基礎電力生產和分配

這是一份關於家庭中電力日常使用的文件。許多電路都是由電氣、機械和電子元件混合而成的，它們以不同的方式相互作用，產生奇特而有用的效果。主題包括商業生成的交流電以及為替代電源用途（例如離網房屋、小屋或休閒車）由逆變器生成的交流電。電力已經成為生活中不可或缺的一部分，很難想象沒有它會怎樣。

配電和家庭電源

交流電用於電力分配，因為它可以輕鬆地轉換為更高或更低的電壓。電能損耗取決於電流流動。透過使用變壓器，可以提高電壓，以便以較低的電流在較長的距離上分配相同的功率，從而降低由於導體的電阻造成的損耗。電壓也可以再次降低，使其適合家用電源。

三相電力生產和傳輸很常見，並且是導體的有效利用，因為每個導體的額定電流可以在將電力從發電透過傳輸和分配到最終使用過程中得到充分利用。三相電力僅在工業場所供應，許多工業電動機都是為此而設計的。產生三個電壓波形，它們彼此之間相位相差120度。在電路的負載端，三相電路的迴路線可以在“中性點”處耦合在一起，如果供給平衡負載，則三個電流的總和為零。這意味著所有電流都可以僅使用三根電纜傳輸，而不是否則需要的六根電纜。三相電力是一種多相系統。

在大多數情況下，只需使用單相來供應路燈或住宅使用者。在分配三相電力時，在街道分配中會佈設第四根或中性線，為每個房屋提供一個完整的電路。街道上不同的房屋放置在電源的不同相位上，以便在連線使用者時，負載是平衡的或均勻分佈在三個相位上。因此，到每個房屋的供電電纜可以由一根帶電線和一根中性線組成，可能還有一根接地的鎧裝護套。在北美，最常用的技術是使用變壓器將一個配電相位轉換為中心抽頭的“分相”240 V繞組；與使用者的連線通常是兩根彼此反相的 120 伏電源線，以及一根接地的“中性”線，它也充當物理支撐線。在印度，最近有一種趨勢是在住宅前提供高壓線路，然後在現場將其降壓至家用電源，以防止能源被盜。雖然此方法具有一定的優勢，但顯然存在與之相關的潛在危險。

如上所述，使用“分相”電源，即兩根彼此反相的 120 伏電源線，允許大功率電器在 240 V 上執行，從而減少每個相位所需的電流，同時允許住宅的其餘部分佈線用於更安全的 120 V。例如，一臺烘乾機可能需要 3600 W 的功率，這轉換為 120 V 下 30 A 的電路額定值。如果烘乾機可以在 240 V 下執行，則所需的負載僅為 15 A。當然，您需要兩個 15 A 的斷路器，一個用於電路的每一側，並且您需要在分配佈線中提供兩根“熱線”，一根中性線和一根接地線，但這可以透過較低電流的電線的較低成本來抵消。房屋通常佈線，以便兩個相位負載大致相等；將大功率電器（如烘乾機、廚房灶臺和內建空間加熱器）連線到兩個相位之間有助於確保負載將在兩個相位之間保持平衡。

出於安全原因，第三根線通常連線在房屋中各個電器與主電源開關板或保險絲盒之間。在英國和其他大多數英語國家，第三根線被稱為地線，而在北美，它被稱為接地線。在主開關板處，地線連線到中性線，並連線到地樁或其他方便的接地點（對於美國人來說，是接地點），例如水管。發生故障時，地線可以承載足夠的電流以熔斷保險絲，並使故障電路隔離。接地連線還意味著周圍建築物與中性點的電壓相同。最常見的電擊形式是當人意外地在帶電導體和地之間形成電路時發生的。剩餘電流斷路器（也稱為接地故障斷路器、GFI 或接地故障電路斷路器、GFCI）旨在檢測此類問題並在電擊導致死亡之前斷開電路。由於中性系統的大部分連線到接地，因此稱為接地電流的平衡電流可能會在配電變壓器和使用者以及系統的其他接地部分之間流動，這有助於使中性電壓保持在安全水平。這種出於安全原因將中性點接地以平衡電流流動的系統被稱為多點接地中性系統。

