各种电源之分析与比较

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1电力系统、电气设备中为什么广泛采用交流电而不采用直流电，交流电与直流电相比，有哪些优缺点？
2交流电种类很多，如正弦波、方波、梯形波、三角波和锯齿波等。以上各类交流电中，发电机为什么采用正弦交流电而不采用其他形式交流电，正弦交流电与其他形式交流电又有哪些优缺点？
3三相正弦交流电与单相正弦交流电相比，优点何在？
4三相正弦交流电与多相正弦交流电相比，分别用于哪些场合？
5工频（50赫兹）和中、高频电源，分别用于哪些场合？
暂时想到的问题就这么多，大家还可以补充！

回答时请注明所答问题的序号，提出新问题时请说明。对于积极参与讨论者加分表彰，恶意灌水者严惩！

wander168

回答1：
交流电的优点主要表现在发电和配电方面：利用建立在电磁感应原理基础上的交流发电机可以很经济方便地把机械能、化学能等其他形式的能转化为电能；交流电源和交流变电站与同功率的直流电源和直流换流站相比，造价大为低廉；交流电可以方便地通过变压器升压和降压，这给配送电能带来极大的方便．这是交流电与直流电相比所具有的独特优势．
直流电的优点主要在输电方面：
①输送相同功率时，直流输电所用线材仅为交流输电的2／3～l／2
直流输电采用两线制，以大地或海水作回线，与采用三线制三相交流输电相比，在输电线载面积相同和电流密度相同的条件下，即使不考虑趋肤效应，也可以输送相同的电功率，而输电线和绝缘材料可节约1／3．
如果考虑到趋肤效应和各种损耗（绝缘材料的介质损耗、磁感应的涡流损耗、架空线的电晕损耗等），输送同样功率交流电所用导线截面积大于或等于直流输电所用导线的截面积的1.33倍．因此，直流输电所用的线材几乎只有交流输电的一半．同时，直流输电杆塔结构也比同容量的三相交流输电简单，线路走廊占地面积也少．
②在电缆输电线路中，直流输电没有电容电流产生，而交流输电线路存在电容电流，引起损耗．
在一些特殊场合，必须用电缆输电．例如高压输电线经过大城市时，采用地下电缆；输电线经过海峡时，要用海底电缆．由于电缆芯线与大地之间构成同轴电容器，在交流高压输线路中，空载电容电流极为可观．一条200kV的电缆，每千米的电容约为0.2μF，每千米需供给充电功率约3×103kw，在每千米输电线路上，每年就要耗电2.6×107kw·h．而在直流输电中，由于电压波动很小，基本上没有电容电流加在电缆上．
③直流输电时，其两侧交流系统不需同步运行，而交流输电必须同步运行．交流远距离输电时，电流的相位在交流输电系统的两端会产生显著的相位差；并网的各系统交流电的频率虽然规定统一为50HZ，但实际上常产生波动．这两种因素引起交流系统不能同步运行，需要用复杂庞大的补偿系统和综合性很强的技术加以调整，否则就可能在设备中形成强大的循环电流损坏设备，或造成不同步运行的停电事故．在技术不发达的国家里，交流输电距离一般不超过300km而直流输电线路互连时，它两端的交流电网可以用各自的频率和相位运行，不需进行同步调整．
④直流输电发生故障的损失比交流输电小．两个交流系统若用交流线路互连，则当一侧系统发生短路时，另一侧要向故障一侧输送短路电流．因此使两侧系统原有开关切断短路电流的能力受到威胁，需要更换开关．而直流输电中，由于采用可控硅装置，电路功率能迅速、方便地进行调节，直流输电线路上基本上不向发生短路的交流系统输送短路电流，故障侧交流系统的短路电流与没有互连时一样．因此不必更换两侧原有开关及载流设备．
在直流输电线路中，各级是独立调节和工作的，彼此没有影响．所以，当一极发生故障时，只需停运故障极，另一极仍可输送不少于一半功率的电能．但在交流输电线路中，任一相发生永久性故障，必须全线停电。
高压直流输电方式与高压交流输电方式相比，有明显的优越性．历史上仅仅由于技术的原因，才使得交流输电代替了直流输电．现在随着电力电子技术的发展，直流电开始重新走上了舞台，灵宝也有一段直流输电线路、葛洲坝-南桥直流输电、 舟山直流输电、等等。三峡直流输电工程的建设已经使我国成为了世界第一的直流输电国家。

