第2章　空调器电路基础

2.1　直流电与交流电

2.1.1　直流电与直流供电方式

直流电（Direct Current，简称DC）是指电流方向不随时间作周期性变化，由正极流向负极，但电流的大小可能会变化。

如图2-1所示，直流电可以分为脉动直流和恒定直流两种，脉动直流中直流电流大小是跳动的；而恒定直流中的电流大小是恒定不变的。

图2-1 脉动直流和恒定直流

一般将可提供直流电的装置称为直流电源，例如干电池、蓄电池、直流发电机等。直流电源有正、负两极。当直流电源为电路供电时，直流电源能够使电路两端之间保持恒定的电位差，从而在外电路中形成由电源正极到负极的电流。

图2-2为直流电的特点。

图2-2 直流电的特点

如图2-3所示，由直流电源作用的电路称为直流电路，它主要是由直流电源、负载构成的闭合电路。

图2-3 直流电路的特点

在生活和生产中电池供电的电器，都属于直流供电方式，如低压小功率照明灯、直流电动机等。还有许多电器是利用交流—直流变换器，将交流变成直流再为电器产品供电。

家庭或企事业单位的供电都是采用交流220V、50Hz的电源，而电子产品内部各电路单元及其元件则往往需要多种直流电压，因而需要一些电路将交流220V电压变为直流电压，供电路各部分使用。

如图2-4所示，典型直流电源电路中，交流220V电压经变压器T，先变成交流低压（12V）。再经整流二极管VD整流后变成脉动直流，脉动直流经LC滤波后变成稳定的直流电压。

图2-4 直流电源电路的特点

如图2-5所示，一些实用电子产品如手机、收音机等，是借助充电器给电池充电后获取电能。值得一提的是，不论是电动车的大型充电器，还是手机、收音机等的小型充电器，都需要从市电交流220V的电源中获得能量。

2.1.2　交流电与交流供电方式

交流电（Alternating Current，简称AC）是指大小和方向会随时间作周期性变化的电压或电流。在日常生活中所有的电器产品都需要有供电电源才能正常工作，大多数的电器设备都是由市电交流220V、50Hz作为供电电源，这是我国公共用电的统一标准，交流220V电压是指相线即火线对零线的电压。

如图2-6所示，交流电是由交流发电机产生的，交流发电机通常有产生单相交流电的机型和产生三相交流电的机型。

图2-6 交流电的产生

【提示说明】

交流发电机的转子是由永磁体构成的，当水轮机或汽轮机带动发电机转子旋转时，转子磁极旋转，会对定子线圈辐射磁场，磁力线切割定子线圈，定子线圈中便会产生感应电动势，转子磁极转动一周就会使定子线圈产生相应的电动势（电压）。由于感应电动势的强弱与感应磁场的强度成正比，感应电动势的极性也与感应磁场的极性相对应。定子线圈所受到的感应磁场是正反向交替周期性变化的。转子磁极匀速转动时，感应磁场是按正弦规律变化的，发电机输出的电动势波形则为正弦波形。

如图2-7所示，发电机根据电磁感应原理产生电动势，当线圈受到变化磁场的作用时，即线圈切割磁力线便会产生感应磁场，感应磁场的方向与作用磁场方向相反。

图2-7 发电机的发电原理

（1）单相交流电与单相交流供电方式

单相交流电在电路中具有单一交变的电压，该电压以一定的频率随时间变化，如图2-8所示。在单相交流发电机中，只有一个线圈绕制在铁芯上构成定子，转子是永磁体，当其内部的定子和线圈为一组时，它所产生的感应电动势（电压）也为一组（相），由两条线进行传输。

图2-8 单相交流电的特点

我们将单相交流电通过的电路称为单相交流电路。单相交流电路普遍用于人们的日常生活和生产中。单相交流电路的供电方式主要有单相两线式和单相三线式。

如图2-9所示，单相两线式是指仅由一根相线（L）和一根零线（N）构成的供电方式，通过这两根线获取220V单相电压，为用电设备供电。

图2-9 单相两线式供电方式

一般在照明线路和两孔电源插座多采用单相两线式供电方式。

如图2-10所示，单相三线式是在单相两线式基础上添加一条地线，相线与零线之间的电压为220V，零线在电源端接地，地线在本地用户端接地，两者因接地点不同可能存在一定的电位差，因而零线与地线之间可能存在一定的电压。

图2-10 单相三线式供电方式

如图2-11所示，一般情况下，电气线路中所使用的单相电往往不是由发电机直接发电后输出，而是由三相电源分配过来的。

图2-11 实际应用中单相电的来源

发电厂经变配电系统送来的电源由三根相线（火线）和一根零线（中性线）构成。三根相线两两之间电压为380V，每根相线与零线之间的电压为220V。这样三相交流电源就可以分成三组单相交流电给用户使用。

