第2章　空調器電路基礎

2.1　直流電與交流電

2.1.1　直流電與直流供電方式

直流電（Direct Current，簡稱DC）是指電流方向不隨時間作周期性變化，由正極流向負極，但電流的大小可能會變化。

如圖2-1所示，直流電可以分為脈動直流和恒定直流兩種，脈動直流中直流電流大小是跳動的；而恒定直流中的電流大小是恒定不變的。

圖2-1 脈動直流和恒定直流

一般將可提供直流電的裝置稱為直流電源，例如干電池、蓄電池、直流發電機等。直流電源有正、負兩極。當直流電源為電路供電時，直流電源能夠使電路兩端之間保持恒定的電位差，從而在外電路中形成由電源正極到負極的電流。

圖2-2為直流電的特點。

圖2-2 直流電的特點

如圖2-3所示，由直流電源作用的電路稱為直流電路，它主要是由直流電源、負載構成的閉合電路。

圖2-3 直流電路的特點

在生活和生產中電池供電的電器，都屬于直流供電方式，如低壓小功率照明燈、直流電動機等。還有許多電器是利用交流—直流變換器，將交流變成直流再為電器產品供電。

家庭或企事業單位的供電都是采用交流220V、50Hz的電源，而電子產品內部各電路單元及其元件則往往需要多種直流電壓，因而需要一些電路將交流220V電壓變為直流電壓，供電路各部分使用。

如圖2-4所示，典型直流電源電路中，交流220V電壓經變壓器T，先變成交流低壓（12V）。再經整流二極管VD整流后變成脈動直流，脈動直流經LC濾波后變成穩定的直流電壓。

圖2-4 直流電源電路的特點

如圖2-5所示，一些實用電子產品如手機、收音機等，是借助充電器給電池充電后獲取電能。值得一提的是，不論是電動車的大型充電器，還是手機、收音機等的小型充電器，都需要從市電交流220V的電源中獲得能量。

2.1.2　交流電與交流供電方式

交流電（Alternating Current，簡稱AC）是指大小和方向會隨時間作周期性變化的電壓或電流。在日常生活中所有的電器產品都需要有供電電源才能正常工作，大多數的電器設備都是由市電交流220V、50Hz作為供電電源，這是我國公共用電的統一標準，交流220V電壓是指相線即火線對零線的電壓。

如圖2-6所示，交流電是由交流發電機產生的，交流發電機通常有產生單相交流電的機型和產生三相交流電的機型。

圖2-6 交流電的產生

【提示說明】

交流發電機的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，會對定子線圈輻射磁場，磁力線切割定子線圈，定子線圈中便會產生感應電動勢，轉子磁極轉動一周就會使定子線圈產生相應的電動勢（電壓）。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。定子線圈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波形則為正弦波形。

如圖2-7所示，發電機根據電磁感應原理產生電動勢，當線圈受到變化磁場的作用時，即線圈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。

圖2-7 發電機的發電原理

（1）單相交流電與單相交流供電方式

單相交流電在電路中具有單一交變的電壓，該電壓以一定的頻率隨時間變化，如圖2-8所示。在單相交流發電機中，只有一個線圈繞制在鐵芯上構成定子，轉子是永磁體，當其內部的定子和線圈為一組時，它所產生的感應電動勢（電壓）也為一組（相），由兩條線進行傳輸。

圖2-8 單相交流電的特點

我們將單相交流電通過的電路稱為單相交流電路。單相交流電路普遍用于人們的日常生活和生產中。單相交流電路的供電方式主要有單相兩線式和單相三線式。

如圖2-9所示，單相兩線式是指僅由一根相線（L）和一根零線（N）構成的供電方式，通過這兩根線獲取220V單相電壓，為用電設備供電。

圖2-9 單相兩線式供電方式

一般在照明線路和兩孔電源插座多采用單相兩線式供電方式。

如圖2-10所示，單相三線式是在單相兩線式基礎上添加一條地線，相線與零線之間的電壓為220V，零線在電源端接地，地線在本地用戶端接地，兩者因接地點不同可能存在一定的電位差，因而零線與地線之間可能存在一定的電壓。

圖2-10 單相三線式供電方式

如圖2-11所示，一般情況下，電氣線路中所使用的單相電往往不是由發電機直接發電后輸出，而是由三相電源分配過來的。

圖2-11 實際應用中單相電的來源

發電廠經變配電系統送來的電源由三根相線（火線）和一根零線（中性線）構成。三根相線兩兩之間電壓為380V，每根相線與零線之間的電壓為220V。這樣三相交流電源就可以分成三組單相交流電給用戶使用。

（2）三相交流電與三相交流供電方式

三相交流電是大部分電力傳輸即供電系統、工業和大功率電力設備所需要電源。通常，把三相電源線路中的電壓和電流統稱三相交流電，這種電源由三條線來傳輸，三線之間的電壓大小相等（380V）、頻率相同（50Hz）、相位差為120°。