[ 本帖最后由 wander168 于 2008-11-15 17:14 编辑 ]

wander168

回答3
首先，三相交流电在交流电机定子绕组中可以产生旋转磁场，而且这个磁场是稳定的具有固定旋转方向的旋转磁场，而正交排列的两相系统也能构成旋转磁场，但是不具有固定的旋转方向，这会造成电机极距下线圈无法均布，从而不但降低了电机容量，还会产生主磁场的严重崎变。
此外，三相供电系统具有很多优点。在发电方面，相同尺寸的三相发电机比单相发电机的功率大，在三相负载相同的情况下，发电机转矩恒定，有利于发电机的工作；在传输方面，三相系统比单相系统节省传输线，三相变压器比单相变压器经济；在用电方面，三相电容易产生旋转磁场使三相电动机平稳转动。

[ 本帖最后由 wander168 于 2008-11-15 17:27 编辑 ]

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我不同意楼上的意见
三相交流电的旋转方向不是固定的，它是由定子电流的相序决定的，具体而言，就是由超前相序转向滞后相序。

baizengcheng

问题3。首先感谢楼上的牛人精彩解答，我受益良多。我所理解到的是：众所周知，电机中能量转换的媒介是旋转磁场，而旋转磁场中以圆形旋转磁场更为人们喜爱，这是由圆形旋转磁场的优点（圆形旋转磁场与椭圆形旋转磁场的不同请知道的解释一下:lol ）决定的。而能够产生圆形旋转磁场最简单的绕组就是三相交流绕组通以三相对称电流，我认为这是大家大都选用三相绕组的根本原因。
问题2。至于选择正弦的原因，可以解释为，在电机中许多物理量之间都存在微积分关系，而在自然界中正弦函数是少数的微积分后仍然保持函数曲线形式不变德函数（还有就的算是e的x次幂函数了），因此为电机广为选用。

[ 本帖最后由 forlink 于 2008-11-15 22:26 编辑 ]

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问题3三相交流电较单相交流电有很多优点，它在发电、输配电以及电能转换成机械能等方面都有明显的优越性。例如：制造三相发电机、变压器都较制造容量相同的单相发电机、变压器节省材料，而且构造简单，性能优良，又如，由同样材料所制造的三相电机，其容量比单相电机大50%，在输送同样功率的情况下，三相输电线较单相输电线可节省有色金属25%，而且电能损耗较单相输电时少。由于三相交流电有上述优点所以获得了广泛的应用。

[ 本帖最后由 forlink 于 2008-11-15 22:25 编辑 ]

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如上所述，三相交流电机具有节约能源和材料的优点，故通常所用的交流电都是由三相交流发电机产生的。一些家用电器设备中所用的单相交流电，实际上是由三相交流电的一相提供的，由单相发电机发出的单相交流电源现在已经很少采用。

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原帖由 baizengcheng 于 2008-11-15 21:48 发表

                               
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问题3。首先感谢楼上的牛人精彩解答，我受益良多。我所理解到的是：众所周知，电机中能量转换的媒介是旋转磁场，而旋转磁场中以圆形旋转磁场更为人们喜爱，这是由圆形旋转磁场的优点（圆形旋转磁场与椭圆形旋转磁场的 ...

谈一下圆形旋转磁场和椭圆形旋转磁场的区别
众所周知，只有单相绕组通入单相正弦交流电流时才产生脉动磁动势，除此之外，凡多相（m>=2）绕组通多相（m>=2）正弦交流电流时就产生旋转磁动势，若满足两个对称条件（对称绕组对称电流），为圆形旋转磁动势，否则为椭圆形旋转磁动势。

椭圆形旋转磁势与圆形旋转磁势最大的区别就是圆形旋转磁势是幅值不变的，而椭圆形是变化的，所以椭圆形可以分解成为两个旋转方向相反的圆形旋转磁场。

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白版主说的正弦型函数微积分不变是它的一个优点，正弦型另一个优点就是它是一个基函数序列，其他任何函数都可以分解为不同频率正弦型的组合，这也就是谐波的由来。

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其实三相对称绕组通对称电流，不仅会产生基波圆形旋转磁势，还会产生5次、7次谐波旋转磁势。所以白版主所说产生圆形旋转磁势是它根本的优点不成立。而且现在很多学者在研究六相或十二相发电机，主要在绕组上进行改进。

