直流电、交流电和发电机、接地、变压器

直流电?

此节内容主要摘录自：图文详解直流电与直流电路基本知识

直流电是指电流方向不随时间作周期性变化，由正极流向负极，但电流的大小可能会变化的电流。直流电可以分为稳定（恒定）直流和脉动直流两种，如下图（a）、（b）所示。

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稳定直流电是指方向固定不变并且大小也不变的直流电，稳定直流电的电流I的大小始终保持恒定，如上图中（a），稳定直流电的电流I为直线，始终为6mA；直流电的电流方向保持不变，始终是从电源正极流向负极，图中的直线始终在t轴上方，表示电流的方向始终不变。

用干电池供电的直流电，如手电筒，就属于稳定直流电。

脉动直流中电流大小不稳定；脉动直流电是指方向固定不变，但大小随时间变化的直流电。在上图（b）中，脉动直流电的电流I为波浪形（这里只是举例说明），从图中可以看出，脉动直流电的电流I的大小随时间作波动变化（如在t1时刻电流为6mA，在t2时刻电流变为4mA），电流大小波动变化在图中用曲线表示；脉动直流电的方向始终不变（电流始终从电源正极流向负极），图中的曲线始终在t轴上方，表示电流的方向始终不变。

用整流器供电的直流电，如手机充电器，则属于脉动直流电。

常见直流电源

一般将可提供直流电的装置称为直流电源。

其中一种是自身能发出电力的直流电源装置，例如干电池、蓄电池、直流发电机、光伏组件等。

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另外一种是自身不能直接产生电力，而是将交流电源转换成直流电的直流电源装置，例如：手机充电器、冶炼用的整流柜、电子设备中的整流电源等。

直流电源有正、负两极，当直流电源为电路供电时，直流电源能够使电路两端之间保持恒定的电位差，从而在外电路中形成由电源正极到负极的电流，如下图所示。

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由直流电源作用的电路称为直流电路，它主要是由直流电源、负载、连接导线、控制装置组成构成的闭合电路，直流电源符号和直流电路参见下图。

直流电路的应用

直流电路在我们的日常生活和工作中可以经常看到：在生活中，我们所用的手电筒电路、电动单车电路、电动汽车电路、电视机的内部电子电路的等等，其电路都属于直流电路；在工作中，光伏发电系统、变电站的直流电源系统、应急照明电源系统等，其电路中都包含有直流电路。

一般情况下，无论是生活还是生产所见到的直流电路，除了部分是采用干电池、蓄电池等直流电源供电的直流电路；大部分情况下，各类用电设备、电子设备的电源都是取自电网，这些用电设备、电子设备的控制电路或控制系统则往往需要多种直流电压，而电网一般都是交流电，此时需采用专门的整流电源，即交流-直流变换器或整流电源，将来自电网交流转换成直流再为这些控制电路或控制系统供电，如：LED照明台灯、冶金直流传动系统、手机充电器、直流充电桩、收音机、电视机、电脑等等。

收音机、电视机、台式电脑等家用电器的交流-直流变换器或整流电源是安装在电器内部的；有的家用电器，如手机、笔记本电脑等设备，是采用充电器将交流220V变为所需的直流电压后再对蓄电池进行充电，再由蓄电池为电器内的电子电路、芯片提供直流电源；而监控用的摄像机等电子产品，是将直流电源作为外置式附件，制成一个独立的电路单元，称为电源适配器，电源适配器将220V交流电转变为直流电后为摄像机等电子产品提供所需要的直流电压。

交流电和发电机

此节内容主要摘录自：图文详解交流电与交流电路基本知识

交流电是指大小和方向会随时间周期性变化的电压或电流。在下图中，0~t4这段时间以及后续时间内，电流I的大小、方向，都是随着时间t的变化而出现周期性的、按正弦波形进行变化。

注意，交流电都是周期性变化的。

交流电分为：单相交流电、两相交流电、三相交流电

常见交流电源

常见的能产生交流电的交流电源有汽轮发电机、水轮发电机、柴油发电机、变压器、UPS电源、稳压电源等等。其中汽轮发电机、水轮发电机、柴油发电机等是将其它化石能源转换为电能，变压器、UPS电源、稳压电源等是将来自电网的交流电，变换成用电设备所需的交流电，其本身不会产生电能。

交流发电机基本工作原理

交流发电机是由转子和定子组成，转子是由永磁体或励磁绕组构成的，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波形为正弦波形。

下图为发电机基本原理图，发电机定子线圈根据电磁感应原理产生电动势，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。

1、单相交流电

单相交流电在电路中具有单一交变的电压，该电压以一定的频率随时间变化，如下图所示。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（相），由两条线进行传输。