① 三相交流電

在發電機內設有兩組定子線圈互相垂直地分布在轉子外圍，如圖2-12所示。轉子旋轉時兩組定子線圈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2-12 兩相交流電的產生

三相交流電是由三相交流發電機產生的。在定子槽內放置著三個結構相同的定子繞組A、B、C，這些繞組在空間互隔120°。轉子旋轉時，其磁場在空間按正弦規律變化，當轉子由水輪機或汽輪機帶動以角速度ω等速地順時針方向旋轉時，在三個定子繞組中就產生頻率相同、幅值相等、相位上互差120°的三個正弦電動勢，即對稱的三相電動勢，如圖2-13所示。

圖2-13 三相交流電的產生

② 三相交流供電方式

三相交流電路的供電方式主要三相三線式、三相四線式和三相五線式三種供電方法，一般的工廠中的電器設備常采用三相交流電路。

a.三相三線式　三相三線式是指供電線路由三根相線構成的，每根相線之間的電壓為380V，額定電壓為380V的電氣設備可直接連接在相線上，如圖2-14所示。這種供電方式多用在電能的傳輸系統中。

圖2-14 三相三線式交流電路

b.三相四線式　三相四線式交流電路是指由變壓器引出四根線的供電方式。其中，三根為相線，另一根中性線為零線。零線接電動機三相繞組的中點，電氣設備接零線工作時，電流經過電氣設備做功，沒有做功的電流可經零線回到電廠，對電氣設備起到保護作用。這種供電方式常用于380/220V低壓動力與照明混合配電，如圖2-15所示。

圖2-15 三相四線式交流電路

【提示說明】

注意：在三相四式制供電方式中，在三相負載不平衡時和低壓電網的零線過長且阻抗過大時，零線將有零序電流通過，過長的低壓電網，由于環境惡化、導線老化、受潮等因素，導線的漏電電流通過零線形成閉合回路，致使零線也帶一定的電位，這對安全運行十分不利。在零線斷線的特殊情況下，斷線以后的單相設備和所有保護接零的設備會產生危險的電壓，這是不允許的。

c.三相五線式　圖2-16為典型三相五線供電方式的示意圖。在前面所述的三相四線式交流電路中，把零線的兩個作用分開，即一根線做工作零線（N），另一根線做保護零線（PN），這樣的供電接線方式稱為三相五線式的交流電路。

圖2-16 三相五線式的交流電路

【提示說明】

采用三相五線式交流電路中，用電設備上所連接的工作零線N和保護零線PE是分別敷設的，工作零線上的電位不能傳遞到用電設備的外殼上，這樣就能有效隔離三相四線制供電方式所造成的危險電壓，用電設備外殼上電位始終處在“地”電位，從而消除了設備產生危險電壓的隱患。

2.2　電流與電動勢

2.2.1　電流

在導體的兩端加上電壓，導體內的電子就會在電場力的作用下做定向運動，形成電流。電流的方向規定為電子（負電荷）運動的反方向即電流的方向與電子運動的方向相反。

圖2-17為由電池、開關、燈泡組成的電路模型，當開關閉合時，電路形成通路，電池的電動勢形成了電壓，繼而產生了電場力，在電場力的作用下，處于電場內的電子便會定向移動，這就形成了電流。

圖2-17 由電池、開關、燈泡組成的電路模型

電流的大小稱為電流強度，它是指在單位時間內通過導體橫截面的電荷量。電流強度使用字母“I”（或i）來表示，電荷量使用“Q”（庫倫）表示。若在t秒內通過導體橫截面的電荷量是Q，則電流強度可用下式計算：

I=Q/t

電流強度的單位為安培，簡稱安，用字母“A”表示。根據不同的需要，還可以用千安（kA）、毫安（mA）和微安（μA）來表示。它們之間的關系為：

1kA=1000A

1mA=10^-3A

1μA=10^-6A

2.2.2　電動勢

電動勢是描述電源性質的重要物理量，用字母“E”表示，單位為“V”（伏特，簡稱伏），它是表示單位正電荷經電源內部，從負極移動到正極所做的功，它標志著電源將其他形式的能量轉換成電路的動力即電源供應電路的能力。

電動勢用公式表示，即

E=W/Q

式中，E為電動勢，單位為伏特（V）；W為將正電荷經電源內部從負極引導正極所做的功，單位為焦耳（J）；Q為移動的正電荷數量，單位為庫倫（C）。

圖2-18為由電源、開關、可變電阻器構成的電路模型。在閉合電路中，電動勢是維持電流流動的電學量，電動勢的方向規定為經電源內部，從電源的負極指向電源的正極。電動勢等于路端電壓與內電壓之和，用公式表示即

