第1节 Single-phase Power Systems (修订中)
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单相电源系统示意图几乎没有说明实际电源电路的接线。
如上图所示，是一个非常简单的交流电路 (opens new window)。如果负载电阻的功耗很大，我们可以将其称为“电源电路”或“电源系统”，而不是将其视为普通电路。
“电源电路”和“常规电路”之间的区别似乎是任意的，但实际问题绝对不是。
# 1. 实用电路分析
其中一个问题是从交流电源向负载供电所需的布线尺寸和成本。通常，如果我们只是为了了解电定律而分析电路，我们不会过多考虑这类问题。
然而，在现实世界中，这可能是一个主要问题。如果我们给上述电路中的电源一个电压值，同时给两个负载电阻器的功耗值，我们可以确定这个特定电路的接线需求：
实际上，120 Vac 下 20 kW 负载的接线相当大（167 A）。
上图中每个负载电阻为 83.33 安培，总电路电流为 166.66 安培。这是不小的电流，需要至少 1/0 规格的铜线导体。
这种线的直径远远超过 1/4 英寸（6 毫米），重量超过 300 磅/千英尺。请记住，铜也不便宜！如果我们正在设计一个具有长导体长度的电力系统，那么找到将此类成本降至最低的方法将符合我们的最大利益。
做到这一点的一种方法是增加电源的电压 (opens new window)，并使用在这个更高电压下每个消耗 10 kW 的负载。
当然，负载必须具有更大的电阻值才能在比以前更大的电压下消耗与以前相同的功率（每个 10 kW）。
优点是所需的电流更少，允许使用更小、更轻、更便宜的电线：
与 120 Vac (83 A) 相比，240 Vac 下相同的 10 kW 负载所需的接线更少。
现在我们的_总_电路电流为 83.33 安培，是之前的一半。
我们现在可以使用 4 号线，它的重量不到 1/0 号线每单位长度的一半。这在不降低性能的情况下显著降低了系统成本。
这就是配电系统设计人员选择使用非常高的电压（数千伏）传输电力的原因：以利用通过使用更小、更轻、更便宜的电线所实现的节省。
# 2. 增加源电压的危险
然而，该解决方案并非没有缺点。电源电路的另一个实际问题是高压电击危险。
同样，这通常不是我们在学习电力定律时所关注的事情，但它在现实世界中是一个非常有效的关注点，尤其是在处理大量电力时。
通过提高电路电压实现的效率增益给我们增加了触电的危险。配电公司通过沿着高杆或高塔将电力线串起来并用大型瓷绝缘子将线路与支撑结构绝缘来解决这个问题。
在使用点（电力客户），仍然存在使用什么电压为负载供电的问题。
高压通过降低导体电流来提高系统效率，但在使用点将电源线保持在无法触及的地方可能并不总是可行的，因为它可以在配电系统中被抬高到无法触及的地方。
这种效率和危险之间的权衡是欧洲电力系统设计人员决定冒险的，他们所有的家庭和电器都在 240 伏的标称电压下运行，而不是像北美那样的 120 伏。
这就是为什么从美国到欧洲旅游的游客必须为他们的便携式设备携带小型降压变压器，将 240 VAC（交流伏）电源降压到更合适的 120 VAC。
# 3. 向消费者提供电压的解决方案
# 3.1. 用电终端降压变压器
有没有办法同时实现提高效率和降低安全隐患的优势？
一种解决方案是在用电终端安装降压变压器，就像美国游客在欧洲时必须做的那样。
然而，除了非常小的负载（可以廉价地构建变压器）或非常大的负载（粗铜线的费用将超过变压器的费用）之外，这对于任何东西来说都是昂贵且不方便的。
# 3.2. 两个低压负载串联
另一种解决方案是使用更高电压的电源为两个串联的低压负载供电。这种方法结合了高压系统的效率和低压系统的安全性：
串联连接的 120 Vac 负载，由 240 Vac 电源驱动，总电流为 83.3 A。
注意显示的每个电压的极性标记（+ 和 -），以及电流的单向箭头。
在大多数情况下，我避免在我们一直在分析的交流电路中标记“极性”，尽管该符号对于提供相位参考框架是有效的。
