单相电力系统

单相电源系统示意图几乎没有说明实际电源电路的接线。

上图是一个非常简单的交流电路。如果负载电阻的功耗很大，我们可能会称其为“电源电路”或“电源系统”，而不仅仅是将其视为常规电路。

“电源电路”和“常规电路”之间的区别似乎是随意的，但实际问题绝对不是。

实际电路分析

其中一个问题是从交流电源向负载输送电力所需的布线尺寸和成本。通常情况下，如果我们只是为了了解电学定律而分析电路，我们不会过多考虑这种类型的问题。

然而，在现实世界中，这可能是一个主要问题。如果我们给上面电路中的源一个电压值，同时给两个负载电阻的功耗值，我们就可以确定这个特定电路的接线需求：

实际上，120 Vac 下 20 kW 负载的接线相当大（167 A）。

上图中每个负载电阻器的 83.33 安培加起来等于 166.66 安培的总电路电流。这是不小的电流，需要至少 1/0 规格的铜线导体。

这种电线的直径超过 1/4 英寸（6 毫米），每千英尺重超过 300 磅。请记住，铜也不便宜！如果我们要设计一个长导体长度的电力系统，那么找到将此类成本降至最低的方法将符合我们的最大利益。

一种方法是增加电源的电压，并使用内置的负载来在更高的电压下耗散 10 kW。

当然，负载必须具有更大的电阻值才能在比以前更高的电压下消耗与以前相同的功率（每个 10 kW）。

优点是所需的电流更少，允许使用更小、更轻、更便宜的电线：

与 120 Vac (83 A) 相比，240 Vac 下的相同 10 kW 负载需要更少的接线。

现在我们的总数 电路电流为 83.33 安培，是之前的一半。

我们现在可以使用 4 号线，它的重量不到 1/0 线每单位长度的一半。这在不降低性能的情况下显着降低了系统成本。

这就是配电系统设计人员选择使用非常高的电压（数千伏）传输电力的原因：利用更小、更轻、更便宜的电线所实现的节省。

增加源电压的危险

然而，该解决方案并非没有缺点。电源电路的另一个实际问题是高压电击的危险。

同样，这通常不是我们在学习电力定律时关注的那种事情，但在现实世界中这是一个非常有效的问题，尤其是在处理大量电力时。

通过提高电路电压实现的效率增益增加了我们触电的危险。配电公司通过沿高杆或塔架铺设电力线并使用大型瓷绝缘子将线路与支撑结构绝缘来解决这个问题。

在使用点（电力客户），仍然存在使用什么电压为负载供电的问题。

高电压通过降低导体电流来提高系统效率，但在配电系统中将电源线置于使用点无法触及的地方可能并不总是可行的。

这种效率和危险之间的权衡是欧洲电力系统设计人员决定冒险的，他们所有的家庭和电器都在 240 伏的标称电压下运行，而不是北美的 120 伏。

这就是为什么来自美国的游客到欧洲旅游必须为他们的便携式电器携带小型降压变压器，将 240 VAC（伏交流）电源降压到更合适的 120 VAC。

向消费者提供电压的解决方案

用电终端的降压变压器

有什么办法可以同时实现提高效率和降低安全隐患的优势？

一种解决方案是在用电终端安装降压变压器，就像美国游客在欧洲时必须做的那样。

然而，这对于非常小的负载（变压器可以廉价建造）或非常大的负载（粗铜线的费用会超过变压器的费用）之外的任何东西来说都是昂贵且不方便的。

串联两个低压负载

另一种解决方案是使用较高电压的电源为串联的两个较低电压负载供电。这种方法结合了高压系统的效率和低压系统的安全性：

串联 120 Vac 负载，由 240 Vac 电源驱动，总电流为 83.3 A。

请注意所示每个电压的极性标记（+ 和 -），以及电流的单向箭头。

在大多数情况下，我避免在我们一直在分析的交流电路中标记“极性”，即使该符号可以为相位提供参考框架。

在本章的后面几节中，相位关系将变得非常重要，因此我将在本章的前面介绍这个符号，以便您熟悉。