2、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，如下图所示。转子旋转时，会在两组定子线圈各自产生一组感应电动势，这两组电动势之间有90°的相位差，这种电源称为两相电源，多用在自动化设备中。

3、三相交流电

三相交流电是由三相交流发电机产生的，此时发电机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等速顺时针方向旋转时，在三个定子绕组中就会产生频率相同、幅值相等、相位上互差120°的三个正弦电动势，即对称的三相电动势，如下图所示。我们日常生活、工作中所使用的来自电网的电都是由三相交流发电机发出的。

交流电路

1、三相交流电路

三相交流电路的配电方式主要TT系统、TN-C系统、TN-C-S系统、TN-S系统；

具体参考这篇吧：图文详解交流电与交流电路基本知识

此处略去。

2、单相两线制、单相三线制交流电路

在实际中很多用电设备由于其功率较小，其电压为220V，如我们的家用电器、照明等家庭用电都是220V，此时采用220V单相配电即可。

单相交流电路的配电方式，根据其从配电箱引出的导线数量，分为单相两线制、单相三线制。

1）单相两线制

单相两线制是指配电线路仅由一根相线（L）和一根中性线（N）构成，通过这两根线获取220V单相电压，分配给各用电设备。

根据有关设计规范，照明灯具线路采用单相二线制即可，如下图所示。

2）单相三线制

单相三线制是在单相两线制的基础上添加一条保护接地导体，即由一根相线（L）、中性导线（N）和保护接地线（PE）构成。其中，保护接地线（PE）与相线（L）之间的电压为220V，中性导线（N）与相线（L）之间的电压为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。

按照有关设计规范，在家庭配电线路中的各类电源插座，为确保人身安全，要求采用单相三线制交流电路。

交流电的流向

交流电是没有正负极的。

交流电的方向是电子的移动方向半周期正转，半周期反转。

之所以会正转反转，是由于切割磁感线时会因为磁场方向的改变从而带动电场的方向改变。

其周期就是按照正弦波形来进行的。

所以这个灯泡实际上是一会儿亮一会儿暗，但是因为频率太快，所以看不到变化，实际中用高速相机就能捕捉到这个变化。

交流电的有效值和平均值

交流电有若干特征值

注意：不要把正弦交流电等同于交流电，正弦交流电只是交流电的一种，因为它比较广泛所以我们才经常见到，但不要误认为交流电就是正弦交流电。

这里有效值要注意下：

有效值又称“均方根值”。一种用以计量交流电大小的值：交流电通过某电阻，在一周期内所产生的热量与直流电通过该电阻在同样时间内产生的热量相等，此直流电的量值则是该交流电的有效值。

有效值在相同的电阻上分别通过直流电流和交流电流，经过一个交流周期的时间，如果它们在电阻上所消耗的电能相等的话，则把该直流电流（电压）的大小作为交流电流（电压）的有效值，正弦电流（电压）的有效值等于其最大值（幅值）的1/√2，约0.707倍。

另外，还有个参数叫平均值，又叫直流分量，不要和有效值搞混了。

直流分量和有效值是两个不同的电学概念。
直流分量指的是交流信号中的直流部分，即信号在一个周期内的平均值。我们日常使用的220V交流电在一个周期内的平均值为0，可以看一个周期内正负波形的面积是否一样来确认是否平均值为0。显然，单向波必定存在直流分量。如果原信号是周期信号，在用数学公式表达时可以省去取极限的过程，且积分限可以取任意一个周期。
有效值则是指交流信号的等效直流值，即能够产生与交流信号相同的功率的直流信号。在实际应用中，我们常用有效值来表示交流信号的大小，例如交流电压的有效值为其峰值电压的0.707倍，我们日常使用的市电最高310V，其有效值为220V，我们用万用表量的电压都是有效值。
因此，直流分量和有效值是两个不同的概念，直流分量不是有效值。

补充：单极性波形的直流分量

通信原理知识_单极性码的直流分量-CSDN博客

可以通过示波器的AC耦合和DC耦合来对比确认是否确实含有直流分量。

另外，直流分量可以用傅里叶来分解出来：

信号与系统——信号的分解_奇分量和偶分量-CSDN博客

傅里叶展开的第一项就是直流分量，然后是基波，然后是一次谐波、二次谐波……

接地

PE线，英文全称protective earthing conductor，简体中文名称称之为[保护导体]，也就是我们通常所说的[地线]