[ 本帖最后由 forlink 于 2008-11-18 19:50 编辑 ]

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补充回答1：交流电可以通过变压器变换电压，在远距离输电时，通过升高电压可以减少线路损耗。而当使用时又可以通过降压变压器把高压变为低压，这既有利安全，又能降低对设备的绝缘要求。此外，交流电动机与直流电动机比较，则具有构造简单，造价低廉，维护简便等优点。在有些地方需要使用直流电，交流电又可通过整流设备将交流电变换为直流电，所以交流电目前获得了广泛地应用。

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在一本电工书上看到的，大家发表一下意见：
对通用电机、电器设备来说，工作电流或电压为正弦波时，它们的工作性能较好。正弦交变量的计算与测量比较简便，所以工业上所采用的交流电都是正弦交流电。

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其实有文献指出，对整流负载而言，方波交流比正弦交流要好。
原因主要是纹波小，效率高。

CEMFBJS

想点写点:
1.从发电角度,实际直流发电机绕组中也是交流的,是通过换向解决的,增加了五一节,增加了不可靠的因素
2.从用电机角度,直流电机也要增加换向环节
3.当然直流电机也有交流电机无法比的一些优点
4.三相对称绕组相对单相电机绕组磁场结构更合理,有利于充分发挥电能及设备功效

baizengcheng

从理论上说三相绕组可以产生纯圆形旋转磁场，只得是绕组连续分布，无齿槽等理想状况。谐波是实际生产中遇到的问题，因此电机学中对谐波提得很少。像两相绕组或者单项绕组根本就不能产生圆形旋转磁场，这是三项绕组的优势。

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原帖由 baizengcheng 于 2008-11-16 16:57 发表

                               
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从理论上说三相绕组可以产生纯圆形旋转磁场，只得是绕组连续分布，无齿槽等理想状况。谐波是实际生产中遇到的问题，因此电机学中对谐波提得很少。像两相绕组或者单项绕组根本就不能产生圆形旋转磁场，这是三项绕组的 ...

两相绕组可以产生圆形旋转磁场，这是电机矢量控制的理论基础。

[ 本帖最后由 forlink 于 2008-11-16 17:11 编辑 ]

hitsammi

两相绕组空间相差90度电角度，所通交流电相位也差90度电角度时，也可形成圆形旋转磁场，例如某些交流伺服电机

wander168

回11楼
补充回答1：交流电可以通过变压器变换电压，在远距离输电时，通过升高电压可以减少线路损耗。而当使用时又可以通过降压变压器把高压变为低压，这既有利安全，又能降低对设备的绝缘要求
其实对于直流来说也可以方便的通过斩波器（我们通常说的直流变压器）升压降压的。

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原帖由 wander168 于 2008-11-17 08:48 发表

                               
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回11楼
补充回答1：交流电可以通过变压器变换电压，在远距离输电时，通过升高电压可以减少线路损耗。而当使用时又可以通过降压变压器把高压变为低压，这既有利安全，又能降低对设备的绝缘要求
其实对于直流来说也 ...

回18楼
变压器容量可以做到很大，而斩波器容量很小，所以还是交流变换占优势。

yangguofang

原帖由 forlink 于 2008-11-15 15:56 发表

                               
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1电力系统、电气设备中为什么广泛采用交流电而不采用直流电，交流电与直流电相比，有哪些优缺点？
2交流电种类很多，如正弦波、方波、梯形波、三角波和锯齿波等。以上各类交流电中，发电机为什么采用正弦交流电而不 ...

我是这专业毕业的，虽然了解没有深入研究。但是有一点了解。。。
  我看这几个问题，其最根本的应该是发电站为什么选择交流电（这得从发电机原理说起，发电机运用电磁感应原理，闭合导体在磁场中作切割磁场运动产生电流，由于电机内部磁场为旋转磁场，产生电流即为交流电。交流电机与直流电机很主要的区别是没有电刷（即换向片（用来将交流电转换为直流电的机构）））。加了换向装置后电机结构变的复杂，而且换向结构容易老化，损坏不方便维修等等等缺点，于是发电厂一般不选择。这样就有了前提“交流电”。其实方波与正玄波比更有优势，最明显一点便是LZ所说的效率。但是由于受到其它方面的限制，没有被采用（具体我也不知，请知道的解释）。
三相电与单相电的区别上面解释的很清楚。