直流電

圖示：直流電壓波形示意圖

　　“直流電”(Direct Current，簡稱DC)，又稱“恒流電”，恒定電流是直流電的一種，是大小和方向都不變的直流電，它是由愛迪生發現的。1747年，美國的富蘭克林根據實驗提出電荷守恒定律，并且定義了正電和負電的術語。

　　恒定電流是指大小(電壓高低)和方向(正負極)都不隨時間(相對范圍內)而變化，比如干電池。脈動直流電是指方向(正負極)不變，但大小隨時間變化，比如：我們把50Hz的交流電經過二極管整流后得到的就是典型脈動直流電，半波整流得到的是50Hz的脈動直流電，如果是全波或橋式整流得到的就是100Hz的脈動直流電，它們只有經過濾波(用電感或電容)以后才變成平滑直流電，當然其中仍存在脈動成分(稱紋波系數)，大小視濾波電路的濾波效果。

　　實際上所有的電子和計算機硬件都需要直流電來工作。大多數的固態設備都需要從1.5到13.5伏特范圍的電壓。對電流的需求范圍從電子手表中接近于0到無線通信能源放大器需要的超過100安培。使用真空管的設備，例如高能無線廣播或者電視廣播傳輸器或者陰極射線管(CRT)顯示，都需要大約150伏特到幾千伏特的直流電。

　　在大多數國家，從設備中流出的電流是交流(AC)的。交流電可以被轉換為直流電，通過由轉換器、整流器(阻止電流反方向流動)，以及過濾器(消除整流器流出的電流中的跳動)組成的電源。

圖示：直流電路示意圖

01電流

　　直流電路中：

　　電流的實際方向：規定為正電荷運動的方向。

02電位

　　電場力將單位正電荷從電路的某一點移至參考點時所消耗的電能；

　　參考點的電位為0；

　　直流電路中電位用V表示，單位為伏【特】(V);

　　參考點選擇：

　　選大地為參考點：

　　選元件匯集的公共端或公共線為參考點：

03電壓

　　電場力將單位正電荷從電路某一點移至另一點時所消耗的電能；

　　電壓就是電位差；

　　直流電路中電壓用U表示，單位為伏【特】(V)；

　　Us是電源兩端的電壓，Ul是負載兩端的電壓。

04電動勢

　　電源中的局外力(非電場力)將單位正電荷從電源負極移至電源正極時所轉換而來的電能稱為電源的電動勢;

　　符號：E或e，單位：V；

　　電動勢的實際方向：由地電位指向高電位。

05電功率

　　單位時間內所轉換的電能；

　　符號：P(直流電源)；

　　單位：W；

　　電源產生的功率：PE=E*I；

　　電源輸出的功率：PUs=Us*I；

　　負載取用的功率：PL=UL*I。

06電能

　　定義：在時間t內轉換的電功率稱為電能：W=Pt；

　　符號：W(直流電路)；

　　單位：J；

　　單位轉換：千瓦時(KW.h)；

　　1千瓦時為1度電，1KW.h=3.6*10^6J。

01交流電

　　交流電定義：強度與方向都隨時間做周期性變化的電流叫做交變電流，簡稱交流電。電流的方向、大小會隨時間改變。發電廠的發電機是利用動力使發電機中的線圈運轉，每轉180°發電機輸出電流的方向就會變換一次，因此電流的大小也會隨時間做規律性的變化，此種電源就稱為"交流電源"。簡記為AC，如：家用電源。

　　交流電是用交流發電機發出的，在發電過程中，多對磁極是按一定的角度均勻分布在一個圓周上，使得發電過程中，各個線圈就切割磁力線，由于具有多對磁極，每對磁極產生的磁力線被切割產生的電壓、電流都是按弦規律變化的，所以能夠不斷的產生穩定的電流。國內交流電的頻率一般是50赫茲，即每秒變化50次。有些國家交流電的頻率是60赫茲，即每秒變化60次。當然也有其它頻率，如電子線路中有方波的、三角形的等，但這些波形的交流電不是導體切割磁力線產生的，而是電容充放電、開關晶體管工作時產生的。

02直流電

　　直流電則是電流方向不隨時間做周期性變化的電流。通常又分為脈動直流電和穩恒電流。脈動直流電中有交流成分，如彩電中的電源電路中大約300伏左右的電壓就是脈動直流電成分可通過電容去除。穩恒電流則是比較理想的，大小和方向都有不變。

