什么是交流电 (AC)？

大多数电力专业的学生从所谓的直流开始他们的学习 (DC)，即电流以恒定方向流动，和/或具有恒定极性的电压。

直流电是由电池（有明确的正负极）产生的电，或者是某种材料相互摩擦产生的电荷。

交流电与直流电

与 DC 一样有用且易于理解，它并不是使用的唯一“种类”电力。某些电源（最显着的是旋转机电发电机）自然会产生极性交替的电压，随着时间的推移正负反转。

无论是作为电压切换极性还是作为电流切换方向来回，这种“类型”的电被称为交流电 (AC)：

直流电与交流电

熟悉的电池符号被用作任何直流电压源的通用符号，而带有波浪线的圆圈则是任何交流电压源的通用符号。

有人可能想知道为什么有人会为 AC 之类的东西而烦恼。的确，在某些情况下，交流电比直流电没有实际优势。

在使用电力以热量形式耗散能量的应用中，电流的极性或方向无关紧要，只要负载有足够的电压和电流以产生所需的热量（功率耗散）。然而，使用交流电可以构建效率远高于直流电的发电机、电动机和配电系统，因此我们发现交流电在世界各地主要用于大功率应用。

要解释为什么会这样的细节，需要一些关于 AC 的背景知识。

交流发电机

根据法拉第电磁感应定律，如果一台机器被构造成随着轴的转动而围绕一组固定线圈旋转磁场，那么随着轴的旋转，线圈上将产生交流电压。

这是交流发电机（也称为交流发电机）的基本工作原理 :下图

发电机操作

请注意，当旋转磁铁的相反极经过时，线圈两端的电压极性如何反转。

连接到负载时，这种反向电压极性将在电路中产生反向电流方向。交流发电机轴转动得越快，磁铁旋转得越快，从而产生交流电压和电流，在给定的时间内更频繁地切换方向。

虽然直流发电机的工作原理与电磁感应的一般原理相同，但它们的结构并不像交流发电机那么简单。

对于直流发电机，线圈安装在交流发电机上磁铁所在的轴中，并通过接触旋转轴上的铜条的固定碳“刷”与这个旋转线圈进行电气连接。

所有这些都是将线圈不断变化的输出极性切换到外部电路所必需的，这样外部电路就会看到一个恒定的极性：

直流发电机操作

上图所示的发电机将在轴每转一圈时产生两个电压脉冲，两个脉冲的方向（极性）相同。为了让直流发电机产生恒定 电压，而不是每 1/2 转一次的短暂电压脉冲，而是多组线圈与电刷间断接触。

上面显示的图表比您在现实生活中看到的要简单一些。

与移动线圈接通和断开电接触所涉及的问题应该很明显（火花和热量），尤其是在发电机轴高速旋转的情况下。如果机器周围的环境中含有易燃或易爆的蒸气，产生火花的电刷触点的实际问题就更大了。

交流发电机（交流发电机）不需要电刷和换向器即可工作，因此不受直流发电机遇到的这些问题的影响。

交流电机

在发电机设计方面交流优于直流的优势也体现在电动机上。

虽然直流电机需要使用电刷与移动的线圈进行电接触，但交流电机不需要。事实上，交流和直流电机的设计与它们的发电机非常相似（对于本教程而言相同），交流电机依赖于交流电通过其固定线圈产生的反向磁场来旋转旋转磁铁围绕其轴，直流电机依靠电刷触点进行连接和断开连接，以每 1/2 旋转（180 度）使电流反向通过旋转线圈。

变形金刚

所以我们知道交流发电机和交流电机往往比直流发电机和直流电机简单。这种相对简单转化为更高的可靠性和更低的制造成本。但是交流电还有什么用呢？当然，除了发电机和电动机的设计细节之外，它肯定还有更多内容！确实有。

有一种称为互感的电磁效应 ，由此放置两个或多个线圈，以便一个线圈产生的变化磁场在另一个线圈中感应出电压。如果我们有两个互感线圈并且我们用交流电给一个线圈通电，我们就会在另一个线圈中产生交流电压。当这样使用时，这个设备被称为变压器 ：

变压器“转换”交流电压和电流。

变压器的基本意义在于它能够将电压从通电线圈升压或降压到未通电线圈。未通电（“次级”）线圈中感应的交流电压等于通电（“初级”）线圈两端的交流电压乘以次级线圈匝数与初级线圈匝数之比。

如果次级线圈为负载供电，则通过次级线圈的电流正好相反：初级线圈电流乘以初级与次级匝数之比。这种关系有一个非常接近的机械类比，分别用转矩和速度来表示电压和电流：

倍速齿轮系逐步降低扭矩并加速。降压变压器降压、升流。

如果绕组比相反，初级线圈的匝数少于次级线圈的匝数，变压器会将电压从源级“升高”到负载处的更高水平：

减速齿轮系逐步提高扭矩和降低速度。升压变压器升高电压，降低电流。

变压器能够轻松提升或降低交流电压的能力，使交流在配电领域具有直流无法比拟的优势。

在长距离传输电力时，使用升高的电压和降低的电流（电阻功率损耗较小的直径较小的导线）进行传输的效率要高得多，然后逐步降低电压并升高电流工业、商业或消费者用途。

变压器实现了电能的高效长距离高压传输。

变压器技术使远程配电变得可行。如果不能有效地升高和降低电压，那么构建用于近距离（最多几英里内）以外的任何用途的电力系统的成本会很高。

与变压器一样有用，它们只适用于交流电，而不适用于直流电。因为互感现象依赖于变化 磁场，直流电只能产生稳定的磁场，变压器根本就不能用直流电工作。

当然，直流电可以通过变压器的初级绕组中断（脉冲）以产生变化的磁场（就像在汽车点火系统中通过低压直流电池产生高压火花塞电源所做的那样），但是脉冲直流与交流无异。

也许比任何其他原因更重要的是，这就是交流在电力系统中得到如此广泛应用的原因。

评论：

• DC 代表“直流电”，意思是随着时间的推移分别保持恒定极性或方向的电压或电流。
• AC 代表“交流电”，意思是随着时间的推移分别改变极性或方向的电压或电流。
• 交流机电发电机，称为交流发电机 , 比直流机电发电机的结构更简单。
• 交流和直流电机设计非常严格地遵循各自的发电机设计原则。
• 一个变压器 是一对互感线圈，用于将交流电源从一个线圈传输到另一个线圈。通常，每个线圈的匝数设置为从通电（初级）线圈到未通电（次级）线圈的电压增加或减少。
• 次级电压 =初级电压（次级匝数/初级匝数）
• 次级电流 =初级电流（初级匝数/次级匝数）

相关工作表：

• 基本 AC-DC 电源工作表
• 升压、降压和隔离变压器工作表