圖2-18 由電池、開關、可調電阻器構成的電路模型

E=U_路+U_內=IR+Ir

式中，U_路表示路端電壓（即電源加在外電路端的電壓）；U_內表示內電壓（即電池因內阻自行消耗的電壓）；I表示閉合電路的電流；R表示外電路總電阻（簡稱外阻）；r表示電源的內阻。

【提示說明】

對于確定的電源來說，電動勢E和內阻r都是一定的。若閉合電路中外電阻R增大，電流I便會減小,內電壓U_內減小，故路端電壓U_路增大。若閉合電路中外電阻R減小，電流I便會增大，內電壓U_內增大，故路端電壓U_路減小，當外電路斷開，外電阻R無限大，電流I便會為零，內電壓U_內也變為零，此時路端電壓就等于電源的電動勢。

2.3　電位與電壓

電位是指該點與指定的零電位的大小差距，電壓則是指電路中兩點電位的大小差距。

2.3.1　電位

電位也稱電勢，單位是伏特（V），用符號“φ”表示，它的值是相對的，電路中某點電位的大小與參考點的選擇有關。

圖2-19為由電池、三個阻值相同的電阻和開關構成的電路模型（電位的原理）。電路以A點作為參考點，A點的電位為0V（即φ_A=0V），則B點的電位為0.5V（即φ_B=0.5V），C點的電位為1V（即φ_C=1V），D點的電位為1.5V（即φ_D=1.5V）。

圖2-19 電位的原理（以A點為參考點）

電路若以B點作為參考點，B點的電位為0V（即φ_B=0V），則A點的電位為-0.5V（即φ_A=-0.5V），C點的電位為0.5V（即φ_C=0.5V），D點的電位為1V（即φ_D=1V）。圖2-20為以B點為參考點電路中的電位。

圖2-20 電位的原理（以B點為參考點）

2.3.2　電壓

電壓也稱電位差（或電勢差），單位是伏特（V）。電流之所以能夠在電路中流動是因為電路中存在電壓，即高電位與低電位之間的差值。

圖2-21為由電池、兩個阻值相等的電阻器和開關構成的電路模型。

圖2-21 由電池、兩個阻值相等的電阻器和開關構成的電路模型

2.4　電路連接與歐姆定律

2.4.1　串聯方式

如果電路中多個負載首尾相連，那么我們稱它們的連接狀態是串聯的，該電路即稱為串聯電路。

如圖2-22所示，在串聯電路中，通過每個負載的電流量是相同的，且串聯電路中只有一個電流通路，當開關斷開或電路的某一點出現問題時，整個電路將處于斷路狀態，因此當其中一盞燈損壞后，另一盞燈的電流通路也被切斷，該燈不能點亮。

圖2-22 電子元件的串聯關系

【提示說明】

在串聯電路中通過每個負載的電流量是相同的，且串聯電路中只有一個電流通路，當開關斷開或電路的某一點出現問題時，整個電路將變成斷路狀態。

在串聯電路中，流過每個負載的電流相同，各個負載分享電源電壓，如圖2-23所示，電路中有三個相同的燈泡串聯在一起，那么每個燈泡將得到1/3的電源電壓量。每個串聯的負載可分到的電壓量與它自身的電阻有關，即自身電阻較大的負載會得到較大的電壓值。

圖2-23 燈泡（負載）串聯的電壓分配

2.4.2　并聯方式

兩個或兩個以上負載的兩端都與電源兩極相連，我們稱這種連接狀態是并聯的，該電路即為并聯電路。

如圖2-24所示，在并聯狀態下，每個負載的工作電壓都等于電源電壓。不同支路中會有不同的電流通路，當支路某一點出現問題時，該支路將處于斷路狀態，照明燈會熄滅，但其他支路依然正常工作，不受影響。

圖2-24 電子元件的并聯關系

圖2-25為燈泡（負載）并聯的電壓分配。

圖2-25 燈泡（負載）并聯的電壓分配

2.4.3　混聯方式

如圖2-26所示，將電氣元件串聯和并聯連接后構成的電路稱為混聯電路。

圖2-26 電子元件的混聯關系

2.4.4　電壓與電流的關系

電壓與電流的關系如圖2-27所示。電阻阻值不變的情況下，電路中的電壓升高，流經電阻的電流也成比例增加；電壓降低，流經電阻的電流也成比例減少。例如，電壓從25V升高到30V時，電流值也會從2.5A升高到3A。

圖2-27 電壓與電流的關系

2.4.5　電阻與電流的關系

電阻與電流的關系如圖2-28所示。當電壓值不變的情況下，電路中的電阻阻值升高，流經電阻的電流成比例減少；電阻阻值降低，流經電阻的電流則成比例增加。例如，電阻從10Ω升高到20Ω時，電流值會從2.5A降低到1.25A。

圖2-28 電阻與電流的關系