變壓器和電力輸送1

1、變壓器及電能的輸送學習目標1知道原線圈（初級線圈）、副線圈（次級線圈）的概念。2知道理想變壓器的概念，記住電壓與匝數的關系。3知道升壓變壓器、降壓變壓器概念。4會用及I1U1=I2U2（理想變壓器無能量損失）解題。5知道電能輸送的基本要求及電網供電的優(yōu)點。6分析論證：為什么在電能的輸送過程中要采用高壓輸電。7會計算電能輸送的有關問題。8了解科學技術與社會的關系。學習重點1理想變壓器改變電流和電壓的計算，即應用及I1U1=I2U2進行計算和分析。2理解高壓輸電的意義并能分析、解決有關高壓輸電的一些簡單問題。學習難點1對變壓器的動態(tài)工作原理的理解。2遠距離輸電過程負載發(fā)生變化時引起各個物理量變化的

2、動態(tài)分析，尤其是能量傳遞和轉化的動態(tài)分析。知識要點梳理知識點一：變壓器的構造和工作原理要點詮釋：1變壓器的構造：（以單相變壓器為例）閉合鐵芯用導磁性能良好的硅鋼片疊合而成，用來提供原線圈共同的封閉的磁路。原線圈中電流產生的磁場認為全部通過閉合鐵芯。彼此絕緣的硅鋼片是用來減少渦流造成電能的損失。原線圈（又叫初級線圈）和副線圈（又叫次級線圈）原副線圈大都由絕緣銅導線繞制而成，套在閉合鐵芯上。有大電流的線圈銅導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，并帶有散熱管，以便有效地將原副線圈以及鐵芯中產生的焦耳熱釋放出去，防止溫度過高燒壞變壓器，同時提高線圈間的絕緣性能。2變壓器的

3、構造和工作原理簡而言之：變壓器是根據電磁感應現象中的互感原理制成并改變交流電壓和電流的。具體說來：當原線圈中通有交變電流時就會在閉合鐵芯中產生變化的磁通量，這個變化的磁通量完全穿過繞在同一鐵芯上的副線圈，便在副線圈中產生出感應電動勢，如果副線圈上接有負載構成閉合回路，那么副線圈中便產生了感應電流。感應電流產生的磁通量反過來影響原線圈在閉合鐵芯中的磁通量，如此相互作用實現電能從原線圈轉移到副線圈，同時獲得所需要的電壓和電流。說明：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！知識點二：理想變壓器變壓、變流的規(guī)律要點詮釋：1實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程中有電能損失。能量損耗的原因：原副線圈中有電阻，當有電流通過時發(fā)熱，電能轉化為熱。鐵芯中不可避免的存在渦流，使輸入的電能轉化為熱。原副線圈及鐵芯都存在漏磁現象，有一部分磁場不通過鐵芯引起感應電流。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入或寫成U1I1=U2I2。對于副線圈不只一個的情形，I1U1=I2U2+I3U3+說明：理想變壓器是一個理想化模型，是實際變壓器的一種簡化，因為大型變壓器電能傳輸效率都很高，忽略了很小部分的能量損失，使問題的分析討論更加簡單。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象。理想變壓器的重要特點是：a通過原線圈的磁通量和通過副線圈的磁通量相等，即 。b。3理想變壓器變壓、變流規(guī)律推導與討論（1）電動勢關系由于互感現象，沒有漏磁，原、副線圈中具有相同的磁通量的變化率。如圖根據法拉第電磁感應定律，原線圈中，副線圈中，所以有。（2）電壓關系由于不計原、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。無論副線圈一端是空載還是有負載，都是適用的。輸出電壓U2僅由輸入電壓U1和原、副線圈的匝數比共同決定，即，與負載個數、電阻大小無關。若變壓器有兩個副線圈，則有。所以有，或。據知，當n2n1時，U2

6、U1，這種變壓器稱為升壓變壓器；當n2n1時，U2U1，這種變壓器稱為降壓變壓器。（3）功率關系由于理想變壓器，不考慮能量損失。（4）電流關系當只有一個副線圈時，由功率關系I1U1=I2U2得：同理當有多個副線圈時由I1U1=I2U2+I3U3+得：I1n1=I2n2+I3n3+知識點三：變壓器分類與用途要點詮釋：1按照變壓器使用目的來分，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小（3）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。互感器將高電壓變?yōu)榈碗妷?，通過電壓表測低電壓，結合匝線比可計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)在待測高電流電路中，副線圈接電流表?；ジ衅鲗⒋箅娏髯兂尚‰娏鳎ㄟ^電流表測出小電流，結合匝數比可計算出大電流電路的電流值。知識點四：理想變壓器各物理量變化的決定因素要點詮釋：當理想變壓器的原、副線圈的匝數不變時，如果變壓器的負載發(fā)生變化，確定其他物理量變化時，可依據下列原則判定：1輸入電壓U1決定輸出電壓U2這是因為輸出電壓，當U1不變時，不論負載電阻R

8、變化與否，U2不會改變。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。當負載電阻R增大時，I2減小，則I1相應減??；當負載電阻R減小時，I2增大，則I1相應增大，在使用變壓器時，不能使變壓器次級短路。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，當負載電阻R增大時，I2減小，則變壓器輸出功率P2=I2U2減小，輸入功率P1也將相應減?。划斬撦d電阻R減小時，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。知識點五：輸電導線上的功率（電能）損失和減小損失的方法要點詮釋：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：保證電能的質量電壓和頻率穩(wěn)定。（3）經濟：線路建造和運行費用低，電能損耗少。2輸電導線上的功率損失（1）輸電導線上的功率損失由于輸電導線有電阻，在輸電過程中必有一部分電能要轉化成熱能而損失掉，設輸電導線中電流為I，輸電導線的電阻為R，則輸電導線上的功率損失為P=I2R。（2）減小輸電導線上的功率損失的兩種方法減少輸電導線上的電阻R。由電阻定律可知，距離一定，選用電阻率小的金屬做導線，增大導線橫截面積S可減小電阻。減小輸電導線的電流由P=UI可知，當傳輸功率P一定時，升高電壓可以減小輸電導線上的電流。3遠距離輸電高壓輸電（1）近距離輸電可