03交流電、直流電對比

　　電網公司一般使用交流電方式送電，但有高壓直流電用于遠距離大功率輸電、海底電纜輸電、非同步的交流系統之間的聯絡等。高壓直流輸電方式與高壓交流輸電方式相比，有明顯的優越性。歷史上僅僅由于技術的原因，才使得交流輸電代替了直流輸電。

　　下面先就交流電和直流電的主要優缺點作出比較，從而說明它們各自在應用中的價值。交流電的優點主要表現在發電和配電方面：利用建立在電磁感應原理基礎上的交流發電機可以很經濟方便地把機械能(水流能、風能……)、化學能(石油、天然氣……)等其他形式的能轉化為電能;交流電源和交流變電站與同功率的直流電源和直流換流站相比，造價大為低廉;交流電可以方便地通過變壓器升壓和降壓，這給配送電能帶來極大的方便。這是交流電與直流電相比所具有的獨特優勢。直流電的優點主要在輸電方面：

　　(1)輸送相同功率時，直流輸電所用線材僅為交流輸電的2/3～l/2。直流輸電采用兩線制，以大地或海水作回線，與采用三線制三相交流輸電相比，在輸電線載面積相同和電流密度相同的條件下，即使不考慮趨膚效應，也可以輸送相同的電功率，而輸電線和絕緣材料可節約1/3。

　　如果考慮到趨膚效應和各種損耗(絕緣材料的介質損耗、磁感應的渦流損耗、架空線的電暈損耗等)，輸送同樣功率交流電所用導線截面積大于或等于直流輸電所用導線的截面積的1.33倍.因此，直流輸電所用的線材幾乎只有交流輸電的一半。同時，直流輸電桿塔結構也比同容量的三相交流輸電簡單，線路走廊占地面積也少。

　　(2)在電纜輸電線路中，直流輸電沒有電容電流產生，而交流輸電線路存在電容電流，引起損耗。在一些特殊場合，必須用電纜輸電。例如高壓輸電線經過大城市時，采用地下電纜;輸電線經過海峽時，要用海底電纜。由于電纜芯線與大地之間構成同軸電容器，在交流高壓輸線路中，空載電容電流極為可觀.一條200kV的電纜，每千米的電容約為0.2μF，每千米需供給充電功率約3×103kw，在每千米輸電線路上，每年就要耗電2.6×107kw?h.而在直流輸電中，由于電壓波動很小，基本上沒有電容電流加在電纜上。

　　(3)直流輸電時，其兩側交流系統不需同步運行，而交流輸電必須同步運行。交流遠距離輸電時，電流的相位在交流輸電系統的兩端會產生顯著的相位差;并網的各系統交流電的頻率雖然規定統一為50Hz，但實際上常產生波動。這兩種因素引起交流系統不能同步運行，需要用復雜龐大的補償系統和綜合性很強的技術加以調整，否則就可能在設備中形成強大的循環電流損壞設備，或造成不同步運行的停電事故。在技術不發達的國家里，交流輸電距離一般不超過300km而直流輸電線路互連時，它兩端的交流電網可以用各自的頻率和相位運行，不需進行同步調整。

　　(4)直流輸電發生故障的損失比交流輸電小。兩個交流系統若用交流線路互連，則當一側系統發生短路時，另一側要向故障一側輸送短路電流。因此使兩側系統原有開關切斷短路電流的能力受到威脅，需要更換開關。而直流輸電中，由于采用可控硅裝置，電路功率能迅速、方便地進行調節，直流輸電線路上基本上不向發生短路的交流系統輸送短路電流，故障側交流系統的短路電流與沒有互連時一樣。因此不必更換兩側原有開關及載流設備。

　　(5)直流輸電輸送容量大,輸送功率的大小和方向可以快速控制和調節。

　　(6)直流輸電可分期建設，分期投入運行，先建一極，并與大地和海水構成回路，待負荷增大后，再建另一極,相應可以更快的收回投資成本，優勢非常明顯。

　　(7)直流輸電網不存在交流輸電網固有的穩定問題。現有交流大電網存在安全穩定性問題，具有間歇性和波動性特點的可再生能源大量接入電網后，電網的安全穩定性、輸送能力的提升、雙向功率流動與控制等都將面臨更大的挑戰。如果仍然以交流模式為主導，則電網的不可預知性和安全穩定性問題將會更加突出。