變壓器和電力輸送1

1、變壓器及電能的輸送學(xué)習(xí)目標(biāo)1知道原線圈（初級(jí)線圈）、副線圈（次級(jí)線圈）的概念。2知道理想變壓器的概念，記住電壓與匝數(shù)的關(guān)系。3知道升壓變壓器、降壓變壓器概念。4會(huì)用及I1U1=I2U2（理想變壓器無(wú)能量損失）解題。5知道電能輸送的基本要求及電網(wǎng)供電的優(yōu)點(diǎn)。6分析論證：為什么在電能的輸送過(guò)程中要采用高壓輸電。7會(huì)計(jì)算電能輸送的有關(guān)問(wèn)題。8了解科學(xué)技術(shù)與社會(huì)的關(guān)系。學(xué)習(xí)重點(diǎn)1理想變壓器改變電流和電壓的計(jì)算，即應(yīng)用及I1U1=I2U2進(jìn)行計(jì)算和分析。2理解高壓輸電的意義并能分析、解決有關(guān)高壓輸電的一些簡(jiǎn)單問(wèn)題。學(xué)習(xí)難點(diǎn)1對(duì)變壓器的動(dòng)態(tài)工作原理的理解。2遠(yuǎn)距離輸電過(guò)程負(fù)載發(fā)生變化時(shí)引起各個(gè)物理量變化的

2、動(dòng)態(tài)分析，尤其是能量傳遞和轉(zhuǎn)化的動(dòng)態(tài)分析。知識(shí)要點(diǎn)梳理知識(shí)點(diǎn)一：變壓器的構(gòu)造和工作原理要點(diǎn)詮釋：1變壓器的構(gòu)造：（以單相變壓器為例）閉合鐵芯用導(dǎo)磁性能良好的硅鋼片疊合而成，用來(lái)提供原線圈共同的封閉的磁路。原線圈中電流產(chǎn)生的磁場(chǎng)認(rèn)為全部通過(guò)閉合鐵芯。彼此絕緣的硅鋼片是用來(lái)減少渦流造成電能的損失。原線圈（又叫初級(jí)線圈）和副線圈（又叫次級(jí)線圈）原副線圈大都由絕緣銅導(dǎo)線繞制而成，套在閉合鐵芯上。有大電流的線圈銅導(dǎo)線的截面積要大一些。其它部分大功率變壓器要放在盛有絕緣油的鋼筒內(nèi)，并帶有散熱管，以便有效地將原副線圈以及鐵芯中產(chǎn)生的焦耳熱釋放出去，防止溫度過(guò)高燒壞變壓器，同時(shí)提高線圈間的絕緣性能。2變壓器的

3、構(gòu)造和工作原理簡(jiǎn)而言之：變壓器是根據(jù)電磁感應(yīng)現(xiàn)象中的互感原理制成并改變交流電壓和電流的。具體說(shuō)來(lái)：當(dāng)原線圈中通有交變電流時(shí)就會(huì)在閉合鐵芯中產(chǎn)生變化的磁通量，這個(gè)變化的磁通量完全穿過(guò)繞在同一鐵芯上的副線圈，便在副線圈中產(chǎn)生出感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)，如果副線圈上接有負(fù)載構(gòu)成閉合回路，那么副線圈中便產(chǎn)生了感應(yīng)電流。感應(yīng)電流產(chǎn)生的磁通量反過(guò)來(lái)影響原線圈在閉合鐵芯中的磁通量，如此相互作用實(shí)現(xiàn)電能從原線圈轉(zhuǎn)移到副線圈，同時(shí)獲得所需要的電壓和電流。說(shuō)明：變壓器只能改變變化的電流或電壓，不能改變恒定電流或電壓！知識(shí)點(diǎn)二：理想變壓器變壓、變流的規(guī)律要點(diǎn)詮釋：1實(shí)際變壓器從副線圈輸出電能的功率P出=I2U2小于從原線圈輸入電

