基础电力生产和分配

这是一份关于家庭中电力日常使用的文档。许多电路都是由电气、机械和电子元件混合而成的，它们以不同的方式相互作用，产生奇特而有用的效果。主题包括商业生成的交流电以及为替代电源用途（例如离网房屋、小屋或休闲车）由逆变器生成的交流电。电力已经成为生活中不可或缺的一部分，很难想象没有它会怎样。

配电和家庭电源

交流电用于电力分配，因为它可以轻松地转换为更高或更低的电压。电能损耗取决于电流流动。通过使用变压器，可以提高电压，以便以较低的电流在较长的距离上分配相同的功率，从而降低由于导体的电阻造成的损耗。电压也可以再次降低，使其适合家用电源。

三相电力生产和传输很常见，并且是导体的有效利用，因为每个导体的额定电流可以在将电力从发电通过传输和分配到最终使用过程中得到充分利用。三相电力仅在工业场所供应，许多工业电动机都是为此而设计的。产生三个电压波形，它们彼此之间相位相差120度。在电路的负载端，三相电路的回路线可以在“中性点”处耦合在一起，如果供给平衡负载，则三个电流的总和为零。这意味着所有电流都可以仅使用三根电缆传输，而不是否则需要的六根电缆。三相电力是一种多相系统。

在大多数情况下，只需使用单相来供应路灯或住宅用户。在分配三相电力时，在街道分配中会布设第四根或中性线，为每个房屋提供一个完整的电路。街道上不同的房屋放置在电源的不同相位上，以便在连接用户时，负载是平衡的或均匀分布在三个相位上。因此，到每个房屋的供电电缆可以由一根带电线和一根中性线组成，可能还有一根接地的铠装护套。在北美，最常用的技术是使用变压器将一个配电相位转换为中心抽头的“分相”240 V绕组；与用户的连接通常是两根彼此反相的 120 伏电源线，以及一根接地的“中性”线，它也充当物理支撑线。在印度，最近有一种趋势是在住宅前提供高压线路，然后在现场将其降压至家用电源，以防止能源被盗。虽然此方法具有一定的优势，但显然存在与之相关的潜在危险。

如上所述，使用“分相”电源，即两根彼此反相的 120 伏电源线，允许大功率电器在 240 V 上运行，从而减少每个相位所需的电流，同时允许住宅的其余部分布线用于更安全的 120 V。例如，一台烘干机可能需要 3600 W 的功率，这转换为 120 V 下 30 A 的电路额定值。如果烘干机可以在 240 V 下运行，则所需的负载仅为 15 A。当然，您需要两个 15 A 的断路器，一个用于电路的每一侧，并且您需要在分配布线中提供两根“热线”，一根中性线和一根接地线，但这可以通过较低电流的电线的较低成本来抵消。房屋通常布线，以便两个相位负载大致相等；将大功率电器（如烘干机、厨房灶台和内置空间加热器）连接到两个相位之间有助于确保负载将在两个相位之间保持平衡。

出于安全原因，第三根线通常连接在房屋中各个电器与主电源开关板或保险丝盒之间。在英国和其他大多数英语国家，第三根线被称为地线，而在北美，它被称为接地线。在主开关板处，地线连接到中性线，并连接到地桩或其他方便的接地点（对于美国人来说，是接地点），例如水管。发生故障时，地线可以承载足够的电流以熔断保险丝，并使故障电路隔离。接地连接还意味着周围建筑物与中性点的电压相同。最常见的电击形式是当人意外地在带电导体和地之间形成电路时发生的。剩余电流断路器（也称为接地故障断路器、GFI 或接地故障电路断路器、GFCI）旨在检测此类问题并在电击导致死亡之前断开电路。由于中性系统的大部分连接到接地，因此称为接地电流的平衡电流可能会在配电变压器和用户以及系统的其他接地部分之间流动，这有助于使中性电压保持在安全水平。这种出于安全原因将中性点接地以平衡电流流动的系统被称为多点接地中性系统。

