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發(fā)展歷史

當(dāng)發(fā)現(xiàn)了電磁感應(yīng)后，產(chǎn)生交流電流的方法就被知曉。早期的成品由英國(guó)人麥可·法拉第（ Michael Faraday ）與法國(guó)人波利特·皮克西（ Hippolyte Pixii ）等人開發(fā)出來。

1882年，英國(guó)電工詹姆斯·戈登建造了大型雙相交流發(fā)電機(jī)。開爾文勛爵與塞巴斯蒂安·費(fèi)蘭蒂（Sebastian Ziani de Ferranti）開發(fā)早期交流發(fā)電機(jī)，頻率介于100赫茲至300赫茲之間。

1891年，尼古拉·特斯拉取得了交流發(fā)電機(jī)的專利。

1891年后，多相交流發(fā)電機(jī)被用來供應(yīng)電流，此后的交流發(fā)電機(jī)的交流電流頻率通常設(shè)計(jì)在16赫茲至100赫茲間，搭配弧光燈、白熾燈或電動(dòng)機(jī)使用。

根據(jù)電磁感應(yīng)定律，當(dāng)導(dǎo)體周圍的磁場(chǎng)發(fā)生變化，感應(yīng)電流在導(dǎo)體中產(chǎn)生。通常情況下，旋轉(zhuǎn)磁體稱為轉(zhuǎn)子，導(dǎo)體繞在鐵芯上的線圈內(nèi)的固定組，稱為定子，當(dāng)其跨越磁場(chǎng)時(shí)，便產(chǎn)生電流。產(chǎn)生交流電的基本機(jī)械稱為交流發(fā)電機(jī)。

簡(jiǎn)諧交流電

根據(jù)傅里葉級(jí)數(shù)的原理，周期函數(shù)都可以展開為以正弦函數(shù)、余弦函數(shù)組成的無窮級(jí)數(shù)，任何非簡(jiǎn)諧的交流電也可以分解為一系列簡(jiǎn)諧正余弦交流電的合成。

頻率

交流電的頻率是指它單位時(shí)間內(nèi)周期性變化的次數(shù)，單位是赫茲，與周期成倒數(shù)關(guān)系。日常生活中的交流電的頻率一般為50赫茲或60赫茲，而無線電技術(shù)中涉及的交流電頻率一般較大，達(dá)到千赫茲（KHz）甚至百萬赫茲（MHz）的度量。不同國(guó)家的電力系統(tǒng)的交流電頻率不同，通常為50赫茲或者60赫茲。在亞洲使用50赫茲的國(guó)家與地區(qū)主要有中國(guó)、日本、泰國(guó)、印度和新加坡，歐洲大部分國(guó)家使用50赫茲，美洲使用60赫茲的國(guó)家主要是墨西哥、美國(guó)、加拿大。

峰值和有效值

正余弦交流電的峰值與振幅相對(duì)應(yīng)，而有效值大小則由相同時(shí)間內(nèi)產(chǎn)生相當(dāng)焦耳熱的直流電的大小來等效。交流電峰值與均方根值（有效值）的關(guān)系為 V p e a k = 2 V r m s {\displaystyle V_{peak}={\sqrt {2}}V_{rms}} 。市電220V表示均方根值，其峰值為311V。

三角函數(shù)積分一個(gè)周期，面積為零。

功率振蕩

假設(shè)使用單相電連接到純電阻負(fù)載。

根據(jù)三角恒等式，可以得知功率（P）的振蕩頻率是電壓（V）頻率的兩倍。

使用50Hz或60Hz單相電時(shí)，電器的輸出功率會(huì)以100Hz或120Hz振蕩。這個(gè)數(shù)字遠(yuǎn)高于肉眼可分辨的24Hz，所以我們無法觀察電燈在閃爍。

使用三相電時(shí)，三個(gè)功率相加是穩(wěn)定的，這是發(fā)電廠使用三相發(fā)電機(jī)的主要原因之一。

發(fā)電機(jī)

  旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)發(fā)電機(jī)

交流發(fā)電機(jī)通常采用旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)設(shè)計(jì)，電樞靜止，這樣便不需要使用電刷和滑環(huán)取電。

同步發(fā)電機(jī)的磁場(chǎng)來自永久磁鐵或電磁鐵。發(fā)電廠使用的大型同步發(fā)電機(jī)可透過控制勵(lì)磁系統(tǒng)（電磁鐵）來改變輸出電壓及無功功率。

異步發(fā)電機(jī)沒有磁石，利用定子與轉(zhuǎn)子間氣隙旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)，與轉(zhuǎn)子繞組中感應(yīng)電流相互作用來發(fā)電。異步發(fā)電機(jī)需要電容或同步發(fā)電機(jī)提供無功功率才可以運(yùn)作，因此通常不能黑啟動(dòng)，即是不借助外部電力來啟動(dòng)。

電力傳輸

交流電被廣泛運(yùn)用于電力的傳輸，因?yàn)樵谝酝募夹g(shù)條件下交流輸電比直流輸電更有效率。傳輸?shù)碾娏髟趯?dǎo)線上的耗散功率可用焦耳定律求得，顯然要降低能量損耗需要降低傳輸?shù)碾娏骰螂娋€的電阻。由于成本和技術(shù)所限，很難降低目前使用的輸電線路（如銅線）的電阻，所以降低傳輸?shù)碾娏魇俏ㄒ欢矣行У姆椒?。根?jù)P=IU（實(shí)際上有功功率 P = I U cos ? ? --> ? ? --> {\displaystyle P=IU\cos \phi } ），提高電網(wǎng)的電壓即可降低導(dǎo)線中的電流，以達(dá)到節(jié)約能源的目的。

而交流電升降壓容易的特點(diǎn)正好適合實(shí)現(xiàn)高壓輸電。使用結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單的升壓變壓器即可將交流電升至幾千至幾十萬伏特，從而使電線上的電力損失極少。在城市內(nèi)一般使用降壓變壓器將電壓降至幾萬至幾千伏以保證安全，在進(jìn)戶之前再次降低至市電電壓或者適用的電壓供用電器使用。

隨著電力電子學(xué)的發(fā)展，愈來愈多長(zhǎng)距離輸電采用高壓直流輸電（HVDC），直流電功率因素是1，效率更高。在日本，糸魚川靜岡構(gòu)造線以東為50Hz、以西為60Hz，在靜岡縣與長(zhǎng)野縣設(shè)有三處頻率轉(zhuǎn)換變電所聯(lián)網(wǎng)，而本州與北海道及四國(guó)間則以海底HVDC連結(jié)。

交流電相位分類

目前各國(guó)使用的交流電相位主要為單相及三相。

三相電

三相交流電，輸電時(shí)只有三條火線，供電給客戶時(shí)有三條火線和中線。只使用其中一條相線及中線，便是單相電。

三條火線上的正弦波各有120°相位差，主要為工業(yè)用。

如果相電壓是220V，線電壓則是380V。

單相電

單相交流電，其電纜有一條火線和一條中線，用于一般住宅及商業(yè)樓宇。

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