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因?yàn)檩旊娋€上的功率損耗正比于電流的平方(焦耳定律Q=I^2Rt),所以在遠(yuǎn)距離輸電時(shí)就要利用大型電力變壓器升高電壓以減小電流,使導(dǎo)線減小發(fā)熱,方能有效地減少電能在輸電線路上的損失。由發(fā)電廠發(fā)出的電功率是一定的,它決定于發(fā)電機(jī)組的發(fā)電能力。
我們可以從下面看到遠(yuǎn)程輸電的分析思路:
輸電→導(dǎo)線(電阻)→發(fā)熱→損失電能→減小損失
輸電要用導(dǎo)線,導(dǎo)線當(dāng)然有電阻,如果導(dǎo)線很短,電阻很小可忽略,而遠(yuǎn)距離輸電時(shí),導(dǎo)線很長,電阻大不能忽略。
如何減小導(dǎo)線發(fā)熱呢?
由焦耳定律Q=I^2Rt,減小發(fā)熱Q有以下三種方法:一是減小輸電時(shí)間t,二是減小輸電線電阻R,三是減小輸電電流I??梢钥闯?,第三種辦法是很有效的:電流減小一半,損失的電能就降為原來的四分之一。要減小電能的損失,必須減小輸電電流,另一方面,輸電就是要輸送電能,輸送的功率必須足夠大,才有實(shí)際意義。根據(jù)公式P=UI,要使輸電電流I減小,而輸送功率P不變(足夠大),就必須提高輸電電壓U。
顯然,高壓輸送經(jīng)濟(jì)。當(dāng)用高電壓把電能輸送到用電區(qū)后,需要逐次把電壓降至380伏特和220伏給用戶。這要靠降壓變壓器的功能。遠(yuǎn)程輸電是變壓器的一大功能。
將交流電變成直流電的過程叫做“交流電整流”。整流可分為半波整流、全波整流、橋式整流等幾種形式。通常的整流裝置都是利用電子管和晶體二極管的單向?qū)щ姷男阅軄碚鞯摹@?,用鍺、硅等半導(dǎo)體材料做成的整流器,已在許多方面得到廣泛應(yīng)用。為了適應(yīng)較高電壓的整流,可將許多單個(gè)整流器串聯(lián)在一起封在一塊絕緣材料中,稱之為“硅堆”。整流器可將交流負(fù)半周的波形除去,使交流變成脈動(dòng)直流。因此通過整流后的輸出波形,只含有正弦波的正半周波形。一個(gè)理想的整流器可視為一個(gè)開關(guān),正半周的交流輸入時(shí),就有電壓輸出,如同開關(guān)接通一樣;反之,如果負(fù)半周交流輸入,則無電壓輸出,也就相當(dāng)于開關(guān)切斷一樣。所以當(dāng)正半周的交流輸入,此開關(guān)的有效電阻為零;而在負(fù)半周的交流輸入時(shí),有效電阻為無窮大。實(shí)際上的整流器,不可能這樣理想,但相差不遠(yuǎn)。電子管整流器未導(dǎo)電時(shí),其電阻*,此時(shí)的電阻稱為逆向電阻;整流器導(dǎo)電時(shí),其電阻很小,此時(shí)的電阻為順向(正向)電阻。無論任何情況,所有的整流器都只允許一個(gè)方向?qū)щ?。此種特性稱為單向傳導(dǎo)或單向特性,二極管(包括晶體管)就具有此種單向特性。任何含有射極或陰極及集極或陽極的電子另件,都稱為二極體(包括電子二極管和晶體二極管)。因?yàn)槎O體中的電子只能向一個(gè)方向流。故所有二極體都有整流特性。
一種對(duì)交流整流的電路。在這種整流電路中,在半個(gè)周期內(nèi),電流流過一個(gè)整流器件(比如晶體二極管),而在另一外一個(gè)半周內(nèi),電流流經(jīng)第二個(gè)整流器件,并且兩個(gè)整流器件的連接能使流經(jīng)它們的電流以同一方向流過負(fù)載。如圖3-63所示即為一個(gè)全波整波的電路。圖3-64為其整流前后的波形。與半波整流所不同的,是在全波整流中利用了交流的兩個(gè)半波,這就提高了整流器的效率,并使已整電流易于平滑。因此在整流器中廣泛地應(yīng)用著全波整流。在應(yīng)用全波整流器時(shí)其電源變壓器必須有中心抽頭。圖3-63中的O點(diǎn)為中心抽頭,于是a對(duì)O,與b對(duì)O的電壓,具有180°相差,當(dāng)變壓器的輸出電壓處于正半周時(shí)(a正b負(fù),O點(diǎn)的電勢(shì)介于a、b之間,此時(shí)D1管因加的是正電壓而導(dǎo)通,D2因加的是反向電壓而截止,此時(shí)電流方向是由a線過D1.R到O,如圖中實(shí)線箭頭方向所示。當(dāng)變壓器輸出的交變電壓處于負(fù)半周時(shí),則a端為負(fù),b端為正,二極管D1截止而D2導(dǎo)通。這時(shí)電流方向是由b經(jīng)D2.R到O,如圖中虛線箭頭所示??梢?,無論正半周或負(fù)半周,通過負(fù)載電阻R的電流方向總是相同的。圖3-64是全波整流的波形。全波整流使交流電的兩半周期都得到了利用。其各項(xiàng)整流因數(shù)則與半波整流時(shí)不同。設(shè)變壓器次極每邊電壓為Um則有
橋式整流為一全波整流,可變交流電壓為較高直流電壓,它不需要變壓器有中心抽頭。四個(gè)晶體二極管如圖3-65所示的接法便構(gòu)成一個(gè)橋式整流電路。四個(gè)整流器(晶體管)將輸入交流電和負(fù)載連接在一起。當(dāng)交流輸入電壓為正時(shí),電流由輸入的一邊,經(jīng)一個(gè)整流器、負(fù)載,再經(jīng)另一個(gè)整流器,流至輸入的另一邊。當(dāng)交流輸入電壓的負(fù)半周時(shí),電流流經(jīng)另一對(duì)整流器和負(fù)載。在這輸入電壓正和負(fù)的半周時(shí),經(jīng)過負(fù)載的電流方向相同。所以可在負(fù)載上產(chǎn)生脈沖直流電壓。在實(shí)際的橋式整流電路中,四個(gè)整流器連接成一個(gè)整體,由外面聯(lián)成橋式電路(即只要外面留出四個(gè)接線點(diǎn),其中兩頭接電源,兩頭接負(fù)載)。橋式整流克服了半波整流和全波整流的利用率不高的缺點(diǎn)。在無線電技術(shù)和電氣工程中廣泛采用橋式整流電路。
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