4、能的功率P入=I1U1，即P出P入，變壓器在傳輸電能的過(guò)程中有電能損失。能量損耗的原因：原副線圈中有電阻，當(dāng)有電流通過(guò)時(shí)發(fā)熱，電能轉(zhuǎn)化為熱。鐵芯中不可避免的存在渦流，使輸入的電能轉(zhuǎn)化為熱。原副線圈及鐵芯都存在漏磁現(xiàn)象，有一部分磁場(chǎng)不通過(guò)鐵芯引起感應(yīng)電流。2理想變壓器從副線圈輸出電能的功率P出=I2U2等于輸入電能的功率P入=I1U1；即P出=P入或?qū)懗蒛1I1=U2I2。對(duì)于副線圈不只一個(gè)的情形，I1U1=I2U2+I3U3+說(shuō)明：理想變壓器是一個(gè)理想化模型，是實(shí)際變壓器的一種簡(jiǎn)化，因?yàn)榇笮妥儔浩麟娔軅鬏斝识己芨?，忽略了很小部分的能量損失，使問(wèn)題的分析討論更加簡(jiǎn)單。理想變壓器忽略了在原副線圈

5、、鐵芯中的電能損失，忽略了線圈和鐵芯的漏磁現(xiàn)象。理想變壓器的重要特點(diǎn)是：a通過(guò)原線圈的磁通量和通過(guò)副線圈的磁通量相等，即 。b。3理想變壓器變壓、變流規(guī)律推導(dǎo)與討論（1）電動(dòng)勢(shì)關(guān)系由于互感現(xiàn)象，沒(méi)有漏磁，原、副線圈中具有相同的磁通量的變化率。如圖根據(jù)法拉第電磁感應(yīng)定律，原線圈中，副線圈中，所以有。（2）電壓關(guān)系由于不計(jì)原、副線圈的電阻，因此原線圈兩端的電壓U1=E1，副線圈兩端的電壓U2=E2，所以。無(wú)論副線圈一端是空載還是有負(fù)載，都是適用的。輸出電壓U2僅由輸入電壓U1和原、副線圈的匝數(shù)比共同決定，即，與負(fù)載個(gè)數(shù)、電阻大小無(wú)關(guān)。若變壓器有兩個(gè)副線圈，則有。所以有，或。據(jù)知，當(dāng)n2n1時(shí)，U2

6、U1，這種變壓器稱為升壓變壓器；當(dāng)n2n1時(shí)，U2U1，這種變壓器稱為降壓變壓器。（3）功率關(guān)系由于理想變壓器，不考慮能量損失。（4）電流關(guān)系當(dāng)只有一個(gè)副線圈時(shí)，由功率關(guān)系I1U1=I2U2得：同理當(dāng)有多個(gè)副線圈時(shí)由I1U1=I2U2+I3U3+得：I1n1=I2n2+I3n3+知識(shí)點(diǎn)三：變壓器分類與用途要點(diǎn)詮釋：1按照變壓器使用目的來(lái)分，可分為（1）變壓：升壓變壓器和降壓變壓器（2）變流：使輸出電流變大或變?。?）變阻抗：使輸出阻抗變大或變?。ù俗饔迷诟咧须A段討論較小）2按用途可以分為：（1）可調(diào)變壓器：自耦變壓器便是其中的一種。（2）固定變壓器：只能輸出固定電壓。（3）互感器：測(cè)量高電壓、

7、大電流的變壓器分類：電壓互感器（如圖甲）和電流互感器（如圖乙）。電壓互感器：如圖甲所示，原線圈并聯(lián)在高壓電路中，副線圈接電壓表?；ジ衅鲗⒏唠妷鹤?yōu)榈碗妷海ㄟ^(guò)電壓表測(cè)低電壓，結(jié)合匝線比可計(jì)算出高壓電壓的電壓值。電流互感器：如圖乙所示，原線圈串聯(lián)在待測(cè)高電流電路中，副線圈接電流表?；ジ衅鲗⒋箅娏髯兂尚‰娏?，通過(guò)電流表測(cè)出小電流，結(jié)合匝數(shù)比可計(jì)算出大電流電路的電流值。知識(shí)點(diǎn)四：理想變壓器各物理量變化的決定因素要點(diǎn)詮釋：當(dāng)理想變壓器的原、副線圈的匝數(shù)不變時(shí)，如果變壓器的負(fù)載發(fā)生變化，確定其他物理量變化時(shí)，可依據(jù)下列原則判定：1輸入電壓U1決定輸出電壓U2這是因?yàn)檩敵鲭妷?，?dāng)U1不變時(shí)，不論負(fù)載電阻R

