变压器及电能的输送

变压器及电能的输送变压器及电能的输送 目标认知目标认知 学习目标学习目标 1 知道原线圈 初级线圈 副线圈 次级线圈 的概念 2 知道理想变压器的概念 记住电压与匝数的关系 3 知道升压变压器 降压变压器概念 4 会用及 I1U1 I2U2 理想变压器无能量损失 解题 5 知道电能输送的基本要求及电网供电的优点 6 分析论证 为什么在电能的输送过程中要采用高压输电 7 会计算电能输送的有关问题 8 了解科学技术与社会的关系 学习重点学习重点 1 理想变压器改变电流和电压的计算 即应用及 I1U1 I2U2进行计算和分析 2 理解高压输电的意义并能分析 解决有关高压输电的一些简单问题 学习难点学习难点 1 对变压器的动态工作原理的理解 2 远距离输电过程负载发生变化时引起各个物理量变化的动态分析 尤其是能量传递 和转化的动态分析 知识要点梳理知识要点梳理 知识点一 变压器的构造和工作原理知识点一 变压器的构造和工作原理 要点诠释 要点诠释 1 1 变压器的构造 以单相变压器为例 变压器的构造 以单相变压器为例 闭合铁芯 用导磁性能良好的硅钢片叠合而成 用来提供原线圈共同的封闭的磁路 原线圈中电 流产生的磁场认为全部通过闭合铁芯 彼此绝缘的硅钢片是用来减少涡流造成电能的损失 原线圈 又叫初级线圈 和副线圈 又叫次级线圈 原副线圈大都由绝缘铜导线绕制而成 套在闭合铁芯上 有大电流的线圈铜导线的截 面积要大一些 其它部分 大功率变压器要放在盛有绝缘油的钢筒内 并带有散热管 以便有效地将原副线圈以 及铁芯中产生的焦耳热释放出去 防止温度过高烧坏变压器 同时提高线圈间的绝缘性能 2 2 变压器的构造和工作原理 变压器的构造和工作原理 简而言之 变压器是根据电磁感应现象中的互感原理制成并改变交流电压和电流的 具体说来 当原线圈中通有交变电流时就会在闭合铁芯中产生变化的磁通量 这个变 化的磁通量完全穿过绕在同一铁芯上的副线圈 便在副线圈中产生出感应电动势 如果副 线圈上接有负载构成闭合回路 那么副线圈中便产生了感应电流 感应电流产生的磁通量 反过来影响原线圈在闭合铁芯中的磁通量 如此相互作用实现电能从原线圈转移到副线圈 同时获得所需要的电压和电流 说明 说明 变压器只能改变变化的电流或电压 不能改变恒定电流或电压 知识点二 理想变压器变压 变流的规律知识点二 理想变压器变压 变流的规律 要点诠释 要点诠释 1 1 实际变压器 实际变压器 从副线圈输出电能的功率 P出 I2U2小于从原线圈输入电能的功率 P入 I1U1 即 P出 P 入 变压器在传输电能的过程中有电能损失 能量损耗的原因 原副线圈中有电阻 当有电流通过时发热 电能转化为热 铁芯中不可避免的存在涡流 使输入的电能转化为热 原副线圈及铁芯都存在漏磁现象 有一部分磁场不通过铁芯引起感应电流 2 2 理想变压器 理想变压器 从副线圈输出电能的功率 P出 I2U2等于输入电能的功率 P入 I1U1 即 P出 P入或写成 U1I1 U2I2 对于副线圈不只一个的情形 I1U1 I2U2 I3U3 说明 说明 理想变压器是一个理想化模型 是实际变压器的一种简化 因为大型变压器电能传 输效率都很高 忽略了很小部分的能量损失 使问题的分析讨论更加简单 理想变压器忽略了在原副线圈 铁芯中的电能损失 忽略了线圈和铁芯的漏磁现象 理想变压器的重要特点是 a 通过原线圈的磁通量和通过副线圈的磁通量相等 即 b 3 3 理想变压器变压 变流规律推导与讨论 理想变压器变压 变流规律推导与讨论 1 1 电动势关系 电动势关系 由于互感现象 没有漏磁 原 副线圈中具有相同的磁通量的变化率 如图根据 法拉第电磁感应定律 原线圈中 副线圈中 所以有 2 2 电压关系 