人教版选修11 变压器 高压输电 第1课时 学案.docx

1.4变压器1.5高压输电学习目标：1.进一步理解变压器原理及规律.2.熟练应用变压器原、副线圈的决定因素解决动态分析问题.3.熟悉远距离输电中的各物理量关系和损耗问题，熟练解决远距离高压输电中的实际问题重点：进一步理解变压器原理及规律难点：熟悉远距离输电中的各物理量关系和损耗问题，熟练解决远距离高压输电中的实际问题预习导学：变压器1构造：如图所示。变压器主要由闭合铁芯和绕在铁芯上的两个线圈组成。(1)原线圈：指与交流电源连接的线圈，也叫初级线圈。(2)副线圈：指与负载连接的线圈，也叫次级线圈。2工作原理：电磁感应的互感现象。3理想变压器的基本关系式(1)功率关系：p入p出。(2)电压关系：，若n1n2，为降压变压器；若n1n2，为升压变压器。(3)电流关系：只有一个副线圈时，；有多个副线圈时，u1i1u2i2u3i3unin。(4)无电能损失，因此p入p出，无论副线圈一个还是多个，总有u1i1u2i2u3i3，将电压关系代入可得n1i1n2i2n3i3。(5)变压器只能改变交变电流的电压和电流，不能改变交变电流的频率。4几种常用的变压器(1)自耦变压器(也叫调压变压器)。(2)互感器电压互感器，可以把高电压降为低电压；电流互感器，可以把强电流降为弱电流。远距离输电1输电过程(如图所示)2电压损失(1)uuu。(2)uir。3功率损失(1)ppp。(2)pi2r2r。4输送电流(1)i。(2)i。例1如图所示，理想变压器有两个副线圈，l1、l2是两盏规格为“8 v,10 w”的灯泡，l3、l4是两盏规格为“6 v,12 w”的灯泡，当变压器的输入电压为u1220 v时，四盏灯泡恰好都能正常发光，如果原线圈的匝数n11100匝，求：(1)副线圈的匝数n2、n3?(2)电流表的读数？(1)变压器的输入电压u1220 v是什么值？电流表的读数是什么值？提示：有效值，有效值。(2)电灯泡正常发光，如何确定副线圈n2、n3上的电压？提示：u28 v，u3ul3ul412 v。尝试解答(1)40匝_60匝_(2)0.2_a。(1)由变压器原理可知，n1n2n3u1u2u3，则n2n1110040n3n1110060。(2)由p入p出可得，i1u1p1p2p3p4，所以i1 a0.2 a总结升华1变压器原线圈含有负载问题的分析(1)在原线圈回路中，原线圈两端的电压与负载两端电压之和等于电源的电压；(2)要求解原线圈中负载的电流、电压和功率，一般需先求副线圈中的电流，然后根据理想变压器的关系求得原线圈中负载的电流。原、副线圈的电流关系往往是解决问题的突破口。2含有多个副线圈的变压器电路分析副线圈有两个或两个以上时，一般从原、副线圈的功率相等入手。由于电压与匝数仍然成正比，当副线圈的用电器为纯电阻时，应用p2求副线圈功率，或副线圈的用电器正常工作时，而原线圈的功率应用p1u1i1，之后根据p1p2求解相关量。3变压器与二极管相结合的分析当副线圈回路中含有二极管时，由于二极管具有单向导电性，会使交变电流只有一半时间导通，经过二极管后的输出电压的有效值与副线圈两端交流电压的正常有效值不相等，应根据电流的热效应进行计算。(多选)如图所示，理想变压器输入端接在电动势随时间变化、内阻为r的交流电源上，输出端接理想电流表及阻值为r的负载，变压器原、副线圈匝数的比值为 。如果要求负载上消耗的电功率最大，则下列说法正确的是()a交流电源的效率为50%b电流表的读数为c负载上消耗的热功率为d该交流电源电动势的瞬时值表达式为eemsin100t v答案ab解析把变压器和r看作一个整体，等效电阻为r，当rr时，负载上的电功率最大，此时总功率为p总，负载功率为p负载，其效率为50%，则a选项正确，c选项错误。电流表的读数为副线圈电流的有效值，原线圈电流有效值为i1，则i2i1 i1，故b选项正确。由题图知周期为0.04 s，则50 rad/s，则瞬时值表达式为eemsin50t v，故d选项错误。理想变压器的动态分析常见的理想变压器的动态分析问题一般有两种：匝数比不变的情况和负载电阻不变的情况。1匝数比不变的情况(如图所示)(1)u1不变，根据，输入电压u1决定输出电压u2，可以得出不论负载电阻r如何变化，u2不变。