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- 2021-05-27 发布
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微型专题5 变压器的动态分析 远距离输电
一、理想变压器的动态分析
1.电压、电流、功率的制约关系
(1)电压制约:当变压器原、副线圈的匝数比一定时,输入电压U1决定输出电压U2,即U2=.
(2)功率制约:P出决定P入,P出增大,P入增大;P出减小,P入减小;P出为0,P入为0.
(3)电流制约:当变压器原、副线圈的匝数比一定,且输入电压U1确定时,副线圈中的输出电流I2决定原线圈中的电流I1,即I1=.
2.对理想变压器进行动态分析的两种常见情况:
(1)原、副线圈匝数比不变,分析各物理量随负载电阻变化而变化的情况,进行动态分析的顺序是R→I2→P出→P入→I1.
(2)负载电阻不变,分析各物理量随匝数比的变化而变化的情况,进行动态分析的顺序是n1、n2→U2→I2→P出→P入→I1.
例1 (多选)如图1所示,理想变压器的原线圈连接一只理想交流电流表,副线圈匝数可以通过滑动触头Q来调节,在副线圈两端连接了定值电阻R0和滑动变阻器R,P
6
为滑动变阻器的滑动触头.在原线圈上加一电压为U的正弦交流电,则( )
图1
A.保持Q的位置不动,将P向上滑动时,电流表读数变大
B.保持Q的位置不动,将P向上滑动时,电流表读数变小
C.保持P的位置不动,将Q向上滑动时,电流表读数变大
D.保持P的位置不动,将Q向上滑动时,电流表读数变小
答案 BC
解析 Q位置不动,副线圈电压U2不变,当P上滑时,R增大,由P=可知总功率减小,原线圈电压U1不变,由P=U1I1可知原线圈电流I1减小,故A错误,B正确;当P位置不动,Q上滑时,由=知U2增大,同理分析知原线圈电流I1增大,故C正确,D错误.
针对训练1 如图2所示,用一理想变压器给负载供电,变压器输入端的电压不变,开始时开关S是断开的.现将开关S闭合,则图中所有交流电表的示数以及输入功率的变化情况是( )
图2
A.V1、V2的示数不变,A1的示数增大,A2的示数减小,P入增大
B.V1、V2的示数不变,A1、A2的示数增大,P入增大
C.V1、V2的示数不变,A1、A2的示数减小,P入减小
D.V1的示数不变,V2的示数增大,A1的示数减小,A2的示数增大,P入减小
答案 B
解析 电压表V1的示数由输入电压决定;电压表V2的示数由输入电压U1(大小等于电压表V1的示数)和匝数比决定;电流表A2的示数即I2由输出电压U2(大小等于电压表V2的示数)和负载电阻R负决定;电流表A1的示数即I1由变压器的匝数比和输出电流I2决定;P入随P出而变化,由P出决定.因输入电压不变,所以电压表V1的示数不变;据公式U2=,可知U2
6
也不变,即电压表V2的示数不变;又据I2=知,S闭合后R负减小,故I2增大,电流表A2的示数增大;输入电流I1随输出电流I2的增大而增大,故电流表A1的示数增大;因P出=U2I2,故P出增大;P入随P出变化,故P入也增大;可见本题的正确选项为B.
二、远距离高压输电问题
解决远距离输电问题时,需要画输电的电路图,理清三个回路,抓住两个联系,掌握一个定律.
1.画图、理清三个回路(如图3所示)
图3
2.抓住两个联系
(1)理想升压变压器联系回路1和回路2
即=,I1n1=I2n2,P1=P2.
(2)理想降压变压器联系回路2和回路3
即=,I3n3=I4n4,P3=P4
3.掌握一个定律
根据能量守恒定律得P2=ΔP+P3.
例2 如图4所示,发电站通过升压变压器、输电导线和降压变压器把电能输送到用户(升压变压器和降压变压器都可视为理想变压器),若发电机的输出功率是100 kW,输出电压是250 V,升压变压器的原、副线圈的匝数比为1∶25.