8、變化與否，U2不會(huì)改變。2輸出電流I2決定輸入電流I1在輸入電壓U1一定的情況下，輸出電壓U2也被完全確定。當(dāng)負(fù)載電阻R增大時(shí)，I2減小，則I1相應(yīng)減小；當(dāng)負(fù)載電阻R減小時(shí)，I2增大，則I1相應(yīng)增大，在使用變壓器時(shí)，不能使變壓器次級(jí)短路。3輸出功率P2決定輸入功率P1理想變壓器的輸出功率與輸入功率相等，即P2=P1，在輸入電壓U1一定的情況下，當(dāng)負(fù)載電阻R增大時(shí)，I2減小，則變壓器輸出功率P2=I2U2減小，輸入功率P1也將相應(yīng)減小；當(dāng)負(fù)載電阻R減小時(shí)，I2增大，變壓器的輸出功率P2=I2U2增大，則輸入功率P1也將增大。知識(shí)點(diǎn)五：輸電導(dǎo)線上的功率（電能）損失和減小損失的方法要點(diǎn)詮釋：1輸送電

9、能的基本要求（1）可靠：電路可靠工作少有故障。（2）保質(zhì)：保證電能的質(zhì)量電壓和頻率穩(wěn)定。（3）經(jīng)濟(jì)：線路建造和運(yùn)行費(fèi)用低，電能損耗少。2輸電導(dǎo)線上的功率損失（1）輸電導(dǎo)線上的功率損失由于輸電導(dǎo)線有電阻，在輸電過(guò)程中必有一部分電能要轉(zhuǎn)化成熱能而損失掉，設(shè)輸電導(dǎo)線中電流為I，輸電導(dǎo)線的電阻為R，則輸電導(dǎo)線上的功率損失為P=I2R。（2）減小輸電導(dǎo)線上的功率損失的兩種方法減少輸電導(dǎo)線上的電阻R。由電阻定律可知，距離一定，選用電阻率小的金屬做導(dǎo)線，增大導(dǎo)線橫截面積S可減小電阻。減小輸電導(dǎo)線的電流由P=UI可知，當(dāng)傳輸功率P一定時(shí)，升高電壓可以減小輸電導(dǎo)線上的電流。3遠(yuǎn)距離輸電高壓輸電（1）近距離輸電可

10、以采用增大導(dǎo)線截面積，減小電阻的方法來(lái)減少電能損失，這樣可以減少使用變壓器的投資，符合經(jīng)濟(jì)的原則。（2）遠(yuǎn)距離輸電，采用高壓輸電減小線路上的電流，可以減小輸電導(dǎo)線的截面積以減少輸電導(dǎo)線的投資，符合經(jīng)濟(jì)的原則。知識(shí)點(diǎn)六：遠(yuǎn)距離輸電的基本電路和電壓損失、功率損失的計(jì)算要點(diǎn)詮釋：1遠(yuǎn)距離輸電的基本電路由于發(fā)電機(jī)本身的輸出電壓不可能很高，所以采用高壓輸電時(shí)，在發(fā)電站內(nèi)需用升壓變壓器升壓到幾百千伏后再向遠(yuǎn)距離送電，到達(dá)用電區(qū)再用降壓變壓器降到所需的電壓，基本電路如圖所示：2輸電線路上的功率損耗和電壓損失如上圖所示，設(shè)電路的輸電電流為I線，輸送功率，則輸電線路上損失的電壓：輸電線路上損失的電功率：結(jié)論：輸