(2)当负载电阻发生变化时，i2变化，根据输出电流i2决定输入电流i1，可以判断i1的变化。(3)i2变化引起p2变化，根据p1p2，可以判断p1的变化。2负载电阻不变的情况(如图所示)(1)u1不变，发生变化，u2变化。(2)r不变，u2变化，i2发生变化。(3)根据p2和p1p2，可以判断p2变化时，p1发生变化，u1不变时，i1发生变化。3分析动态问题的步骤例2有一种调压变压器的构造如图所示。线圈ab绕在一个圆环形的铁芯上，c、d之间加上输入电压，转动滑动触头p就可以调节输出电压。图中为交流电流表，为交流电压表，r1、r2为定值电阻，r3为滑动变阻器，c、d两端接正弦交流电源，变压器可视为理想变压器，则下列说法正确的是 ()a当r3不变，滑动触头p顺时针转动时，电流表读数变小，电压表读数变小b当r3不变，滑动触头p逆时针转动时，电流表读数变小，电压表读数变小c当p不动，滑动变阻器滑动触头向上滑动时，电流表读数变小，电压表读数变小d当p不动，滑动变阻器滑动触头向下滑动时，电流表的读数变大，电压表的读数变大(1)滑动触头p顺时针转动，原、副线圈的匝数比如何变？提示：增大。(2)滑动变阻器滑动触头向上滑动，副线圈的总电阻如何变？提示：增大。尝试解答选a。当r3不变，p顺时针转动时，nmn减小，由知umn减小，则电压、电流表读数均减小，a项正确，同理知b项错。当p不动时，匝数nmn不变，输出电压umn不变，滑片向上滑动，r3阻值变大，根据串反并同，得电压表示数变大，电流表示数变小，c项错误，同理知d项也错误。总结升华理想变压器的动态分析(1)解决这类问题的方法是：首先要分清变量和不变量，弄清“谁决定谁”，然后利用直流电路中的动态分析方法即可。(2)对变压器的负载电路进行分析时，可以把变压器的副线圈看作是给用户供电的无阻电源，分析方法与直流电路的分析方法基本相同。(多选)如图，一理想变压器原线圈接入一交流电源，副线圈电路中r1、r2、r3和r4均为定值电阻，开关s是闭合的。v1和v2为理想电压表，读数分别为u1和u2；a1、a2和a3为理想电流表，读数分别为i1、i2和i3。现断开s，u1数值不变，下列推断中正确的是()au2变小、i3变小 bu2不变、i3变大ci1变小、i2变小 di2变大、i3变大答案bc解析理想变压器有，由于原线圈电压不变，所以v2的示数u2也不变，a错误；当s断开后，负载的总电阻变大，由于副线圈电压不变，所以总电流减小，即i2变小，故d错误；由于，当副线圈的电流减小时，原线圈的电流也要减小，所以i1变小，c正确；由于副线圈的总电流减小，r1的电压减小，并联电路的电压u3就会增大，所以r3的电流i3就会增大，故b正确。远距离输电1远距离输电的处理思路对高压输电问题，应按“发电机升压变压器远距离输电线降压变压器用电器”这样的顺序，或从“用电器”倒推到“发电机”一步一步进行分析。2远距离高压输电的几个基本关系(以下图为例)(1)功率关系：p1p2，p3p4，p2p损p3。(2)电压、电流关系：，u2uu3，i2i3i线。(3)输电电流：i线。(4)输电线上损耗的电功率p损i线uir线2r线。当输送的电功率一定时，输电电压增大到原来的n倍，输电线上损耗的功率就减小到原来的。例3某村在距村庄较远的地方修建了一座小型水电站，发电机输出功率为9 kw，输出电压为500 v，输电线的总电阻为10 ，允许线路损耗的功率为输出功率的4%。求：(1)村民和村办小企业需要220 v电压时，所用升压变压器和降压变压器的原、副线圈的匝数比各为多少？(不计变压器的损耗)(2)若不用变压器而由发电机直接输送，村民和村办小企业得到的电压和功率是多少？(1)画出输电电路图，并标上各个物理量。提示：(2)分析升压变压器、降压变压器的功率及电压关系？提示：u送uu1p输出p输送p用p。尝试解答(1)13_7211_(2)320_v_5760_w。(1)输电电路图如图所示，由p4% p输出和pir得i26 a则u送1500 v升压变压器原、副线圈匝数比输电线上电压损失ui2r60 v故降压变压器输入电压u1u送u1440 v故降压变压器原、副线圈匝数比。(2)若不用变压器，则输电电流i18 auu0ir320 v，pp输出i2r5760 w。