电压关系 由于不计原 副线圈的电阻 因此原线圈两端的电压 U1 E1 副线圈两端的电压 U2 E2 所以 无论副线圈一端是空载还是有负载 都是适用的 输出电压 U2仅由输入电压 U1和原 副线圈的匝数比共同决定 即 与负载个数 电阻大小无关 若变压器有两个副线圈 则有 所以有 或 据知 当 n2 n1时 U2 U1 这种变压器称为升压变压器 当 n2 n1时 U2 U1 这种变压器称为降压变压器 3 3 功率关系 功率关系 由于理想变压器 不考虑能量损失 4 4 电流关系 电流关系 当只有一个副线圈时 由功率关系 I1U1 I2U2得 同理当有多个副线圈时由 I1U1 I2U2 I3U3 得 I1n1 I2n2 I3n3 知识点三 变压器分类与用途知识点三 变压器分类与用途 要点诠释 要点诠释 1 1 按照变压器使用目的来分 按照变压器使用目的来分 可分为 1 变压 升压变压器和降压变压器 2 变流 使输出电流变大或变小 3 变阻抗 使输出阻抗变大或变小 此作用在高中阶段讨论较小 2 2 按用途 按用途 可以分为 1 可调变压器 自耦变压器便是其中的一种 2 固定变压器 只能输出固定电压 3 互感器 测量高电压 大电流的变压器 分类 电压互感器 如图甲 和电流互感器 如图乙 电压互感器 如图甲所示 原线圈并联在高压电路中 副线圈接电压表 互感器将 高电压变为低电压 通过电压表测低电压 结合匝线比可计算出高压电压的电压值 电流互感器 如图乙所示 原线圈串联在待测高电流电路中 副线圈接电流表 互 感器将大电流变成小电流 通过电流表测出小电流 结合匝数比可计算出大电流电路 的电流值 知识点四 理想变压器各物理量变化的决定因素知识点四 理想变压器各物理量变化的决定因素 要点诠释 要点诠释 当理想变压器的原 副线圈的匝数不变时 如果变压器的负载发生变化 确定其他物 理量变化时 可依据下列原则判定 1 1 输入电压 输入电压 U U1 1决定输出电压决定输出电压 U U2 2 这是因为输出电压 当 U1不变时 不论负载电阻 R 变化与否 U2不会改变 2 2 输出电流 输出电流 I I2 2决定输入电流决定输入电流 I I1 1 在输入电压 U1一定的情况下 输出电压 U2也被完全确定 当负载电阻 R 增大时 I2减 小 则 I1相应减小 当负载电阻 R 减小时 I2增大 则 I1相应增大 在使用变压器时 不 能使变压器次级短路 3 3 输出功率 输出功率 P P2 2决定输入功率决定输入功率 P P1 1 理想变压器的输出功率与输入功率相等 即 P2 P1 在输入电压 U1一定的情况下 当 负载电阻 R 增大时 I2减小 则变压器输出功率 P2 I2U2减小 输入功率 P1也将相应减小 当负载电阻 R 减小时 I2增大 变压器的输出功率 P2 I2U2增大 则输入功率 P1也将增大 知识点五 输电导线上的功率 电能 损失和减小损失的方法知识点五 输电导线上的功率 电能 损失和减小损失的方法 要点诠释 要点诠释 1 1 输送电能的基本要求 输送电能的基本要求 1 可靠 电路可靠工作少有故障 2 保质 保证电能的质量 电压和频率稳定 3 经济 线路建造和运行费用低 电能损耗少 2 2 输电导线上的功率损失 输电导线上的功率损失 1 1 输电导线上的功率损失 输电导线上的功率损失 由于输电导线有电阻 在输电过程中必有一部分电能要转化成热能而损失掉 设输电 导线中电流为 I 输电导线的电阻为 R 则输电导线上的功率损失为 P I2R 2 2 减小输电导线上的功率损失的两种方法 减小输电导线上的功率损失的两种方法 减少输电导线上的电阻 R 由电阻定律可知 距离一定 选用电阻率小的金属做导线 增大导线横截 面积 S 可减小电阻 