（2）三相交流电与三相交流供电方式

三相交流电是大部分电力传输即供电系统、工业和大功率电力设备所需要电源。通常，把三相电源线路中的电压和电流统称三相交流电，这种电源由三条线来传输，三线之间的电压大小相等（380V）、频率相同（50Hz）、相位差为120°。

① 三相交流电

在发电机内设有两组定子线圈互相垂直地分布在转子外围，如图2-12所示。转子旋转时两组定子线圈产生两组感应电动势，这两组电动势之间有90°的相位差，这种电源为两相电源，这种方式多在自动化设备中使用。

图2-12 两相交流电的产生

三相交流电是由三相交流发电机产生的。在定子槽内放置着三个结构相同的定子绕组A、B、C，这些绕组在空间互隔120°。转子旋转时，其磁场在空间按正弦规律变化，当转子由水轮机或汽轮机带动以角速度ω等速地顺时针方向旋转时，在三个定子绕组中就产生频率相同、幅值相等、相位上互差120°的三个正弦电动势，即对称的三相电动势，如图2-13所示。

图2-13 三相交流电的产生

② 三相交流供电方式

三相交流电路的供电方式主要三相三线式、三相四线式和三相五线式三种供电方法，一般的工厂中的电器设备常采用三相交流电路。

a.三相三线式　三相三线式是指供电线路由三根相线构成的，每根相线之间的电压为380V，额定电压为380V的电气设备可直接连接在相线上，如图2-14所示。这种供电方式多用在电能的传输系统中。

图2-14 三相三线式交流电路

b.三相四线式　三相四线式交流电路是指由变压器引出四根线的供电方式。其中，三根为相线，另一根中性线为零线。零线接电动机三相绕组的中点，电气设备接零线工作时，电流经过电气设备做功，没有做功的电流可经零线回到电厂，对电气设备起到保护作用。这种供电方式常用于380/220V低压动力与照明混合配电，如图2-15所示。

图2-15 三相四线式交流电路

【提示说明】

注意：在三相四式制供电方式中，在三相负载不平衡时和低压电网的零线过长且阻抗过大时，零线将有零序电流通过，过长的低压电网，由于环境恶化、导线老化、受潮等因素，导线的漏电电流通过零线形成闭合回路，致使零线也带一定的电位，这对安全运行十分不利。在零线断线的特殊情况下，断线以后的单相设备和所有保护接零的设备会产生危险的电压，这是不允许的。

c.三相五线式　图2-16为典型三相五线供电方式的示意图。在前面所述的三相四线式交流电路中，把零线的两个作用分开，即一根线做工作零线（N），另一根线做保护零线（PN），这样的供电接线方式称为三相五线式的交流电路。

图2-16 三相五线式的交流电路

【提示说明】

采用三相五线式交流电路中，用电设备上所连接的工作零线N和保护零线PE是分别敷设的，工作零线上的电位不能传递到用电设备的外壳上，这样就能有效隔离三相四线制供电方式所造成的危险电压，用电设备外壳上电位始终处在“地”电位，从而消除了设备产生危险电压的隐患。

2.2　电流与电动势

2.2.1　电流

在导体的两端加上电压，导体内的电子就会在电场力的作用下做定向运动，形成电流。电流的方向规定为电子（负电荷）运动的反方向即电流的方向与电子运动的方向相反。

图2-17为由电池、开关、灯泡组成的电路模型，当开关闭合时，电路形成通路，电池的电动势形成了电压，继而产生了电场力，在电场力的作用下，处于电场内的电子便会定向移动，这就形成了电流。

图2-17 由电池、开关、灯泡组成的电路模型

电流的大小称为电流强度，它是指在单位时间内通过导体横截面的电荷量。电流强度使用字母“I”（或i）来表示，电荷量使用“Q”（库伦）表示。若在t秒内通过导体横截面的电荷量是Q，则电流强度可用下式计算：

I=Q/t

电流强度的单位为安培，简称安，用字母“A”表示。根据不同的需要，还可以用千安（kA）、毫安（mA）和微安（μA）来表示。它们之间的关系为：

1kA=1000A

1mA=10^-3A

1μA=10^-6A

2.2.2　电动势

电动势是描述电源性质的重要物理量，用字母“E”表示，单位为“V”（伏特，简称伏），它是表示单位正电荷经电源内部，从负极移动到正极所做的功，它标志着电源将其他形式的能量转换成电路的动力即电源供应电路的能力。

电动势用公式表示，即

E=W/Q

式中，E为电动势，单位为伏特（V）；W为将正电荷经电源内部从负极引导正极所做的功，单位为焦耳（J）；Q为移动的正电荷数量，单位为库伦（C）。

图2-18为由电源、开关、可变电阻器构成的电路模型。在闭合电路中，电动势是维持电流流动的电学量，电动势的方向规定为经电源内部，从电源的负极指向电源的正极。电动势等于路端电压与内电压之和，用公式表示即