在本章后面的部分中，相位关系将变得非常重要，所以我在本章的开头就介绍了这个符号，以便您熟悉。
通过每个负载的电流与简单的 120 伏电路中的电流相同，但电流不是相加的，因为负载是串联的而不是并联的。
每个负载两端的电压只有120伏，不是240，所以安全系数更好。请注意，我们的电力系统线路仍然有 240 伏的电压，但_每个负载_都在降低的电压下运行。
如果有人会感到震惊，很可能是与特定负载的导体接触，而不是与电力系统的主线接触。
# 4. 对两个负载系列设计的修改
这种设计只有一个缺点：一个负载开路失败或被关闭（假设每个负载都有一个串联的开/关开关来中断电流）的后果不好。
作为串联电路，如果任一负载打开，电流也会在另一个负载中停止。为此，我们需要稍微修改一下设计：（下图）
添加中性导体可以单独驱动负载。
# 5. 分相电力系统
我们不是使用单个 240 伏电源，而是使用两个 120 伏电源（彼此同相！）串联产生 240 伏电压，然后将第三根电线连接到负载之间的连接点以处理一个负载的可能性开幕。
这称为_分相_电力系统。三根较小的电线仍然比简单并联设计所需的两根电线便宜，因此我们在效率方面仍然领先。
精明的观察者会注意到，中性线只需将两个负载之间的电流_差_传送回电源。
在上述情况下，在完全“平衡”的负载消耗等量功率的情况下，中性线承载零电流。
请注意中性线如何在电源端连接到大地。这是包含“中性”线的电力系统中的一个常见特征，因为将中性线接地可确保在任何给定时间任何“热”线和大地之间的电压尽可能低。
分相电力系统的一个重要组成部分是双交流电压源。幸运的是，设计和建造一个并不困难。
由于大多数交流系统无论如何都从降压变压器接收电力（将电压从高配电水平降压到用户级电压，如 120 或 240），因此该变压器可以使用中心抽头次级绕组构建：
美国 120/240 Vac 电源来自中心抽头公用变压器。
如果交流电源直接来自发电机（交流发电机），则线圈可以类似地在中心抽头以达到相同的效果。在变压器或交流发电机绕组中包含中心抽头连接的额外费用是最小的。
这是（+）和（-）极性标记真正变得重要的地方。这种表示法通常用于参考_多个_交流电压源的相位，因此很清楚它们是相互帮助（“提升”）还是相互对抗（“降压”）。
如果没有这些极性标记，多个交流电源之间的相位关系可能会非常混乱。请注意，示意图中的分相源（每个 120 伏 ∠ 0°），带有极性标记（+）到（-），就像串联辅助电池一样，也可以这样表示：（下图）
分相 120/240 Vac 电源相当于两个串联辅助 120 Vac 电源。
为了从数学上计算“热”线之间的电压，我们必须_减去_电压，因为它们的极性标记表明它们彼此相反：
如果我们用相同的极性标记 (-) 标记两个源的公共连接点（中性线），我们必须将它们的相对相移表示为相隔 180°。否则，我们将表示两个相互直接对立的电压源，这将在两个“热”导体之间产生 0 伏电压。
为什么我要花时间详细说明极性标记和相位角？在下一节中会更有意义！
美国家庭和轻工业中的电力系统通常是分相系统，提供所谓的 120/240 VAC 电力。术语“分相”仅指这种系统中的分压电源。
在更一般的意义上，这种交流电源被称为_单相_，因为两个电压波形彼此同相或同步。
术语“单相”是另一种称为“多相”的电力系统的对立面，我们将对其进行详细研究。对导致本章标题主题的冗长介绍表示歉意。
如果首先对单相系统有很好的了解，多相电力系统的优势就会更加明显。
# 6. 总结
- _单相_电力系统定义为只有一个电压波形的交流电源。
- _分相_电力系统是一个具有多个（同相）交流电压源串联连接的系统，通过多于两根电线以多于一个电压向负载供电。它们主要用于实现系统效率（低导体电流）和安全性（低负载电压）之间的平衡。
- 通过对变压器或交流发电机的线圈绕组进行中心抽头，可以轻松创建分相交流电源。
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