,容抗就越大。  我們常用的工頻交流電是50HZ，常在交流電路中并聯(lián)電容器用來補(bǔ)償無功功率，提高功率因數(shù)。這里邊就涉及容抗的匹配問題了，也不會(huì)出現(xiàn)“有人說電容在交流電中相當(dāng)于導(dǎo)線”而“電容直接連在火線和零線之間會(huì)短路”的問題了。 什么叫交流電的周期、頻率和角頻率 交流電在變化過程中，它的瞬時(shí)值經(jīng)過一次循環(huán)又變化到原來的瞬時(shí)值所需的時(shí)間，即交流電變化一個(gè)循環(huán)所需要的時(shí)間稱交流電的周期。用字母T表示，單位為s。我國(guó)電網(wǎng)交流電的周期為0.02s。     交流電每秒周期性變化的次數(shù)叫做頻率，用字母f表示，單位為Hz.。我國(guó)電網(wǎng)的頻率廠f＝50 Hz，習(xí)慣上稱為“工頻”。周期與頻率之間的關(guān)系為：           T ＝1/f   或者f ＝1/T   用每秒鐘所變化的電氣角度來表示交流電的變化快慢叫做角頻率（W在數(shù)值上等于單位時(shí)間內(nèi)正弦函數(shù)幅角的增長(zhǎng)值，稱為角頻率），用字母ω表示，單位為rad／s。角頻率與周期及頻率之間的關(guān)系為：           ω＝2π/T＝2πf