通过每个负载的电流与简单的 120 伏电路中的电流相同，但由于负载是串联而不是并联，因此电流不会相加。

每个负载两端的电压只有120伏，而不是240伏，因此安全系数更好。请注意，我们的电源系统电线上仍有完整的 240 伏电压，但是每个负载 正在以降低的电压运行。

如果有人要受到电击，很可能是因为接触了特定负载的导体，而不是接触了电力系统的主电线。

对两个负载串联设计的修改

这种设计只有一个缺点：一个负载打开失败或被关闭（假设每个负载都有一个串联的开/关开关来中断电流）的后果都不好。

作为串联电路，如果其中一个负载打开，另一个负载中的电流也会停止。为此，我们需要稍微修改一下设计：（下图）

添加中性导体允许单独驱动负载。

分相电力系统

我们没有使用单个 240 伏电源，而是使用两个 120 伏电源（彼此同相！）串联以产生 240 伏，然后将第三根电线连接到负载之间的连接点以处理一个负载的可能性开幕。

这称为分裂阶段 电源系统。三根较小的导线仍然比简单并联设计所需的两根导线便宜，因此我们在效率上仍然领先。

精明的观察者会注意到，零线只需要承载差异 两个负载之间的电流回源。

在上述情况下，当完全“平衡”的负载消耗相同的功率时，零线承载零电流。

注意电源端的零线是如何接地的。这是包含“中性”线的电力系统中的一个常见特征，因为将中性线接地可确保在任何给定时间任何“热”线和接地之间的电压尽可能低。

分相电源系统的一个重要组成部分是双交流电压源。幸运的是，设计和构建一个并不困难。

由于大多数交流系统无论如何都从降压变压器接收电源（将电压从高配电电平降压到用户级电压，如 120 或 240），该变压器可以用中心抽头的次级绕组构建：

美国 120/240 Vac 电源来自中心抽头的公用事业变压器。

如果交流电源直接来自发电机（交流发电机），则线圈可以类似地在中心抽头以获得相同的效果。在变压器或交流发电机绕组中包含中心抽头连接的额外费用是最小的。

这就是 (+) 和 (-) 极性标记真正变得重要的地方。这种表示法通常用于引用 multiple 交流电压源，因此很明显它们是相互帮助（“提升”）还是相互对抗（“降压”）。

如果没有这些极性标记，多个交流电源之间的相位关系可能会非常混乱。请注意，原理图中的分相电源（每个 120 伏 ∠ 0°），带有极性标记 (+) 到 (-) 就像串联辅助电池一样可以交替表示：（下图）

分相 120/240 Vac 电源相当于两个串联辅助 120 Vac 电源。

要数学计算“热”线之间的电压，我们必须减去 电压，因为它们的极性标记表明它们彼此相反：

如果我们用相同的极性标记 (-) 标记两个源的公共连接点（中性线），我们必须将它们的相对相移表示为相距 180°。否则，我们将表示两个彼此直接相反的电压源，这将使两个“热”导体之间的电压为 0 伏。

为什么我要花时间详细说明极性标记和相位角？下一节会更有意义！

美国家庭和轻工业中的电源系统通常是分相的，提供所谓的 120/240 VAC 电源。术语“分相”仅指这种系统中的分压电源。

在更一般的意义上，这种交流电源被称为单相 因为两个电压波形彼此同相或同步。

术语“单相”与我们将要详细研究的另一种称为“多相”的电力系统相对应。对于导致本章标题主题的冗长介绍表示歉意。

如果先了解单相系统，多相电力系统的优势就更明显了。

评论：

• 单相 电力系统的定义是交流电源只有一种电压波形。
• 一个分裂阶段 电力系统是一种具有多个（同相）串联连接的交流电压源，以多于一种电压、多于两根电线向负载供电的系统。它们主要用于实现系统效率（低导体电流）和安全性（低负载电压）之间的平衡。
• 通过对变压器或交流发电机的线圈绕组进行中心抽头，可以轻松创建分相交流电源。

相关工作表：

• 多相电力系统工作表