過流保護

在家庭中，使用斷路器或保險絲在電流過大時快速切斷電源，例如，在正常的 115/120 伏電路中，電流限制為 15 安培。

在配電系統中，出於相同目的使用自動保護。可能有兩個階段

• 如果導致過流情況的問題在附近，則快速斷開連線，並且
• 如果過流發生在本地區域之外，則進行延時備份操作。

不幸的是，在某些情況下，這種“保護”會產生級聯效應，因為斷開一個電路會導致相鄰電路過載，這些電路可能會在稍後斷開。“停電”可能是由於進一步的故障而導致的。

還存在電源因此與負載斷開連線的問題，這會導致發電中斷，並改變系統許多部分或整個系統的功率需求量與可用功率量之間的平衡。

恢復發電和重新建立平衡所需的時間取決於可用發電型別（熱能、水力發電、核能或其他） - 停電後，可能需要數小時才能恢復系統。

單相電力

交流電的產生通常是三相的，其中三條供電導體的波形彼此相位差120°。發電機的設計在磁場中放置了三組相隔120度的線圈。這產生了三個獨立的電力正弦波，它們在時間上相差120度的旋轉（圓周的1/3）。標準旋轉頻率要麼是歐洲的50赫茲（每秒週期），要麼是北美的60赫茲。三條導體中任意兩條之間的電壓，或者單條導體與接地（在接地系統中）之間的電壓，被稱為“單相”電力。單相電力是大多數配電網中住宅和輕型商業消費者常用的電力。在北美，供應的單相是在公用電杆（用於空中下降）或變壓器墊（用於地下）配電處的變壓器線圈上產生的。這個單線圈是中心抽頭的，抽頭是接地的。這形成了一個120/240伏的系統，輸送到客戶。線圈兩側到中心抽頭（接地）之間的電壓為120伏，而線圈兩端兩根導體之間的電壓則產生全電壓240伏。

逆變器和電池供電的交流電

逆變器是一種將直流電轉換為交流電的電路。逆變器可以有一個或兩個開關模式電源 (SMPS)。

早期的逆變器由一個振盪器驅動一個電晶體作為開關，用來中斷輸入的直流電來產生方波。然後將其透過變壓器，將方波平滑為正弦波，併產生所需的輸出電壓。

更高效的逆變器採用各種方法在變壓器輸入端產生近似的正弦波，而不是依賴變壓器來平滑它。電容器可以用來平滑電流流入和流出變壓器。也可以透過在兩個電壓下使用分軌直流輸入（正負輸入，中央接地）來產生更正弦的波形。透過將變壓器輸入端按定時序連線在正軌和地之間，正軌和負軌之間，地軌和負軌之間，然後兩者都連線到地軌之間，在變壓器輸入端產生“階躍正弦波”，而直流電源上的電流消耗變化較小。

修正正弦波逆變器將（通常為12伏直流）電池電壓轉換為高頻（20kHz）交流電，以便可以使用更小的變壓器將其升壓至更高的電壓（例如160伏）交流電。這個輸出被轉換為相同電壓的直流電，然後再次轉換為準正弦波輸出（大約120伏RMS）。修正正弦波逆變器的一個缺點是輸出電壓取決於電池電壓。

從逆變器中獲得良好的正弦波非常困難。大多數逆變器的標稱精度（諧波失真）小於60%，並且會對連線到逆變器輸出端的裝置產生影響。這可能意味著一些裝置執行噪聲大，或電動機損壞，因為它們的執行效率降低，可能會過熱。高階逆變器（> 2,000 美元）產生的波形更接近公用電網產生的正弦波。

電池

大多數家用系統使用傳統的鉛酸電池進行儲存。它們價格便宜，並且是深迴圈電池，即，它們可以完全放電並多次充電。您不能在逆變器中使用汽車電池，因為它們只用於提供大的啟動電流，並不意味著要完全放電。鉛酸電池的缺點是它們必須每隔幾個月補充一次蒸餾水，如果電池乾涸，就無法修復。然而，它們可以提供許多負載（例如感應電機）可能連線到系統所需的大的浪湧電流。

開關模式電源

開關模式電源，或 SMPS 或開關穩壓器，是一種電子電源電路，它試圖從變化的輸入電壓中產生平滑的、恆壓的輸出電壓。

開關模式電源可以設計成從交流電或直流電轉換，或兩者兼而有之。它們通常輸出直流電，儘管逆變器在技術上是一種開關模式電源。

開關模式電源透過使用逆變器將輸入直流電源轉換為交流電，通常在 20kHz 左右。如果輸入是交流電，但頻率較低（如 50Hz 或 60Hz 線路電源），則仍然使用逆變器將頻率提高。

這種高頻率意味著逆變器的輸出變壓器比在 50Hz 或 60Hz 下執行時效率更高，因為變壓器鐵芯存在滯後，並且變壓器不需要那麼大或重。然後將這種高頻輸出透過整流器，產生輸出直流電。

調節是透過反饋實現的。將輸出電壓與參考電壓進行比較，並將結果用於改變逆變器振盪器的開關頻率或佔空比，從而影響其輸出電壓。

個人電腦等家用產品的開關模式電源通常具有通用輸入，這意味著它們可以接受來自世界各地大多數主電源的電源，頻率從 50Hz 到 60Hz，電壓從 100V 到 240V。