图4
(1)求升压变压器的输出电压和输电导线中的电流;
(2)若输电导线中的电功率损失为输入功率的4%,求输电导线的总电阻和降压变压器原线圈两端的电压.
答案 (1)6 250 V 16 A (2)15.625 Ω 6 000 V
解析 (1)对升压变压器,据公式=,有
6
U2=U1=×250 V=6 250 V
I2=== A=16 A
(2)P损=I22R线,P损=0.04P1
所以R线==15.625 Ω
因为ΔU=U2-U3=I2R线
所以U3=U2-I2R线=6 000 V.
针对训练2 (多选)如图5为远距离输电示意图,发电机的输出电压U1和输电线的电阻、理想变压器匝数均不变,且n1∶n2=n4∶n3.当用户用电器的总电阻减小时( )
图5
A.U1∶U2=U4∶U3
B.用户的电压U4增加
C.输电线上的损失功率增大
D.用户消耗的功率等于发电机的输出功率
答案 AC
解析 根据=,=以及n1∶n2=n4∶n3,知U1∶U2=U4∶U3,故A正确.用户用电器总电阻减小,则电流增大,所以输电线上的电流增大,根据P损=I2r知,输电线上损耗的功率增大,根据ΔU=Ir知,输电线上的电压损失变大,发电机的输出电压不变,则升压变压器的输出电压不变,降压变压器的输入电压变小,用户的电压U4减小,故B错误,C正确.用户消耗的功率等于发电机的输出功率与输电线上损失的功率之差,故D错误.
1.(理想变压器动态分析)(多选)如图6所示,某理想变压器的原、副线圈的匝数均可调节,原线圈两端电压为一最大值不变的正弦交流电,在其他条件不变的情况下,为了使变压器输入功率增大,可使 ( )
6
图6
A.原线圈匝数n1增加 B.副线圈匝数n2增加
C.负载电阻R的阻值增大 D.负载电阻R的阻值减小
答案 BD
解析 由=,P出=
可得P出=
又因为P入=P出,所以P入=
分析可得选项B、D正确.
2.(理想变压器动态分析)(多选)如图7所示的电路中,P为滑动变阻器的滑片,保持理想变压器的输入电压U1不变,闭合开关S,下列说法正确的是( )
图7
A.P向下滑动时,灯L变亮
B.P向下滑动时,变压器的输出电压不变
C.P向上滑动时,变压器的输入电流变小
D.P向上滑动时,变压器的输出功率变大
答案 BD
解析 由于理想变压器输入电压U1不变,原、副线圈匝数不变,所以输出电压U2也不变,灯L的亮度不随P的滑动而改变,故选项A错误,选项B正确.P向上滑动时,滑动变阻器接入电路的电阻减小,负载总电阻R总减小,由I2=知,通过副线圈的电流I2增大,输出功率P出=U2I2增大,再由=知输入电流I1也增大,故选项C错误,D正确.
3.(远距离高压输电问题)风力发电作为新型环保能源,近年来得到了快速发展,如图8所示的风车阵中发电机输出功率为100 kW,输出电压是250 V,用户需要的电压是220 V,输电线总电阻为10 Ω.若输电线因发热而损失的功率为输送功率的4%.
6
图8
(1)画出此输电线路的示意图;
(2)求用户得到的电功率;
(3)求在输电线路中设置的升、降压变压器原、副线圈的匝数比.
答案 (1)见解析图 (2)96 kW (3)1∶20 240∶11
解析 (1)如图所示
(2)输电线损失的功率P损=P×4%=100 kW×4%=4 kW.
用户得到的电功率P用=P-P损=96 kW.
(3)输电线电流I2== A=20 A.
升压变压器输出电压
U2== V=5×103 V.
升压变压器原、副线圈匝数比:
===.
电压损失U损=I2R线=20×10 V=200 V.
降压变压器原线圈两端电压
U3=U2-U损=4 800 V.
降压变压器原、副线圈匝数比
===.
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