总结升华解决远距离输电问题应注意下列几点(1)画出输电电路图。(2)注意升压变压器副线圈中的电流与降压变压器原线圈中的电流相等。(3)输电线长度等于距离的2倍。(4)计算线路功率损失一般用p损i2r线。如图所示为远距离交流输电的简化电路图。发电厂的输出电压是u，用等效总电阻是r的两条输电线输电，输电线路中的电流是i1，其末端间的电压为u1。在输电线与用户间连有一理想变压器，流入用户端的电流为i2。则()a用户端的电压为b输电线上的电压降为uc理想变压器的输入功率为ird输电线路上损失的电功率为i1u答案a解析理想变压器输入和输出功率相同，设用户端得到的电压为u2，则有i1u1u2i2，u2，选项a正确。输电线上的电压降为ui1r，或者uuu1，选项b错误。理想变压器的输入功率为pi1u1，选项c错误。输电线路上损失的电功率为pir，选项d错误。几种特殊的变压器1模型构建2模型特点(1)自耦变压器自耦变压器又称为调压变压器，它只有一个线圈，把全部线圈作为原线圈或副线圈，线圈的一部分作为副线圈或原线圈。由此自耦变压器可以降压，也可以升压，变压器的基本规律对自耦变压器均适用。(2)有多个副线圈的变压器，输入功率等于多个副线圈的输出功率之和。(3)可调式变压器：匝数比可变，既可升压、又可降压。(4)互感器互感器有电压互感器和电流互感器两种，比较如下：典例1.在绕制变压器时，某人将两个线圈绕在如图所示变压器铁芯的左右两个臂上。当通以交变电流时，每个线圈产生的磁通量都只有一半通过另一个线圈，另一半通过中间的臂。已知线圈1、2的匝数之比n1n221。在不接负载的情况下()a当线圈1输入电压为220 v时，线圈2输出电压为110 vb当线圈1输入电压为220 v时，线圈2输出电压为55 vc当线圈2输入电压为110 v时，线圈1输出电压为220 vd当线圈2输入电压为110 v时，线圈1输出电压为440 v答案b解析在不考虑原、副线圈内电阻的情况下，变压器原、副线圈电压之比等于原、副线圈中产生的感应电动势之比。当给线圈1输入电压u1时，。当给线圈2输入电压u2时，。所以选项b正确。2普通的交流电流表不能直接接在高压输电线路上测量电流，通常要通过电流互感器来连接，图中电流互感器ab一侧线圈的匝数较少，工作时电流为iab，cd一侧线圈的匝数较多，工作时电流为icd，为了使电流表能正常工作，则()aab接mn、cd接pq，iabicdcab接pq、cd接mn，iabicd答案b解析根据理想变压器的原理，线圈电流与匝数成反比，ab接mn，通过的电流较大，电流表接在cd两端，通过的电流较小，b选项正确。3.如图所示，自耦变压器输入端a、b接交流稳压电源，其电压有效值u1100 v，r040 ，当滑动片处于线圈中点位置时，c、d两端电压的有效值u2为_v，通过电阻r0的电流有效值为_a。答案2005解析当滑动片位于线圈中点位置时，由变压器电压关系有：，所以u2200 v，通过r0的电流为i a5 a。课堂练习1(多选)如图甲所示，一理想自耦变压器的原线圈接有交变电压，交变电压随时间变化的图象如图乙所示，副线圈接有可调电阻r，触头p与线圈始终接触良好，下列判断正确的是()a交变电压u随时间t变化的规律是uu0cos100tb若仅将触头p向a端滑动，则电阻r消耗的电功率增大c若仅使电阻r增大，则原线圈的输入功率增大d若使电阻r增大的同时，将触头p向b端滑动，则通过a处的电流一定增大答案ab解析由乙图可知t0.02 s，100 rad/s，所以u随时间变化规律是uu0cos100t，a选项正确。原线圈n1不变，u1不变，随触头p向a端滑动，n2增大，由可知，u2增大，由pr，电阻r消耗的功率也增大，b选项正确。若仅增大电阻r，而n1、u1、n2都不变，u2也不变，由pr可知，pr减小，原线圈的输入电功率也减小，c选项错误。触头p向b端滑动，u2减小，r增大，由i2可知i2减小，p2u2i2减小，p1p2u1i1，可知u1不变，所以i1减小，过a处的电流减小，d选项错误。2.如图所示为一理想变压器，原线圈的输入电压u13300 v，副线圈的输出电压u2220 v，绕过铁芯的导线所接的电压表的示数u02 v，则(1)原、副线圈的匝数各是多少？(2)当s断开时，a2