过流保护

在家庭中，使用断路器或保险丝在电流过大时快速切断电源，例如，在正常的 115/120 伏电路中，电流限制为 15 安培。

在配电系统中，出于相同目的使用自动保护。可能有两个阶段

• 如果导致过流情况的问题在附近，则快速断开连接，并且
• 如果过流发生在本地区域之外，则进行延时备份操作。

不幸的是，在某些情况下，这种“保护”会产生级联效应，因为断开一个电路会导致相邻电路过载，这些电路可能会在稍后断开。“停电”可能是由于进一步的故障而导致的。

还存在电源因此与负载断开连接的问题，这会导致发电中断，并改变系统许多部分或整个系统的功率需求量与可用功率量之间的平衡。

恢复发电和重新建立平衡所需的时间取决于可用发电类型（热能、水力发电、核能或其他） - 停电后，可能需要数小时才能恢复系统。

单相电力

交流电的产生通常是三相的，其中三条供电导体的波形彼此相位差120°。发电机的设计在磁场中放置了三组相隔120度的线圈。这产生了三个独立的电力正弦波，它们在时间上相差120度的旋转（圆周的1/3）。标准旋转频率要么是欧洲的50赫兹（每秒周期），要么是北美的60赫兹。三条导体中任意两条之间的电压，或者单条导体与接地（在接地系统中）之间的电压，被称为“单相”电力。单相电力是大多数配电网中住宅和轻型商业消费者常用的电力。在北美，供应的单相是在公用电杆（用于空中下降）或变压器垫（用于地下）配电处的变压器线圈上产生的。这个单线圈是中心抽头的，抽头是接地的。这形成了一个120/240伏的系统，输送到客户。线圈两侧到中心抽头（接地）之间的电压为120伏，而线圈两端两根导体之间的电压则产生全电压240伏。

逆变器和电池供电的交流电

逆变器是一种将直流电转换为交流电的电路。逆变器可以有一个或两个开关模式电源 (SMPS)。

早期的逆变器由一个振荡器驱动一个晶体管作为开关，用来中断输入的直流电来产生方波。然后将其通过变压器，将方波平滑为正弦波，并产生所需的输出电压。

更高效的逆变器采用各种方法在变压器输入端产生近似的正弦波，而不是依赖变压器来平滑它。电容器可以用来平滑电流流入和流出变压器。也可以通过在两个电压下使用分轨直流输入（正负输入，中央接地）来产生更正弦的波形。通过将变压器输入端按定时序连接在正轨和地之间，正轨和负轨之间，地轨和负轨之间，然后两者都连接到地轨之间，在变压器输入端产生“阶跃正弦波”，而直流电源上的电流消耗变化较小。

修正正弦波逆变器将（通常为12伏直流）电池电压转换为高频（20kHz）交流电，以便可以使用更小的变压器将其升压至更高的电压（例如160伏）交流电。这个输出被转换为相同电压的直流电，然后再次转换为准正弦波输出（大约120伏RMS）。修正正弦波逆变器的一个缺点是输出电压取决于电池电压。

从逆变器中获得良好的正弦波非常困难。大多数逆变器的标称精度（谐波失真）小于60%，并且会对连接到逆变器输出端的设备产生影响。这可能意味着一些设备运行噪声大，或电动机损坏，因为它们的运行效率降低，可能会过热。高端逆变器（> 2,000 美元）产生的波形更接近公用电网产生的正弦波。

电池

大多数家用系统使用传统的铅酸电池进行储存。它们价格便宜，并且是深循环电池，即，它们可以完全放电并多次充电。您不能在逆变器中使用汽车电池，因为它们只用于提供大的启动电流，并不意味着要完全放电。铅酸电池的缺点是它们必须每隔几个月补充一次蒸馏水，如果电池干涸，就无法修复。然而，它们可以提供许多负载（例如感应电机）可能连接到系统所需的大的浪涌电流。

开关模式电源

开关模式电源，或 SMPS 或开关稳压器，是一种电子电源电路，它试图从变化的输入电压中产生平滑的、恒压的输出电压。

开关模式电源可以设计成从交流电或直流电转换，或两者兼而有之。它们通常输出直流电，尽管逆变器在技术上是一种开关模式电源。

开关模式电源通过使用逆变器将输入直流电源转换为交流电，通常在 20kHz 左右。如果输入是交流电，但频率较低（如 50Hz 或 60Hz 线路电源），则仍然使用逆变器将频率提高。

这种高频率意味着逆变器的输出变压器比在 50Hz 或 60Hz 下运行时效率更高，因为变压器铁芯存在滞后，并且变压器不需要那么大或重。然后将这种高频输出通过整流器，产生输出直流电。

调节是通过反馈实现的。将输出电压与参考电压进行比较，并将结果用于改变逆变器振荡器的开关频率或占空比，从而影响其输出电压。

个人电脑等家用产品的开关模式电源通常具有通用输入，这意味着它们可以接受来自世界各地大多数主电源的电源，频率从 50Hz 到 60Hz，电压从 100V 到 240V。