上面讲了交流电，家庭用电中，一般都是火线、零线加上地线。

于是，让我产生了疑惑，为什么零线是中性线，另外还要加个地线呢？

零线能省掉吗？

地线能省掉吗？

参考：

零线不带电，为什么还要拉一条？直接用地做零线不是更省钱？

零线既然不带电，为何不直接把地线当作零线使用？

人为何会触电？电流经过人体流入大地，流入大地中的电又去哪了？

以下记录重点内容

为什么有零电位的零线了还需要地线？

地线的作用一般理解就是保护用电安全！我们以三相电的线路图来解释下地线的作用！理论上电源中心点已经接地，也就是在电源处零线和地线的电位是一样的！

零线（N线）是电路的归还路径，负责将电流从负载设备引导回电源。它通常是通过变压器中心点接地形成的。而地线（PE线）是用于安全接地的导线，目的是将设备的金属外壳或框架连接到地面，以确保设备在故障时能够安全排放电流。

如上图，三相电源的中心和零线都是接地的，但事实上当零线有电流经过时，它的电位可能并不为零，比如当电机工作时线圈震动磨损漏电，那么外壳就可能会带电，或者接线时线头松动与外壳接触时也会带电，此时人体如果接触用电设备外壳时就非常危险！

所以，加地线是为了防止漏电而发生触电危险。接地系统的设计和安装是为了确保电气设备在故障情况下能够安全排放电流。

现在家庭用电都安装了漏电保护器，漏电保护器内部有零序线圈，主要是检测流入和流出的电流绝对值是否为零，只要有30毫安的误差，漏电保护器就会动作，也就是说跳闸了，你家也就没电了。

电能通过高压电网输送到用户端，只要三相电平衡，在高压电网中就不需要布置额外的零线；高压电网到用户端需要通过变压器降压，此时在主变压器的二次侧拉一根线接地，就成了用户端的零线。

理论上低压侧的三相平衡，零线就不会带电，实际上三相电不可能完全平衡，而且二次侧拉到用户的零线也存在压降，所以零线多多少少会存在电压。

而用户端的地线，是深埋于建筑物底下与大地形成的良导体，要求接地电阻≤4 Ω，对于大功率的电器，地线是接在电器金属外壳上的，一旦电器发生漏电事故，由于人体的电阻远远大于接地电阻，所以绝大部分电流会从地线流走，从而保护人体不受伤害，同时，漏电保护开关也会断开总闸。

人体和大地的电阻，大概分别是多少？?

一般认为，接触到真皮里，一只手臂或一条腿的电阻大约为500欧。因此，由一只手臂到另一只手臂或由一条腿到另一条腿的通路相当于一只1000欧的电阻。

假定一个人用双手紧握带电体，双脚站在水坑里而形成导电回路，这时人体电阻基本上就是体内电阻约为500欧。 一般情况下，人体电阻可按1000－2000欧考虑。经过对大量实验数据的分析研究确定，人体电阻的平均值一般为2000Ω左右，而在计算和分析时，通常取下限值1700Ω。

在温度一定的情况下， 已知物体的电阻，可由电阻率ρ、长度 l 与截面面积S 计算出来：计算公式就是R=ρl/S，l为材料的长度， S为面积。可以看出，材料的电阻大小与材料的长度成正比，而与其截面积成反比。所以大地电阻为0Ω。

变压器

参考：变压器的工作原理是什么？ - 知乎

变压器可以看成相互关联的两个电感，它们共用一个磁芯（理想情况下：原边N1和副边N2的磁力线是完全一样的；即它们共用磁场能量），我们可以看成：通过原边N1线圈将电能存储为磁能，然后通过N2线圈将磁能释放出来转化为电能。

从理论上来说，不管是N1还是N2输入电能都是等价的：都是转化为了磁芯的磁场能量；同时不管是N1还是N2输出电能也是等价的：都是由磁芯的磁场能量转化为了电能。

变压器就其本质来说也是一种电感器，利用电磁互感应来变换电路中交流电压、电流和阻抗特性的器件。变压器的原理是：当初级线圈中通有交流电流时，铁芯（或磁芯）中便产生交流磁通，使次级线圈中感应出电压。

——根据电磁感应原理，如下图所示

当变压器输入交流电压Vin时：

原边感应电压Vin = -N1* dΦ/dt；

副边感应电压为Vout = -N2* dΦ/dt；

因此Vout/Vin = （-N2* dΦ/dt） / （-N1* dΦ/dt）

由于原边和副边线圈共用1个磁芯（不考虑漏磁），其通过原边和副边的磁通量变化相同，所以Vout/Vin = N2/N1 = n（匝数比），得到的是两侧电压之比为匝数比。

对于理想变压器，传送过程中没有能量损耗，即Pin = Pout，根据P=UI，电压比等于砸数比，所以电流比等于砸数反比。

因为变化的电场才会产生磁场，所以变压器对直流电是无效的。