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张白帆:交流电和直流电之争,最后为什么是交流电胜出!

电气技术 小编 440次浏览 0个评论 扫描二维码

张白帆:交流电和直流电之争,最后为什么是交流电胜出!

 

从图1中看到,直流电压是稳定的,随着时间的推移,直流电压的大小和方向都未发生改变。

 

另外,从图1中看到交流电压也是稳定的,但交流电压的大小和方向随着时间发生周期性变化。

 

注意:所谓大小,指的是电压的幅值。直流电压的幅值大小始终未发生变化,而在0到T/2半个周期内,交流电压的幅值大小从零变到最大值,然后再从最大值变到零。从T/2到T的后半个周期内,电压的方向改变了,它从零开始变到反方向的最大值,然后再变回到零。

 

为了准确地描述交流电流和交流电压,我们把图1中的直流电路密封在保温箱内,经过了时间t,箱体内的温度升高到θt。然后我们更换交流电路在箱体内,并且使得箱体的初始温度与直流电路试验的初始温度完全一致。经过了时间t,我们发现两者的温度完全一致,都是θt。也即:

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于是我们定义,直流电流I的值为交流电流i的有效值。同理,我们定义直流电压Udc为交流电压Uac的有效值。

 

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最有意思的是整流后的直流电压波形,有人认为它是交流电。其实,这也是直流电,准确名称叫做脉动直流。

 

张白帆:交流电和直流电之争,最后为什么是交流电胜出!

 

所谓直流电,指的就是方向不变的电流或者电压,并且一定要出现在电能供应的环节中。

 

至于脉动直流,还有锯齿波、方波等等,我们把这种脉动的直流叫做电脉冲信号,以区别于直流电。

 

现在,我们可以展开讨论了。

 

第一:直流电相对交流电,它不存在周期性的变化,显得更加稳定。

 

这一点,从图1中就能明确地看到。

 

对于半导体电子电路的供电,几乎没有例外,都采取直流供电。如若采用交流供电,则必须先行整流滤波,变成稳定的直流电压后再给电路供电。

 

下图是一个典型的单片机电路:

 

张白帆:交流电和直流电之争,最后为什么是交流电胜出!

 

图2中,交流电源经过整流滤波得到直流电源,然后再经过三端稳压器(直流稳压电源)变换,得到合适的直流工作电压供电路使用。

 

利用这套方法,不管家用电器也好,工业控制器也好,甚至连我们手上正在使用的手机以及其他的电子设备,它们内部的供电都是直流电。当然,对于移动电子设备,其内部要配套可充电电池,以实现工作的连续性和稳定性。

 

第二,直流磁路与交流磁路相比更加稳定,重要场合的继电保护一般均采用直流供电的继电器。

 

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图3中,当线圈通电后,铁芯与衔铁之间会产生电磁吸力。电磁吸力克服反力弹簧施加的反力,使得衔铁及触点系统一起吸附在铁芯上。当线圈失电后,衔铁和触点系统则在反力弹簧作用下返回初始位置。

 

张白帆:交流电和直流电之争,最后为什么是交流电胜出!

由于直流电流是稳定的,直流磁通也是稳定的,直流磁势当然也是稳定的。因此,我们把直流电磁系统叫做恒磁势系统。

 

张白帆:交流电和直流电之争,最后为什么是交流电胜出!

对于直流电来说,这几个参量都是固定值,因此,直流电的电磁吸力是恒定的。

 

但对于交流电又会如何?

 

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也就是说,交流磁路的电磁吸力是不稳定的,必须在磁极端面上安装分磁环,使得磁通过零时它的吸力不为零。尽管如此,交流磁路中铁芯与衔铁之间还是会出现交流声,并且会发热。

 

张白帆:交流电和直流电之争,最后为什么是交流电胜出!

 

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第三,交流电产生的电弧比直流电产生的电弧更加容易熄灭。

 

张白帆:交流电和直流电之争,最后为什么是交流电胜出!

 

左图是电路图,我们看到左侧的交流电源E。根据基尔霍夫第二定律,我们可以写出它的微分方程表达式:

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在这里,表达式并不重要。重要的是触头开断后的物理过程。我们设开关K在t=0时刻打开,于是在K的触头间出现电弧。

 

右图中的U是电源电压波形,Uh是电弧电压波形。

 

电弧其实就是空气原子被电离,它包括电子和正离子。电子是负离子,质量较轻跑得快,丢失了电子后的原子是正离子,它的质量大跑得慢。

 

当电压处于正半周时,右图中左侧设为阳极,右侧设为阴极。正离子从阳极出发奔向阴极,负离子则从阴极出发奔向阳极。由于正离子的质量远远大于负离子,因而正离子跑得慢,它会在阳极附近产生堆积。

 

当电压过零时,气体的电离过程停止,正负粒子也都停在原位并复合。残留的正离子堆积在原先的阳极附近。

 

当电压进入负半周时,原先的阳极变成阴极,它要发射电子(负离子),然而在阴极附近却存在正离子的阻挡层,负离子的发射在很短的一段时间内受阻,电弧的重新起燃也受阻。

 

这种效应叫做交流电弧的近阴极效应

 

正是有了近阴极效应,所以用于低压交流电的各种开关电器,尤其是低压断路器,都具有一定程度的电弧限流特性。这种特性对于直流电来说,却毫无用处,毕竟直流电不存在过零过程。

 

由此可见,直流电弧的熄灭要比交流电弧的熄灭困难得多。

 

第四,交流电的电压变换通过变压器实现,比直流电更加容易。

 

变压器,人尽皆知。

 

张白帆:交流电和直流电之争,最后为什么是交流电胜出!