与大多数其他设备不同，开关模式电源往往是恒功率设备，在线路电压降低时会吸取更多电流。这可能会在某些情况下导致稳定性问题，例如应急发电机系统。

此外，最大电流消耗发生在波形周期的峰值处。这意味着基本的开关模式电源往往会产生更多谐波，并且功率因数比其他类型的设备差。然而，更高质量的具有功率因数校正 (PFC) 的开关模式电源是可用的，它们被设计成对主电源呈现接近于电阻的负载。

开关模式电源的功率因数这个术语具有误导性，因为它与电压超前或滞后没有太大关系，而是与它加载电路的方式有关（即，仅在周期的某些点加载）。

开关模式电源有多种类型，根据电路拓扑进行分类。

1. 降压稳压器（单电感；输出电压 < 输入电压）
2. 升压稳压器（单电感；输出电压 > 输入电压）
3. 降压升压稳压器（单电感；输出电压可以大于或小于输入电压）
4. 反激稳压器（使用输出变压器；允许多个输出和输入到输出隔离）
5. 正激稳压器（使用输出变压器；允许多个输出和输入到输出隔离）
6. Cuk 转换器（使用电容器进行能量存储；对正输入产生负电压）

主要设备类别

单相交流电机

最常见的单相电机是阴影极同步电机，最常用于需要较低扭矩的设备，例如电风扇、微波炉和其他小型家用电器。

另一种常见的单相交流电机是感应电机，通常用于主要电器，例如洗衣机和烘干机。这些电机通常通过使用特殊的启动绕组以及启动电容器和离心开关来提供更大的启动扭矩。启动时，电容器和特殊绕组暂时连接到电源，提供启动扭矩。电机达到速度后，离心开关断开电容器和启动绕组。

阴影极同步电机

阴影极同步电机是一种交流电机，它使用单相电力将电力转换为机械能。它们的工作原理是使用鼠笼式转子和一个分裂的定子，定子上放置了铜短路环，以便遮蔽定子磁场的一部分，从而提供足够的启动扭矩。

感应电机的极数是它与非正弦波输入相互作用的重要因素。作为经验法则，极数较多的电机对谐波失真更敏感。

白炽灯

早期的照明应用使用灯泡，这些灯泡使用加热的灯丝来提供光。灯丝由钨制成，并置于接近真空的玻璃外壳内。虽然它很便宜，但它产生了大量的热量，因此效率也很低。请注意，白炽灯泡是纯粹的电阻负载（功率因数为 1）。

涌入电流

白炽灯泡的设计目的是在高温下工作。在正常工作温度下，钨丝的电阻几乎是其室温电阻的 20 倍。因此，当灯泡打开时，它会消耗接近正常电流 20 倍的电流，直到它变热。这种电流浪涌被称为浪涌电流，持续时间为 30-100 毫秒。再次强调，从“哑负载”的角度来看，这与其他情况不同。因此，并联的 5 个 100 瓦灯泡，在正常情况下仅消耗 500 瓦，但其浪涌负载将超过 10000 瓦。更重要的是，会有大量的电流流过，因此所有线路上的组件都能够承载这种电流至关重要。对于较大的灯泡，会流过一小部分电流以保持其温度稳定，称为“保持电流”。

蒸发

另一个在灯泡中经常被忽视的因素是电阻与时间的变化关系。对于白炽灯泡，功率与面积成正比。随着灯泡老化，钨丝会缓慢蒸发，因此灯泡产生的功率（以及光）会下降。此外，光下降的速度大约是功率下降速度的 5 倍，因此灯泡在老化后效率会变得很低。

白炽灯泡在运行其额定寿命的 75% 后，必须产生超过其初始光输出的 93% 才能通过 IEC 出版物 60064 中描述的标准测试。

电压和效率

白炽灯泡的效率是指每消耗 1 瓦功率产生的光量。随着灯泡温度降低，每瓦产生的光输出也会降低。因此，在较低电压（欠压）下，灯泡的效率非常低。

• 说效率“非常低”是完全主观的——“非常低”是相对于什么而言？

钨丝的正常工作温度是通过平衡效率和寿命来最小化运行照明灯具的净成本。更高的灯丝温度成本更高，因为它们会更快地磨损灯丝，并且需要更频繁地更换。更低的灯丝温度成本更高，因为它们在产生相同的光量的情况下需要更多的电能。

任何黑体辐射体的发光效率都会随着温度升高而增加，直到达到 6300 °C（6600 K 或 11,500 °F）。钨在 3695 K（6192°F）时熔化，理论上，像任何黑体辐射体一样，它的发光效率为每瓦 52 流明。

