【电路笔记】-交流波形和交流电路理论

交流波形和交流电路理论

当谈论电流或电压时，这些信号可以分为两大类：直流和交流。 DC 状态为“直流电”，该定义重新组合了时间上恒定的信号：它们的幅度和符号（+ 或 -）保持不变。 AC 状态为“交流电”，这些信号以一定频率周期性地在正值和负值之间交替。 交流信号不应与随时间演变不呈现任何模式的可变信号相混淆。

在本文中，我们将分三个部分探讨交流波形。 在第一部分中，给出了交流信号的一般介绍以及相关的重要定义。 第二部分将更具体地讨论交流信号的生成以及交流电路中存在的重要组件。 最后，第三部分重点介绍交流电源应用，包括数学定义和交流信号在家庭电力分配中发挥的重要性。

1、概述

交流信号有多种形状，从正弦波到三角波、方波、斜波等……尽管形状各异，但它们呈现出一个重要的相似之处：周期性。 在图1 中，不同形状的交流波用蓝色表示，其周期性图案用红色表示，突出了周期性。

图1：不同类型的交流波形

现在我们可以引入两个相关且重要的定义：频率和周期。 如图 1 所示，每个信号的基本模式（红色）在一个时间单位（一秒）内再现五次。 该量称为频率 (f)，以赫兹或秒的倒数 (Hz=1/s) 表示。

周期 (T) 的定义类似，等于频率的倒数：$T=1/f$。 它表示基本模式的持续时间，在我们的示例中，我们可以看到该持续时间为 0.2 秒，实际上等于 $1/(5Hz)$。

值得一提的是，在图1所示的不同形状的交流信号中，正弦波是迄今为止使用最多的。 三角形或方形信号可以在特定领域中找到，例如在声学放大中。

此外，根据傅立叶的分析，正弦波具有成为任何其他交流信号的**构建块(building blocks)**的特性。 事实上，任何周期信号都可以写成一系列（无限和）正弦函数。 然而，可以通过该级数的第一项获得交流信号的近似值。 例如，如前一篇文章电子放大器介绍中已经提到的，图1中 f=5 Hz 的方波信号sq(t) 的前三项的近似值为：

公式1：方波信号的傅里叶级数

我们确实可以通过在同一张图上绘制原始平方信号及其近似值来确认这一点：

图2：方波信号的傅立叶逼近

2、交流发电

2.1 涡轮发电

在现代社会中，交流发电可以通过许多不同的基础设施来完成：水坝、核电站、燃煤电厂、风力涡轮机……尽管它们使用不同的能源，但这些基础设施产生的交流信号具有相同的原理。

产生交流电的方法称为涡轮发电，分两个步骤将一次能源（化石燃料、风、水运动……）转换为交流电信号。 中间步骤是将初级能量转化为涡轮机的旋转。 该生成的流程图如下图 3 所示：

图3：涡轮机交流发电流程图

如图 3 所示，能量转换基于涡轮机，涡轮机是一个机械部件，也是一种称为感应的电磁效应。

让我们澄清一下涡轮和电磁感应由什么组成。 无需过多讨论细节，涡轮机有两个主要部件：转子和定子。 转子是旋转的部件，这种旋转是由可以从我们的环境中获取的主要能源产生的。 定子是固定的，并作为一个环围绕着转子，定子中将产生交流能量。 该架构如图 4 所示：

图4：基于涡轮机的交流发电的简单视图

转子和定子都可以是具有产生恒定磁场特性的永磁体，也可以是当电流通过时产生相同磁场的电磁体。

定子中电信号的产生来自于转子旋转产生的可变磁场。 通过电信号在定子中产生相反的磁场，以缓和这一原因。 正是这种反作用的电信号成为交流电源。 这种效应被称为电磁感应或楞次定律。

2.2 变压器

在世界范围内，电力以交流形式从供应商分配到消费者。 正如我们将在下一节中看到的，这是特权和可能的原因是在交流电路中使用了变压器。

变压器由一个可以传输磁场的磁芯和两个对称位于磁芯周围的绕组（$N_1$ 和 $N_2$