 

在交流配电网中,用变压器变换电压非常方便,这是交流电得到广泛应用的最主要原因之一。

 

关于变压器,有一个很重要的值,就是4.44。这个常数的来源几乎成了职场新人入职首日必考的内容。我来简单解释一下:

 

变压器的一次回路感应电动势Em有如下关系:

 

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图5是某医院的配电系统图。我们看到TN-S的配电网中用变压器变换为IT接地系统,为手术室供电。如此一来,手术室中哪怕发生了单相接地故障,也不会因此而停电,系统可以继续运行。

 

这种做法,直流电系统中是无法实现的。

 

第五,交流电驱动的三相鼠笼式电动机结构简单、性能稳定且工作可靠,比直流电动机更容易控制,得到广泛的运用,由此促进了交流电的广泛运用。

 

在我的书《低压成套开关设备的原理及其控制技术》表1-22“电动机机械特性”中有如下内容:

 

张白帆:交流电和直流电之争,最后为什么是交流电胜出!

 

电动机的转矩T与频率f1成反比。由此我们可以用变频器来对电机实现调速,非常方便。

 

早先还没有变频器时,直流电动机的调速性能优于交流电动机,那时不得不在交流配电网中构建直流系统,用以驱动直流电动机。变频器出现后,这种现象几乎绝迹了。

 

看来,在电能的输送、配电和用电中,还是交流电好。

 

第六,交流电驱动的照明灯具,例如日光灯,使用非常普遍,比直流电驱动的照明灯具要方便得多,这也是交流电被广泛使用的原因之一。

 

张白帆:交流电和直流电之争,最后为什么是交流电胜出!

 

图6是日光灯电气原理图。我把日光灯的工作原理简单地描述一下:

 

1)当电源接通后,我们看到灯管内是没有通路的,所以220V电压就会通过A端和B端的灯丝连接到氖泡Ne上。氖泡内的氖气击穿电压大约在150V到200V之间,现在氖泡两极之间加载的电压是220V,所以氖气被击穿进入辉光区域,并且持续发热。发热使得氖泡内的双金属片电极接触到一起,氖泡电压降瞬间变为零,氖泡内的氖气放电停止,温度迅速下降,双金属片电极打开。

 

2)当氖泡内的双金属片电极打开后,线路断开,电流减小到零。镇流器M中的电感产生反向电动势,反向电动势e=-Ldi/dt,因为di/dt的值较大,因而反向电动势大约在1500V到2000V之间。

 

此电压加载在灯管A灯丝与B灯丝之间,使得灯管中的气体被击穿,日光灯管内的气体进入正常的辉光放电状态,其电压迅速下降到110V~150V。此时镇流器起到稳定电流的作用。

 

由于灯管压降小于氖泡气体的击穿电压,因此氖泡不再工作。

 

这是在交流电源下日光灯管的工作过程。

 

如果把电源换成220V直流电,又会怎样呢?

 

在直流电源下,氖泡的工作过程和灯管被击穿的过程与交流电源一致。当系统进入正常运行状态时,由于是直流电压电感起不到镇流作用,灯光电压较高,氖泡将再次击穿。

 

注意到氖泡的放电与灯管的放电是并联关系。因为灯管放电属于长弧放电,它的功耗大于氖泡放电的短弧,所以灯管放电会熄灭。灯管熄灭后,氖泡会再次点燃它,然后灯管再次熄灭,灯管进入到点燃-熄灭-再次点燃-再次熄灭的循环状态。

 

可见,直流电是无法让日光灯正常工作的,日光灯只能用于交流电供电的场所。

 

注意,氖泡的放电影响到灯管的放电,可以类推到本文中第3部分直流电路的灭弧。

 

在直流电路中将两个电弧并联,则较强的电弧将被抑制,甚至熄灭。这种方法是很常见的直流电弧熄灭法。

 

张白帆:交流电和直流电之争,最后为什么是交流电胜出!

 

图中的H1是主弧隙,我们想象它就是断路器的主触头,H2是与H1并联的辅助弧隙。辅助弧隙H2串联了电阻Rh。

 

当主触头和辅助触头分开后,线路中出现了两个弧隙H1和H2。由于辅助弧隙H2影响到主弧隙H1,所以H1中的电弧会加快熄灭。当H1电弧熄灭后,电弧电流转入到H2弧隙中。由于受到H2串联的电阻Rh的影响,H2中的电弧也接着熄灭。这样处理后,可以有效地抑制电感L产生的开断过电压。

 

简单地说了6条,我们可以看出,“到底是交流电好还是直流电好”,这个问题不能简单地下结论,一定要结合实际运用才能得到结果。

 

在电能传输和配电方面,交流电已经处于绝对优势地位。在电子线路的供电方面,直流电处于绝对优势地位。

 

应当看到,在电力输送方面,直流超高压输送电正在发展中,指不定哪一天直流输送电也会成为现实,也是很难说的。

 

END


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