一个设计为使用寿命 50 小时的灯泡，其工作温度比熔点低 50 °C（90 °F），其发光效率可达 22 流明/瓦。

一个 1000 小时寿命的一般服务灯泡，其工作温度通常为 2000 K 到 3300 K（约 3100-5400°F），发光效率为 10 到 17 流明/瓦模板：Fix/category。随着白炽灯泡电压 V 的增加，白炽灯泡发出的光量也会增加——与 V 的四次方成正比——但白炽灯泡的寿命也会随着 V 的八次方减少。

荧光灯

在大多数应用中，钨丝灯已经被荧光灯取代。荧光灯的功率因数接近 0.25。荧光灯的额定功率通常约为 40 瓦，与相同瓦数的白炽灯相比，它们提供的光量要多得多（约 5 倍）。它们也散发出更少的热量。

被动控制

早期的荧光灯使用镇流器（也称为扼流圈），它本质上是一个电感器，用于控制灯泡中的电流。此外，灯泡的启动是通过使用启动器，启动器本质上是一个氖热敏电阻，它会升温并闭合电路。由于扼流圈与灯泡串联，因此灯泡上的电压降相对较小，以确保启动器不会再次闭合。由于启动器与灯泡并联，因此同一个启动器可以用于启动多个灯泡。电磁镇流器的一个特别令人讨厌的方面是它产生的 60 赫兹闪烁。虽然这不会困扰大多数人，但有些人会发现它非常令人讨厌。此外，电磁镇流器在接通市电时会使功耗增加约 25%。

主动（电子）控制

现代灯泡使用电子电路来控制电流，因此启动器和扼流圈都是多余的，它们在基于逆变器和市电的情况下表现都要好得多。许多电子镇流器会将频率提高到 20 千赫兹左右，因此不会出现闪烁问题。

基于 CRT 的设备

另一个主要的功耗来源是 CRT（阴极射线管），例如电脑显示器和电视机。

电脑主机

现代电脑的主机从SMPS获取电源，这将在下面详细介绍。如今最流行的电脑（运行 P4 和 3D 显卡）消耗数百瓦的功率。

其他电子负载

家庭中的其他电子物品通过墙上适配器从电源获取电源。每个组件的稳态功耗相当低，在许多情况下（例如打印机、扫描仪等），它们并不会持续工作。

控制元件

控制元件是指连接到电路的开关、调光器和调节器。它们本质上是非线性元件，其行为非常复杂，无法用简单的示意图符号很好地表示。

灯光调光器

灯光调光器通过切断输入正弦波的一部分来工作。虽然这对于电阻负载有效，但即使在这里它也存在副作用。

电能表

大多数家庭都连接到电网，也就是说，它们的电力来自公用事业公司，公用事业公司会在房屋内安装一个电能表。电能表要么通过手动，要么通过电话线连接到公用事业公司办公室来读取。

电力公司希望您的功率因数尽可能接近 1，如果企业无法达到电力公司设定的目标，将会受到处罚，因为有功功率和无功功率的传输损耗几乎相同。对于家庭用户来说，没有这样的规定，有趣的是，现在大多数家庭用电不再用于照明，即使照明也使用非电阻性的荧光灯，因此电力消耗模式发生了变化。电力公司只向家庭用户收取有功功率费用，因此从经济角度来看，功率因数低不是问题，家庭内部的传输损耗可以忽略不计。

机械式电能表

机械式电能表在高中物理书中被讨论为楞次定律的应用，即产生涡电流以抵抗引起它的变化。金属圆盘在电磁铁极之间的转数代表消耗的能量。更准确地说，它们被称为机电式电能表，因为它们使用旋转圆盘等机械部件来测量消耗的能量。

电子式电能表

电子式电能表通过测量任何时刻流经其内部电阻的电流来工作。电能表的测量单位是脉冲数，这是电能表测量的最小能量单位。脉冲以千瓦时电量进行校准，通常每单位 3200 脉冲。除了机械式电能表中找到的数字轮显示之外，消耗的能量还记录在电能表芯片中，因此可以检测到篡改行为。

闪电

闪电是家庭用户非常关心的问题。闪电是一个巨大的电流源，它会通过任何可以找到的东西进行放电。正确的防雷和防雷措施非常复杂，不当的方法会增加人身和机器的安全风险。

一个简单的避雷器由一个与负载串联的扼流圈组成。一个接地的火花间隙并联运行。当闪电袭击时，脉冲几乎是方波，扼流圈起着大电阻的作用。同时，产生的高电压会导致空气在火花间隙间击穿，并起着短路的作用，

另请参阅

• 电力电子
• 能源与电力：生产、分配与社会
• Open Circuits: SMPS 拥有有关开关稳压器的更多信息