10、以采用增大導線截面積，減小電阻的方法來減少電能損失，這樣可以減少使用變壓器的投資，符合經濟的原則。（2）遠距離輸電，采用高壓輸電減小線路上的電流，可以減小輸電導線的截面積以減少輸電導線的投資，符合經濟的原則。知識點六：遠距離輸電的基本電路和電壓損失、功率損失的計算要點詮釋：1遠距離輸電的基本電路由于發(fā)電機本身的輸出電壓不可能很高，所以采用高壓輸電時，在發(fā)電站內需用升壓變壓器升壓到幾百千伏后再向遠距離送電，到達用電區(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：結論：輸

11、電電壓提高到原來的n倍時，輸電線路上電壓損失降低到原來的。輸電線路上電功率的損失降低到原來的。規(guī)律方法總結1對變壓器進行計算的幾個常用關系（1）變壓規(guī)律（只有一個副線圈）（多個副線圈）說明：副線圈上的電壓與匝數成正比，而原線圈上的電壓與匝數無關。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（只有一個副線圈）（多個副線圈） 理想變壓器：2遠距離高壓輸電的幾個基本關系（以圖為例）（1）功率關系P1=P2，P3=P4，P2=P線+P3（2）電壓、電流關系 ，U2=U線+U3，I2=I3=I線。（3）輸出電流。（4）輸電導線上損耗的電功率說明：計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、電壓的計算1如圖為理想變壓器，其初級線圈在交流電源上，次級線圈接有一標有“12V 100W”的燈泡，已知變壓器初、次級線圈的匝數比為181，那么小燈泡正常工作時，圖中的電壓表的讀數為_V，電流表的讀數為_A。解析：由圖可知，兩電表的讀數均為初級線圈的電壓值和電流值。由公式得，由公式得。答案：216 0.46總結升華：關于變壓器的計算中涉及的電流、電壓都是指交流電的有效值。變式練習 【變式】如圖所示，理想變壓器的原、副線圈的匝數比為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，兩個電壓不等，應引起注意。有些學生易將電壓U誤認為是變壓器的輸入電壓。 類型二、對變壓器變壓規(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，繞過鐵芯的導線所接的電壓表的示數U0=2V，則：（1）原、副線圈的匝線各是多少？（2）當S斷開時，A2的示數

14、I2=5A，那么A1的示數是多少？解析：（1）根據變壓比：及有 （2）由其是理想變壓器有，即 。總結升華：電壓表測量的電壓是一匝線圈的感應電動熱，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 【變式】在例2中如果讓S閉合，A2和A1的示數如何變化？解析：由理想變壓器的特點知，在只有一個副線圈中有電流時，所以I1正比于I2，當S閉合時I2變大，I1也隨之變大，故A1、A2的示數都變大。誤區(qū)警示：I1、I2分別與它們線圈匝數成反比，切不可誤認為I1與I2成反比。類型三、理想變壓器工作過程動態(tài)分析3如圖所示，理想變壓器的副線圈上通過輸電線接有兩個相同的燈泡L1和L2；輸電線的等效電阻

15、為R，開始時，開關S斷開。當S接通時，以下說法中正確的是（ ）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通過燈泡L1的電流減小 D原線圈中的電流增大答案：BCD解析：當開關S閉合后，L2與L1相并聯(lián)，使副線圈的負載電阻總阻值變小，此時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，導致原線圈中的電流I1相應增大，故D正確。題型四、遠距離輸電的計算4遠距離輸送交流電都采用高壓輸電。我國正在研究用比300 kV高得多的電壓進行輸電。采用高壓輸電的優(yōu)點是（ ）A可節(jié)省

16、輸電線的銅材料 B可根據需要調節(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的材料作導線。若輸電線確定，則可減少輸電線上的能量損失，故A、C選項正確。交流電的頻率是固定的，不需調節(jié)，輸電的速度就是電磁波的傳播速度，是一定的，故B、D選項不正確。答案：A、C變式練習 【變式】水電站給遠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總結升華：采用不同電壓輸電的過程中不變的是輸電線上的電阻和所要輸出的功率，改用高壓輸電會減少線路上的損失。若將線路上損失的功率用來計算，這是錯誤的，用此公式計算的時候U必須是輸電線上的電壓U線，而不是輸電電壓U。5有一臺內阻為1的發(fā)電機，供給一個學校照明用電，如圖所示。升壓變壓器匝數為14，降壓變壓器的匝數比為41，輸電線的總阻R=4。全校共22個班，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)電機輸出功率多大？（2）發(fā)電機電動勢多大？（3）輸

18、電效率是多少？思路點撥：該題全面考查變壓器的原理（電流比、電壓比）、電功率計算和閉合電路歐姆定律等內容，題中未加特別說明，變壓器即視為理想變壓器。由于發(fā)電機至升壓變壓器及降壓變壓器至學校間距離較短，不必考慮這兩部分輸電導線上的功率損耗。發(fā)電機的電動勢E=I1r+U1，一部分為內電壓I1r，另一部分為發(fā)電機的路端電壓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應為燈的額定電壓U額，具體計算由用戶向前遞推即可。解析：（1）對降壓變壓器： U2I2=U3I3=nP燈=22×6×40W=5280W 而， 所以 對升壓變壓器： 發(fā)電機輸出