與大多數其他裝置不同，開關模式電源往往是恆功率裝置，線上路電壓降低時會吸取更多電流。這可能會在某些情況下導致穩定性問題，例如應急發電機系統。

此外，最大電流消耗發生在波形週期的峰值處。這意味著基本的開關模式電源往往會產生更多諧波，並且功率因數比其他型別的裝置差。然而，更高質量的具有功率因數校正 (PFC) 的開關模式電源是可用的，它們被設計成對主電源呈現接近於電阻的負載。

開關模式電源的功率因數這個術語具有誤導性，因為它與電壓超前或滯後沒有太大關係，而是與它載入電路的方式有關（即，僅在週期的某些點載入）。

開關模式電源有多種型別，根據電路拓撲進行分類。

1. 降壓穩壓器（單電感；輸出電壓 < 輸入電壓）
2. 升壓穩壓器（單電感；輸出電壓 > 輸入電壓）
3. 降壓升壓穩壓器（單電感；輸出電壓可以大於或小於輸入電壓）
4. 反激穩壓器（使用輸出變壓器；允許多個輸出和輸入到輸出隔離）
5. 正激穩壓器（使用輸出變壓器；允許多個輸出和輸入到輸出隔離）
6. Cuk 轉換器（使用電容器進行能量儲存；對正輸入產生負電壓）

主要裝置類別

單相交流電機

最常見的單相電機是陰影極同步電機，最常用於需要較低扭矩的裝置，例如電風扇、微波爐和其他小型家用電器。

另一種常見的單相交流電機是感應電機，通常用於主要電器，例如洗衣機和烘乾機。這些電機通常透過使用特殊的啟動繞組以及啟動電容器和離心開關來提供更大的啟動扭矩。啟動時，電容器和特殊繞組暫時連線到電源，提供啟動扭矩。電機達到速度後，離心開關斷開電容器和啟動繞組。

陰影極同步電機

陰影極同步電機是一種交流電機，它使用單相電力將電力轉換為機械能。它們的工作原理是使用鼠籠式轉子和一個分裂的定子，定子上放置了銅短路環，以便遮蔽定子磁場的一部分，從而提供足夠的啟動扭矩。

感應電機的極數是它與非正弦波輸入相互作用的重要因素。作為經驗法則，極數較多的電機對諧波失真更敏感。

白熾燈

早期的照明應用使用燈泡，這些燈泡使用加熱的燈絲來提供光。燈絲由鎢製成，並置於接近真空的玻璃外殼內。雖然它很便宜，但它產生了大量的熱量，因此效率也很低。請注意，白熾燈泡是純粹的電阻負載（功率因數為 1）。

湧入電流

白熾燈泡的設計目的是在高溫下工作。在正常工作溫度下，鎢絲的電阻幾乎是其室溫電阻的 20 倍。因此，當燈泡開啟時，它會消耗接近正常電流 20 倍的電流，直到它變熱。這種電流浪湧被稱為浪湧電流，持續時間為 30-100 毫秒。再次強調，從“啞負載”的角度來看，這與其他情況不同。因此，並聯的 5 個 100 瓦燈泡，在正常情況下僅消耗 500 瓦，但其浪湧負載將超過 10000 瓦。更重要的是，會有大量的電流流過，因此所有線路上的元件都能夠承載這種電流至關重要。對於較大的燈泡，會流過一小部分電流以保持其溫度穩定，稱為“保持電流”。

蒸發

另一個在燈泡中經常被忽視的因素是電阻與時間的變化關係。對於白熾燈泡，功率與面積成正比。隨著燈泡老化，鎢絲會緩慢蒸發，因此燈泡產生的功率（以及光）會下降。此外，光下降的速度大約是功率下降速度的 5 倍，因此燈泡在老化後效率會變得很低。

白熾燈泡在執行其額定壽命的 75% 後，必須產生超過其初始光輸出的 93% 才能透過 IEC 出版物 60064 中描述的標準測試。

電壓和效率

白熾燈泡的效率是指每消耗 1 瓦功率產生的光量。隨著燈泡溫度降低，每瓦產生的光輸出也會降低。因此，在較低電壓（欠壓）下，燈泡的效率非常低。

• 說效率“非常低”是完全主觀的——“非常低”是相對於什麼而言？

鎢絲的正常工作溫度是透過平衡效率和壽命來最小化執行照明燈具的淨成本。更高的燈絲溫度成本更高，因為它們會更快地磨損燈絲，並且需要更頻繁地更換。更低的燈絲溫度成本更高，因為它們在產生相同的光量的情況下需要更多的電能。

任何黑體輻射體的發光效率都會隨著溫度升高而增加，直到達到 6300 °C（6600 K 或 11,500 °F）。鎢在 3695 K（6192°F）時熔化，理論上，像任何黑體輻射體一樣，它的發光效率為每瓦 52 流明。

