什么是正弦交流電？為什么普遍采用正弦交流電？

大小和方向隨時間做有規律變化的電壓和電流稱為交流電。正弦交流電是隨時間按照正弦函數規律變化的電壓和電流。交流電的大小和方向都隨時間不斷變化，也就是說，每一瞬間電壓（電動勢）和電流的數值都不相同。

圖2-1　不同交流電的波形

正弦波的解析圖如圖2-2所示。如果圓周上的一點D 由D0開始以恒定角速度旋轉，在任意時刻，如D0、D1、D2……在y軸上的坐標（或在y軸上的分量）可以用正弦函數的公式sinθ來表示，設圓的半徑為r，相位角為θ，當D 繞圓心旋轉一周時，y的值與旋轉角度的關系就是一個正弦曲線。

在現代工農業生產和日常生活中，從發電站送來的電能都是交流電，而各種電池提供的能源則都是直流電。交流電在生產和使用中具有明顯的優勢和重大的經濟意義。例如，在遠距離傳輸時，將交流電的電壓升高，采用高壓輸電線可減少線路上的電能損耗；當電能輸送到用戶，又可進行降壓處理，以便安全使用。這種升壓和降壓，在交流供電系統中可以很方便地由變壓器來實現。很多用電設備（例如交流異步電動機和照明設備）直接由交流電源驅動。交流電也可以借助于變壓器和整流設備轉化成為直流電。

從圖2-2可見，正弦交流電的變化非常平滑且不易產生高次諧波，不僅安全性好，而且有利于減少電氣設備運行中的能量損耗。非正弦波交流電都是由不同頻率的正弦信號疊加而成的，例如方波脈沖電流可以分解成無限個不同頻率的正弦波。

圖2-2　正弦波的分解圖

在日常的生產和生活中，電動機應用的場合很多，很多設備都是采用電動機作為動力源。給電動機加上交流電源，電動機就會運轉。常見的交流異步電動機是由定子繞組和轉子構成的，交流電源加到定子繞組上就會產生旋轉磁場，旋轉磁場便會帶動轉子旋轉。而發電機則相反，旋轉轉子就會在定子繞組中感應出交變的電壓（即電動勢）。

交流發電機的基本結構和原理如圖2-3所示。轉子是由永磁體構成的，當水輪機或汽輪機帶動發電機轉子旋轉時，轉子磁極旋轉，會對定子繞組輻射磁場，磁力線切割定子繞組，定子繞組中便會產生感應電動勢，轉子磁極轉動一周就會使定子繞組產生相應的電動勢（電壓）。

圖2-3　交流發電機的結構和原理

由于感應電動勢的強弱與感應磁場的強度成正比，感應電動勢的極性也與感應磁場的極性相對應。定子繞組所受到的感應磁場是正反向交替周期性變化的。轉子磁極勻速轉動時，感應磁場是按正弦規律變化的，發電機輸出的電動勢則為正弦波形。

發電機是根據電磁感應原理產生電動勢的，當繞組受到變化磁場的作用時，即繞組切割磁力線便會產生感應磁場，感應磁場的方向與作用磁場方向相反。發電機的轉子可以被看作是一個永磁體，如圖2-4（a）所示，當N 極旋轉并接近定子繞組時，會使定子繞組產生感應磁場，方向為N →S，繞組產生的感應電動勢為一個逐漸增強的曲線，當轉子磁極轉過繞組繼續旋轉時，感應磁場則逐漸減小。

圖2-4　發電機感應電動勢產生的過程

當轉子磁極繼續旋轉時，轉子磁極S 開始接近定子繞組，磁場的磁極發生了變化，如圖2-4（b）所示，定子繞組所產生的感應電動勢極性也翻轉180° ，感應電動勢輸出為反向變化的曲線。轉子旋轉一周，感應電動勢會重復變化一次。由于轉子旋轉的速度是均勻恒定的，因此輸出電動勢的波形為正弦波。

在發電機中如定子繞組是一組，它所產生的感應電動勢（電壓）也為一組，如圖2-5所示，由兩條線傳輸，這種電源就是單相電源。這種方式多在小型移動發電機中采用。

圖2-5　單相交流電的產生

在發電機內設有兩組定子繞組互相垂直地分布在轉子外圍，如圖2-6所示。轉子旋轉時兩組定子繞組產生兩組感應電動勢，這兩組電動勢之間有90° 的相位差。這種電源為兩相電源。這種方式多在自動化設備中使用。

圖2-6　兩相交流電的產生

單相正弦交流電路（即交流220V 市電）普遍用于人們的日常生活和生產中，如照明和家庭用電。

通常，家庭中所使用的單相正弦交流電路往往是三相電源分配過來的。如圖2-7所示，供配電系統送來的電源多為交流380V 電源。這種電源是由3根相位差為120° 的相線（又稱火線）和一根零線（又稱中性線）構成的。3根相線之間的電壓為380V，而每根相線與零線之間的電壓為220V。這樣，三相交流380V 電源就可以分成3組單相220V 電源使用。

從結構上看，單相正弦交流電路是由一根相線和一根零線組成的，主要可分為單相兩線式和單相三線式兩種供電方式。

圖2-7　三相交流380V 變為單相交流220V

圖2-8所示為單相兩線式照明配電線路圖，從三相三線高壓輸電線上取其中的兩線送入柱上高壓變壓器輸入端。例如，高壓6600V 電壓經過柱上變壓器變壓后，其次級向家庭照明線路提供220V 電壓。變壓器初級與次級之間隔離，輸出端相線（L）與零線（N）之間的電壓為220V。

圖2-8　單相兩線式照明配電線路實例

圖2-9所示為單相三線式配電線路圖。單相三線式配電中的一條線路作為地線應與大地相接。此時，地線與相線之間的電壓為220V，零線與相線之間的電壓為220V。由于不同接地點存在一定的電位差，因而零線與地線之間可能有一定的電壓。