图2-18 由电池、开关、可调电阻器构成的电路模型

E=U_路+U_内=IR+Ir

式中，U_路表示路端电压（即电源加在外电路端的电压）；U_内表示内电压（即电池因内阻自行消耗的电压）；I表示闭合电路的电流；R表示外电路总电阻（简称外阻）；r表示电源的内阻。

【提示说明】

对于确定的电源来说，电动势E和内阻r都是一定的。若闭合电路中外电阻R增大，电流I便会减小,内电压U_内减小，故路端电压U_路增大。若闭合电路中外电阻R减小，电流I便会增大，内电压U_内增大，故路端电压U_路减小，当外电路断开，外电阻R无限大，电流I便会为零，内电压U_内也变为零，此时路端电压就等于电源的电动势。

2.3　电位与电压

电位是指该点与指定的零电位的大小差距，电压则是指电路中两点电位的大小差距。

2.3.1　电位

电位也称电势，单位是伏特（V），用符号“φ”表示，它的值是相对的，电路中某点电位的大小与参考点的选择有关。

图2-19为由电池、三个阻值相同的电阻和开关构成的电路模型（电位的原理）。电路以A点作为参考点，A点的电位为0V（即φ_A=0V），则B点的电位为0.5V（即φ_B=0.5V），C点的电位为1V（即φ_C=1V），D点的电位为1.5V（即φ_D=1.5V）。

图2-19 电位的原理（以A点为参考点）

电路若以B点作为参考点，B点的电位为0V（即φ_B=0V），则A点的电位为-0.5V（即φ_A=-0.5V），C点的电位为0.5V（即φ_C=0.5V），D点的电位为1V（即φ_D=1V）。图2-20为以B点为参考点电路中的电位。

图2-20 电位的原理（以B点为参考点）

2.3.2　电压

电压也称电位差（或电势差），单位是伏特（V）。电流之所以能够在电路中流动是因为电路中存在电压，即高电位与低电位之间的差值。

图2-21为由电池、两个阻值相等的电阻器和开关构成的电路模型。

图2-21 由电池、两个阻值相等的电阻器和开关构成的电路模型

2.4　电路连接与欧姆定律

2.4.1　串联方式

如果电路中多个负载首尾相连，那么我们称它们的连接状态是串联的，该电路即称为串联电路。

如图2-22所示，在串联电路中，通过每个负载的电流量是相同的，且串联电路中只有一个电流通路，当开关断开或电路的某一点出现问题时，整个电路将处于断路状态，因此当其中一盏灯损坏后，另一盏灯的电流通路也被切断，该灯不能点亮。

图2-22 电子元件的串联关系

【提示说明】

在串联电路中通过每个负载的电流量是相同的，且串联电路中只有一个电流通路，当开关断开或电路的某一点出现问题时，整个电路将变成断路状态。

在串联电路中，流过每个负载的电流相同，各个负载分享电源电压，如图2-23所示，电路中有三个相同的灯泡串联在一起，那么每个灯泡将得到1/3的电源电压量。每个串联的负载可分到的电压量与它自身的电阻有关，即自身电阻较大的负载会得到较大的电压值。

图2-23 灯泡（负载）串联的电压分配

2.4.2　并联方式

两个或两个以上负载的两端都与电源两极相连，我们称这种连接状态是并联的，该电路即为并联电路。

如图2-24所示，在并联状态下，每个负载的工作电压都等于电源电压。不同支路中会有不同的电流通路，当支路某一点出现问题时，该支路将处于断路状态，照明灯会熄灭，但其他支路依然正常工作，不受影响。

图2-24 电子元件的并联关系

图2-25为灯泡（负载）并联的电压分配。

图2-25 灯泡（负载）并联的电压分配

2.4.3　混联方式

如图2-26所示，将电气元件串联和并联连接后构成的电路称为混联电路。

图2-26 电子元件的混联关系

2.4.4　电压与电流的关系

电压与电流的关系如图2-27所示。电阻阻值不变的情况下，电路中的电压升高，流经电阻的电流也成比例增加；电压降低，流经电阻的电流也成比例减少。例如，电压从25V升高到30V时，电流值也会从2.5A升高到3A。

图2-27 电压与电流的关系

2.4.5　电阻与电流的关系

电阻与电流的关系如图2-28所示。当电压值不变的情况下，电路中的电阻阻值升高，流经电阻的电流成比例减少；电阻阻值降低，流经电阻的电流则成比例增加。例如，电阻从10Ω升高到20Ω时，电流值会从2.5A降低到1.25A。

图2-28 电阻与电流的关系