11、電電壓提高到原來(lái)的n倍時(shí)，輸電線路上電壓損失降低到原來(lái)的。輸電線路上電功率的損失降低到原來(lái)的。規(guī)律方法總結(jié)1對(duì)變壓器進(jìn)行計(jì)算的幾個(gè)常用關(guān)系（1）變壓規(guī)律（只有一個(gè)副線圈）（多個(gè)副線圈）說(shuō)明：副線圈上的電壓與匝數(shù)成正比，而原線圈上的電壓與匝數(shù)無(wú)關(guān)。繞在閉合鐵芯上的每一匝線圈上的電壓相等。（2）變流規(guī)律（只有一個(gè)副線圈）（多個(gè)副線圈） 理想變壓器：2遠(yuǎn)距離高壓輸電的幾個(gè)基本關(guān)系（以圖為例）（1）功率關(guān)系P1=P2，P3=P4，P2=P線+P3（2）電壓、電流關(guān)系 ，U2=U線+U3，I2=I3=I線。（3）輸出電流。（4）輸電導(dǎo)線上損耗的電功率說(shuō)明：計(jì)算輸電線路上的損失功率和用戶得到的功率，要弄清

12、下列兩組概念的區(qū)別和聯(lián)系：輸電電壓U、線路損失電壓U和用戶得到電壓U輸送功率P、線路損失功率P和用戶得到功率P典型例題透析類型一、理想變壓器電流、電壓的計(jì)算1如圖為理想變壓器，其初級(jí)線圈在交流電源上，次級(jí)線圈接有一標(biāo)有“12V 100W”的燈泡，已知變壓器初、次級(jí)線圈的匝數(shù)比為181，那么小燈泡正常工作時(shí)，圖中的電壓表的讀數(shù)為_(kāi)V，電流表的讀數(shù)為_(kāi)A。解析：由圖可知，兩電表的讀數(shù)均為初級(jí)線圈的電壓值和電流值。由公式得，由公式得。答案：216 0.46總結(jié)升華：關(guān)于變壓器的計(jì)算中涉及的電流、電壓都是指交流電的有效值。變式練習(xí) 【變式】如圖所示，理想變壓器的原、副線圈的匝數(shù)比為n1n2=21，A、

13、B為完全相同的燈泡，電源電壓為U，則燈泡B兩端電壓為（ ）A B2 UC D解析：設(shè)燈泡電阻為R，則原線圈電壓U1=UI1R，副線圈電壓U2=I2R，又，n1n2=21， 聯(lián)立以上各式得，選D。答案：D總結(jié)升華：原線圈直接與電源相連的變壓器，原線圈的電壓等于電源電壓，原線圈與電源之間接有用電器時(shí)，兩個(gè)電壓不等，應(yīng)引起注意。有些學(xué)生易將電壓U誤認(rèn)為是變壓器的輸入電壓。 類型二、對(duì)變壓器變壓規(guī)律的理解2如圖所示為一理想變壓器，原線圈的輸入電壓U1=3300V，副線圈的輸出電壓U2=220V，繞過(guò)鐵芯的導(dǎo)線所接的電壓表的示數(shù)U0=2V，則：（1）原、副線圈的匝線各是多少？（2）當(dāng)S斷開(kāi)時(shí)，A2的示數(shù)

14、I2=5A，那么A1的示數(shù)是多少？解析：（1）根據(jù)變壓比：及有 （2）由其是理想變壓器有，即 ?？偨Y(jié)升華：電壓表測(cè)量的電壓是一匝線圈的感應(yīng)電動(dòng)熱，它和繞在閉合鐵芯上的任一線圈上的一匝上的電壓都相等。變式練習(xí) 【變式】在例2中如果讓S閉合，A2和A1的示數(shù)如何變化？解析：由理想變壓器的特點(diǎn)知，在只有一個(gè)副線圈中有電流時(shí)，所以I1正比于I2，當(dāng)S閉合時(shí)I2變大，I1也隨之變大，故A1、A2的示數(shù)都變大。誤區(qū)警示：I1、I2分別與它們線圈匝數(shù)成反比，切不可誤認(rèn)為I1與I2成反比。類型三、理想變壓器工作過(guò)程動(dòng)態(tài)分析3如圖所示，理想變壓器的副線圈上通過(guò)輸電線接有兩個(gè)相同的燈泡L1和L2；輸電線的等效電阻