减小输电导线的电流 由 P UI 可知 当传输功率 P 一定时 升高电压可以减小输电导线上的电流 3 3 远距离输电 远距离输电 高压输电高压输电 1 近距离输电可以采用增大导线截面积 减小电阻的方法来减少电能损失 这样可 以减少使用变压器的投资 符合经济的原则 2 远距离输电 采用高压输电减小线路上的电流 可以减小输电导线的截面积以减 少输电导线的投资 符合经济的原则 知识点六 远距离输电的基本电路和电压损失 功率损失的计算知识点六 远距离输电的基本电路和电压损失 功率损失的计算 要点诠释 要点诠释 1 1 远距离输电的基本电路 远距离输电的基本电路 由于发电机本身的输出电压不可能很高 所以采用高压输电时 在发电站内需用升压 变压器升压到几百千伏后再向远距离送电 到达用电区再用降压变压器降到所需的电压 基本电路如图所示 2 2 输电线路上的功率损耗和电压损失 输电线路上的功率损耗和电压损失 如上图所示 设电路的输电电流为 I线 输送功率 则 输电线路上损失的电压 输电线路上损失的电功率 结论 结论 输电电压提高到原来的 n 倍时 输电线路上电压损失降低到原来的 输 电线路上电功率的损失降低到原来的 规律方法总结规律方法总结 1 1 对变压器进行计算的几个常用关系 对变压器进行计算的几个常用关系 1 1 变压规律 变压规律 只有一个副线圈 多个副线圈 说明 说明 副线圈上的电压与匝数成正比 而原线圈上的电压与匝数无关 绕在闭合铁芯上的每一匝线圈上的电压相等 2 2 变流规律 变流规律 只有一个副线圈 多个副线圈 理想变压器 2 2 远距离高压输电的几个基本关系 以图为例 远距离高压输电的几个基本关系 以图为例 1 1 功率关系 功率关系 P1 P2 P3 P4 P2 P线 P3 2 2 电压 电流关系 电压 电流关系 U2 U线 U3 I2 I3 I线 3 3 输出电流 输出电流 4 4 输电导线上损耗的电功率 输电导线上损耗的电功率 说明 说明 计算输电线路上的损失功率和用户得到的功率 要弄清下列两组概念的区别和联系 输电电压 U 线路损失电压 U 和用户得到电压 U 输送功率 P 线路损失功率 P 和用户得到功率 P 典型例题透析典型例题透析 类型一 理想变压器电流 电类型一 理想变压器电流 电 压的计算压的计算 1 1 如图为理想变压器 其初级线圈在交流电源上 次级线圈接有一标有 12V 100W 的灯泡 已知变压器初 次级线圈的匝数比为 18 1 那么小灯泡正常工作时 图 中的电压表的读数为 V 电流表的读数为 A 解析 解析 由图可知 两电表的读数均为初级线圈的电压值和电流值 由公式得 由公式得 答案 答案 216 0 46 总结升华 总结升华 关于变压器的计算中涉及的电流 电压都是指交流电的有效值 变式练习变式练习 变式变式 如图所示 理想变压器的原 副线圈的匝数比为 n1 n2 2 1 A B 为完全 相同的灯泡 电源电压为 U 则灯泡 B 两端电压为 A B 2 U C D 解析 解析 设灯泡电阻为 R 则原线圈电压 U1 U I1R 副线圈电压 U2 I2R 又 n1 n2 2 1 联立以上各式得 选 D 答案 答案 D 总结升华 总结升华 原线圈直接与电源相连的变压器 原线圈的电压等于电源电压 原线圈与 电源之间接有用电器时 两个电压不等 应引起注意 有些学生易将电压 U 误认为是变压 器的输入电压 类型二 对变压器变压规律的理解类型二 对变压器变压规律的理解 2 2 如图所示为一理想变压器 原线圈的输入电压 U1 3300V 副线圈的输出电压 U2 220V 绕过铁芯的导线所接的电压表的示数 U0 2V 则 1 原 副线圈的匝线各是多少 2 当 S 断开时 A2的示数 I2 5A 