[Word]正弦交流电的产生及应用
正弦交流电的产生及应用
:一、电磁感应现象
闭合电路的一部分导体在磁场中做切割磁感线的运动
时，导体中就会产生电流，这种现象叫电磁感应现象。本质
是闭合电路中磁通量的变化。由电磁感应现象产生的电流叫
做感应电流。
利用电磁感应现象可以制成发电机，实现机械能转化
为电能。交流发电机就是利用了电磁感应的原理，产生交 流电。感应电流产生的条件有(1)闭合回路，(2)穿过
图3.36 电磁感应现象 闭合电路的磁通量发生变化。
二、交流发电机
正弦交流电是由交流发电机产生的。图3.42a)是简单的交流发电机示意图。发电机由定子和转子组成，不动的部分叫定子，转动的部分叫转子。定子是用来产生磁场的磁极，也称作励磁，如图3.42b)所示。转子是由一个硅钢片叠成的可以转动的圆柱形铁芯，铁芯上绕有线圈，线圈两端分别接到两个互相绝缘的铜制滑环上，通过电刷与外电路接通。转子铁芯上用来产生感应电动势的线圈，也称作电枢，如图3.42 c)。转子由外力驱动旋转，线圈切割磁感应线产生感应电动势，通过滑环和电刷与外电路接通，构成回路，产生感应电流，并且感应电流的变化呈正弦规律。
a)整机外形图 b)原理示意图
c)励磁示意图 d)电枢示意图 图3.37交流发电机示意图 三、正弦交流电动势的产生
在电枢线圈转动过程中，规定一个中性面，中性面在垂直于磁场位置，线圈通过中性面时，穿过线圈的磁通量最大，感应电动势最小为零，磁通量变化率最小，感应电流为零。
图3.43给出了实验测试中在转子线圈转动一周后，交变电流的变化规律。图3.43为一个周期的交流感应电动势的波形图。
A B
D C
图3.38 转子线圈旋转一周交变电流变化规律
e B
+
0 C _ A D t
图3.39交流电动势波形图
当电枢在磁场中从中性面开始以匀角速度逆时针转动时， 线圈中感应电动势和感应,
电流的变化规律如下。
(1)线圈平面垂直于磁感线(A图)，线圈又处于中性面位置，线圈中没有感应电动势，没有感应电流。对应波形图中的A点。
(2)当线圈平面逆时针转过90?时(B图)，即线圈平面与磁感线平行时，线圈两边的线速度方向都跟磁感线垂直，即两边都垂直切割磁感线，这时感应电动势最大，线圈中的感应电流也最大。电动势瞬时值为波形图的B点。
(3)再转过90?时(C图)，线圈又处于中性面位置，线圈中没有感应电动势。波形图中为C点。
(4)当线圈再转过90?时，处于图(D)位置，两边线圈的瞬时速度方向，跟线圈经过图(B)位置时的速度方向相反，产生的感应电动势方向也跟在(图B)位置相反。波形图中D点。
(5)再转过90?线圈处于起始位置，与(A)图位置相同，线圈中没有感应电动势。
中性面开始计时，线圈中产生的感应电动势的大小为。e,2BLvsin,t,Esin,tmm由此可知，线圈中的感应电动势是按正弦规律变化的。如图3.44所示。
因为线圈经电刷与外电路的负载接通，形成闭合回路，所以外电路中也就产生了相应的正弦电压和正弦电流，表示为:，。 u,Usin,ti,Isin,tmm
四、三相交流电的产生
各种电站、发电厂，其能量的转换由三相发电机来完成。如:三峡电站，三相水轮发电机将水能转换为电能;火电站，三相气轮发电机将燃烧煤炭产生的热能转换为电能。三相交流电是如何产生,有何特点,
三相交流电一般是由三相交流发电机产生的，图3.45为三相交流发电机的示意图。
U1 (首端) (首端) W1 U1 V1 定子 • S V2 W2 + + + • • +
转子 - – – – N u u Vu UW V1 W1
图3.41 三相绕组示意图 图3.4 0 三相交流发电机示意图 U2 (尾端) (尾端) U2 V2 W2
三相交流发电机主要由定子和转子组成。转子是电磁铁，其磁极表面的磁场按正弦规律分布。定子铁心中嵌放三个相同的对称线圈。这里的相同的对称线圈是指三个在尺寸、匝数和绕法上完全相同的线圈绕组，三相绕组始端分别用U1，V1，W1表示，末端用U2，V2，W2表示，分别称为U相，V相，W相，颜色一般用黄色，绿色，红色表示。三个绕组在空间彼此相隔120?电角度。
当转子在原动机带动下以角速度作顺时针匀速转动时，在定子三相绕组中就能感应,
出三相正弦交流电动势，其交流电动势和交流电压的解析式为
,e,EsintUm
, e,Esin(t,120:)Vm
e,Esin(,t，120:)Wm
,u,UsintUm
, u,Usin(t,120:)Vm
u,Usin(,t，120:)Wm
e
ee e VWU
ωt O22,, 33 图3.42 三相对称电动势的波形图
三相绕组示意图
对称三相正弦交流电动势的波形图如图3.47所示。特点是:三个电动势大小相等、频率相同、相位彼此相差120?。规定每相电动势的正方向是从线圈的末端指向始端，即电流从始端流出时为正，反之为负(图3.46)。
五、正弦交流电的应用
正弦交流电在工业中得到广泛的应用，它在生产、输送和应用上比起直流电来有不少优点，而且正弦交流电变化平滑且不易产生高次谐波，这有利于保护电器设备的绝缘性能和减少电器设备运行中的能量损耗。另外各种非正弦交流电都可由不同频率的正弦交流电叠加而成(用傅里叶分析法)，因此可用正弦交流电的分析
方法
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来分析非正弦交流电。
正弦交流电在生活中有着广泛的应用，最基础的是照明，各类小电器，汽车的蓄电池也是由它转换。
但是，在各种广泛的用途中，我们并不能直接去应用交流电，这就需要稳压和滤波，比如各类小家电的供电，如果直接引入交流电，脉动电流将会瞬间烧毁电器，这就需要我
们知道电器需要的电压值和电流值，通过变压来适合电器工作，值得一提的是，多年的工作经验告诉我，稳压和滤波在电器的整体性能里面占非常重要的一面，很多的电器是因为滤波不良而导致电压不稳，烧毁用电器。
但是，汽车的蓄电池充电却对稳压和滤波要求相对宽松一些，这是因为普通的蓄电池本身就看做是一个电容，如果你用滤波后很平稳的涓涓细流来充盈它，那样将会是费时费力还做不出效果，蓄电池所需要就是脉动很大的电流，当然，这个环境就不是很严格的了。
其实我们一直生活在交流电当中，比如手机寻呼机信号，各种电子的无线传输的辐射，人体功能，谐振原理。
几乎宇宙中所有的生命体，未知生命，包括在人类看来没有生命特征的物体，差不多都存在交流电，只不过是细微之分，人类应该在这个专业进行更深入的研究。
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