15、為R，開(kāi)始時(shí)，開(kāi)關(guān)S斷開(kāi)。當(dāng)S接通時(shí)，以下說(shuō)法中正確的是（ ）A副線圈兩端M、N輸出電壓減小 B副線圈輸電線等效電阻R上的電壓增大C通過(guò)燈泡L1的電流減小 D原線圈中的電流增大答案：BCD解析：當(dāng)開(kāi)關(guān)S閉合后，L2與L1相并聯(lián)，使副線圈的負(fù)載電阻總阻值變小，此時(shí)M、N間的輸出電壓不變，副線圈中的總電流I2增大，電阻R上的電壓降UR=I2R亦大增，燈泡L1承受的電壓減小，L1中的電流減小，故B、C正確。I2的增大，導(dǎo)致原線圈中的電流I1相應(yīng)增大，故D正確。題型四、遠(yuǎn)距離輸電的計(jì)算4遠(yuǎn)距離輸送交流電都采用高壓輸電。我國(guó)正在研究用比300 kV高得多的電壓進(jìn)行輸電。采用高壓輸電的優(yōu)點(diǎn)是（ ）A可節(jié)省

16、輸電線的銅材料 B可根據(jù)需要調(diào)節(jié)交流電的頻率C可減少輸電線上的能量損失 D可加快輸電的速度解析：由P=IU得，輸送的電功率P一定，采用高壓輸電，U大則I小，輸電線中的電流就小，由，在要求輸電線損耗一定的情況下，就可選電阻率略大一點(diǎn)的材料作導(dǎo)線。若輸電線確定，則可減少輸電線上的能量損失，故A、C選項(xiàng)正確。交流電的頻率是固定的，不需調(diào)節(jié)，輸電的速度就是電磁波的傳播速度，是一定的，故B、D選項(xiàng)不正確。答案：A、C變式練習(xí) 【變式】水電站給遠(yuǎn)處山村送電的輸出功率是 110 kW，用 2000 V 電壓輸電，線路上損失的功率是 2.5×104W；如果改用20000V高壓輸電，線路上損失的功率是

17、_W。解析：用U1=2000V，U2=20000V輸電時(shí)的輸電電流和線路功率損失分別為 ，； ，。兩者相比得。答案：250W總結(jié)升華：采用不同電壓輸電的過(guò)程中不變的是輸電線上的電阻和所要輸出的功率，改用高壓輸電會(huì)減少線路上的損失。若將線路上損失的功率用來(lái)計(jì)算，這是錯(cuò)誤的，用此公式計(jì)算的時(shí)候U必須是輸電線上的電壓U線，而不是輸電電壓U。5有一臺(tái)內(nèi)阻為1的發(fā)電機(jī)，供給一個(gè)學(xué)校照明用電，如圖所示。升壓變壓器匝數(shù)為14，降壓變壓器的匝數(shù)比為41，輸電線的總阻R=4。全校共22個(gè)班，每班有“220V，40W”的燈6盞。若保證全部電燈正常發(fā)光，則：（1）發(fā)電機(jī)輸出功率多大？（2）發(fā)電機(jī)電動(dòng)勢(shì)多大？（3）輸

18、電效率是多少？思路點(diǎn)撥：該題全面考查變壓器的原理（電流比、電壓比）、電功率計(jì)算和閉合電路歐姆定律等內(nèi)容，題中未加特別說(shuō)明，變壓器即視為理想變壓器。由于發(fā)電機(jī)至升壓變壓器及降壓變壓器至學(xué)校間距離較短，不必考慮這兩部分輸電導(dǎo)線上的功率損耗。發(fā)電機(jī)的電動(dòng)勢(shì)E=I1r+U1，一部分為內(nèi)電壓I1r，另一部分為發(fā)電機(jī)的路端電壓U1，升壓變壓器副線圈電壓U2的一部分降在輸電線上，即I2R，其余的就是降壓變壓器原線圈的電壓U2，而U3應(yīng)為燈的額定電壓U額，具體計(jì)算由用戶向前遞推即可。解析：（1）對(duì)降壓變壓器： U2I2=U3I3=nP燈=22×6×40W=5280W 而， 所以 對(duì)升壓變壓器： 發(fā)電機(jī)輸出