那么 A1的示数是多少 解析 解析 1 根据变压比 及有 2 由其是理想变压器有 即 总结升华 总结升华 电压表测量的电压是一匝线圈的感应电动热 它和绕在闭合铁芯上的任一 线圈上的一匝上的电压都相等 变式练习变式练习 变式变式 在例 2 中如果让 S 闭合 A2和 A1的示数如何变化 解析 解析 由理想变压器的特点知 在只有一个副线圈中有电流时 所以 I1正比于 I2 当 S 闭合时 I2变大 I1也随之变大 故 A1 A2的示数都变大 误区警示 误区警示 I1 I2分别与它们线圈匝数成反比 切不可误认为 I1与 I2成反比 类型三 理想变压器工作过程动态分析类型三 理想变压器工作过程动态分析 3 3 如图所示 理想变压器的副线圈上通过输电线接有两个相同的灯泡 L1和 L2 输电线的等效电阻为 R 开始时 开关 S 断开 当 S 接通时 以下说法中正确的是 A 副线圈两端 M N 输出电压减小 B 副线圈输电线等效电阻 R 上的电压增大 C 通过灯泡 L1的电流减小 D 原线圈中的电流增大 答案 答案 BCD 解析 解析 当开关 S 闭合后 L2与 L1相并联 使副线圈的负载电阻总阻值变小 此时 M N 间的输出电压不变 副线圈中的总电流 I2增大 电阻 R 上的电压降 UR I2R 亦大增 灯泡 L1承受的电压减小 L1中的电流减小 故 B C 正确 I2的增大 导致原线圈中的电 流 I1相应增大 故 D 正确 题型四 远距离输电的计算题型四 远距离输电的计算 4 4 远距离输送交流电都采用高压输电 我国正在研究用比 300 kV 高得多的电压进行输电 采用高压输电的优点是 A 可节省输电线的铜材料 B 可根据需要调节交流电的频率 C 可减少输电线上的能量损失 D 可加快输电的速度 解析 解析 由 P IU 得 输送的电功率 P 一定 采用高压输电 U 大则 I 小 输电线 中的电流就小 由 在要求输电线损耗一定的情况下 就可选电阻率略大一点 的材料作导线 若输电线确定 则可减少输电线上的能量损失 故 A C 选项正确 交流电 的频率是固定的 不需调节 输电的速度就是电磁波的传播速度 是一定的 故 B D 选项 不正确 答案 答案 A C 变式练习变式练习 变式变式 水电站给远处山村送电的输出功率是 110 kW 用 2000 V 电压输电 线路 上损失的功率是 2 5 104W 如果改用 20000V 高压输电 线路上损失的功率是 W 解析 解析 用 U1 2000V U2 20000V 输电时的输电电流和线路功率损失分别为 两者相比得 答案 答案 250W 总结升华 总结升华 采用不同电压输电的过程中不变的是输电线上的电阻和所要输出的功率 改用高压输电会减少线路上的损失 若将线路上损失的功率用来计算 这是错误 的 用此公式计算的时候 U 必须是输电线上的电压 U线 而不是输电电压 U 5 5 有一台内阻为 1 的发电机 供给一个学校照明用电 如图所示 升压变压 器匝数为 1 4 降压变压器的匝数比为 4 1 输电线的总阻 R 4 全校共 22 个班 每 班有 220V 40W 的灯 6 盏 若保证全部电灯正常发光 则 1 发电机输出功率多大 2 发电机电动势多大 3 输电效率是多少 思路点拨 思路点拨 该题全面考查变压器的原理 电流比 电压比 电功率计算和闭合电路 欧姆定律等内容 题中未加特别说明 变压器即视为理想变压器 由于发电机至升压变压 器及降压变压器至学校间距离较短 不必考虑这两部分输电导线上的功率损耗 发电机的 电动势 E I1r U1 一部分为内电压 I1r 另一部分为发电机的路端电压 U1 升压变压器副 线圈电压 U2的一部分降在输电线上 即 I2R 其余的就是降压变压器原线圈的电压