一個設計為使用壽命 50 小時的燈泡，其工作溫度比熔點低 50 °C（90 °F），其發光效率可達 22 流明/瓦。

一個 1000 小時壽命的一般服務燈泡，其工作溫度通常為 2000 K 到 3300 K（約 3100-5400°F），發光效率為 10 到 17 流明/瓦模板：Fix/category。隨著白熾燈泡電壓 V 的增加，白熾燈泡發出的光量也會增加——與 V 的四次方成正比——但白熾燈泡的壽命也會隨著 V 的八次方減少。

熒光燈

在大多數應用中，鎢絲燈已經被熒光燈取代。熒光燈的功率因數接近 0.25。熒光燈的額定功率通常約為 40 瓦，與相同瓦數的白熾燈相比，它們提供的光量要多得多（約 5 倍）。它們也散發出更少的熱量。

被動控制

早期的熒光燈使用鎮流器（也稱為扼流圈），它本質上是一個電感器，用於控制燈泡中的電流。此外，燈泡的啟動是透過使用啟動器，啟動器本質上是一個氖熱敏電阻，它會升溫並閉合電路。由於扼流圈與燈泡串聯，因此燈泡上的電壓降相對較小，以確保啟動器不會再次閉合。由於啟動器與燈泡並聯，因此同一個啟動器可以用於啟動多個燈泡。電磁鎮流器的一個特別令人討厭的方面是它產生的 60 赫茲閃爍。雖然這不會困擾大多數人，但有些人會發現它非常令人討厭。此外，電磁鎮流器在接通市電時會使功耗增加約 25%。

主動（電子）控制

現代燈泡使用電子電路來控制電流，因此啟動器和扼流圈都是多餘的，它們在基於逆變器和市電的情況下表現都要好得多。許多電子鎮流器會將頻率提高到 20 千赫茲左右，因此不會出現閃爍問題。

基於 CRT 的裝置

另一個主要的功耗來源是 CRT（陰極射線管），例如電腦顯示器和電視機。

電腦主機

現代電腦的主機從SMPS獲取電源，這將在下面詳細介紹。如今最流行的電腦（執行 P4 和 3D 顯示卡）消耗數百瓦的功率。

其他電子負載

家庭中的其他電子物品透過牆上介面卡從電源獲取電源。每個元件的穩態功耗相當低，在許多情況下（例如印表機、掃描器等），它們並不會持續工作。

控制元件

控制元件是指連線到電路的開關、調光器和調節器。它們本質上是非線性元件，其行為非常複雜，無法用簡單的示意圖符號很好地表示。

燈光調光器

燈光調光器透過切斷輸入正弦波的一部分來工作。雖然這對於電阻負載有效，但即使在這裡它也存在副作用。

電能表

大多數家庭都連線到電網，也就是說，它們的電力來自公用事業公司，公用事業公司會在房屋內安裝一個電能表。電能表要麼透過手動，要麼透過電話線連線到公用事業公司辦公室來讀取。

電力公司希望您的功率因數儘可能接近 1，如果企業無法達到電力公司設定的目標，將會受到處罰，因為有功功率和無功功率的傳輸損耗幾乎相同。對於家庭使用者來說，沒有這樣的規定，有趣的是，現在大多數家庭用電不再用於照明，即使照明也使用非電阻性的熒光燈，因此電力消耗模式發生了變化。電力公司只向家庭使用者收取有功功率費用，因此從經濟角度來看，功率因數低不是問題，家庭內部的傳輸損耗可以忽略不計。

機械式電能表

機械式電能表在高中物理書中被討論為楞次定律的應用，即產生渦電流以抵抗引起它的變化。金屬圓盤在電磁鐵極之間的轉數代表消耗的能量。更準確地說，它們被稱為機電式電能表，因為它們使用旋轉圓盤等機械部件來測量消耗的能量。

電子式電能表

電子式電能表透過測量任何時刻流經其內部電阻的電流來工作。電能表的測量單位是脈衝數，這是電能表測量的最小能量單位。脈衝以千瓦時電量進行校準，通常每單位 3200 脈衝。除了機械式電能表中找到的數字輪顯示之外，消耗的能量還記錄在電能表晶片中，因此可以檢測到篡改行為。

閃電

閃電是家庭使用者非常關心的問題。閃電是一個巨大的電流源，它會透過任何可以找到的東西進行放電。正確的防雷和防雷措施非常複雜，不當的方法會增加人身和機器的安全風險。

一個簡單的避雷器由一個與負載串聯的扼流圈組成。一個接地的火花間隙並聯執行。當閃電襲擊時，脈衝幾乎是方波，扼流圈起著大電阻的作用。同時，產生的高電壓會導致空氣在火花間隙間擊穿，並起著短路的作用，

另請參閱

• 電力電子
• 能源與電力：生產、分配與社會
• Open Circuits: SMPS 擁有有關開關穩壓器的更多資訊