高中物理第4章远距离输电1三相交变电流课件鲁科版选修3_2

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第 4 章　远距离输电 第 1 节　三相交变电流 一、三相交流发电机 1. 三相交流电 : 为了提高发电效率 , 通常在一个发电机中安装三组独立 的互成 ______ 角的线圈。一台发电机将同时生产出 _________ 的交变电流 , 称为三相交变电流 , 俗称三相交 流电。 120° 三相独立 2. 三相交流发电机 : 定义 同时产生 _________ 的交变电流的发电机 组成 _________ 和磁极 分类 旋转磁极式 旋转电枢式 特点 输出功率大 输出功率小 三相独立 电枢线圈 二、三相交变电流的产生 1. 旋转磁极式发电机 : 2. 三相交流电的产生原理 : (1) 旋转磁极式发电机的三个线圈按如图所示的方式排 列 , 当此转子在磁场中转动时 , 三个线圈都会产生 _____ _______, 且感应电动势的最大值、周期和频率都 ___ ___ 。 感应 电动势 相 同 (2) 由于三个线圈平面在空间互成 120° 角 , 所以它们到 达峰值 ( 或零值 ) 的时刻不同 , 将依次落后 _________ 个 周期。 三分之一 3. 图象 : 三、电源与负载的连接方式 1. 三相四线制 : 将发电机绕组的 3 个末端接在一起 , 引出 一个公共接头 , 从 3 个绕组的始端引出 3 根导线叫作相线 , 又叫端线 ( 照明电路中常称为 _____), 从公共接头引出 的导线叫作中性线 , 简称 _____( 或零线 ) 。这种连接方 式叫作三相四线制。 火线 中线 2. 三相三线制 : 如果三相负载完全对称 , 则通过中线的 电流为 ___, 此时取消中线也不影响三相电路的工作 , 三 相四线制就变成了三相三线制。 3. 相电压和线电压 : (1) 相电压 : 火线与中线之间的电压 , 一般为 ____ V 。 (2) 线电压 : 火线与火线之间的电压 , 一般为 ____ V 。 (3) 线电压与相电压之间的关系 :U 线 =_____ 。 零 220 380 4. 负载与电源的连接方式 : (1) 三相四线制星形接法 ( 如图所示 ) 。 (2) 三相三线制星形接法 ( 如图所示 ) 。 【 思考辨析 】 (1) 照明电路中的火线与零线间的电压为 220 V 。 ( 　　 ) (2) 照明电路中的电流总是由火线流入 , 零线流出 , 因而开关要接在火线上。 ( 　　 ) (3) 照明电路中火线与零线间的电势差为 220 V, 且总是火线的电势高。 ( 　　 ) (4) 三相交流发电机的三个线圈的每一个线圈都可以单独向外供电。 ( 　　 ) (5) 三相交流发电机的三个线圈产生的电动势不同时达到最大值。 ( 　　 ) 提示 : (1)√ 。照明电路中火线与零线间的电压为 220 V 。 (2)× 。照明电路中电流大小和方向都是周期性变化的 , 时而由火线流入、零线流出 , 时而由火线流出、零线流入。开关接在火线上 , 断开开关使用电器脱离火线 , 避免检修时接触火线触电。 (3)× 。火线和零线间的电势时而火线高 , 时而零线高。 (4)√ 。三相交流发电机中的三个线圈独立工作。 (5)√ 。三个绕组互成 120° 角 , 故达到最大值的时刻不同。 一　三相交变电流的产生及特点 【 典例 】 (2019· 泉州高二检测 ) 下列关于三相交流发电机的说法中 , 正确的是 A. 三个线圈都不可以单独向外供电 B. 三个线圈发出交流电的有效值的时间依次相差 T/3 C. 三个线圈发出交流电的瞬时值的时间依次相差 T/3 D. 三个线圈发出交流电的最大值的时间依次相差 T/3 【 解析 】 选 D 。产生三相交变电流的三个线圈是相互独立的 , 每一个都相当于一个独立的电源可以单独供电 , 只是它们到达最大值的时间依次相差三分之一周期 , 故 A 错误 ,D 正确 ; 三个线圈发出交流电的有效值任何时刻都相同 ,B 错误 ; 由三相交变电动势的图象 ( 如图 ) 可知 : 选项 C 错误。 【 核心归纳 】 1. 三相交流发电机 : (1) 定义 : 能同时生产出三相独立的交变电流的发电机。 (2) 主要组成 : 电枢线圈和磁极。 (3) 分类 : ① 旋转磁极式 —— 适用于较大输出功率。 ②旋转电枢式 —— 适用于较小输出功率。 2. 三相交变电流的产生和图象： (1) 产生 :3 组完全相同的线圈互成 120° 角固定在同一转轴 , 同时在磁场中匀速转动 , 电路中就产生 3 个交变电动势 , 形成三相交变电流。 (2) 瞬时值表达式 : 三个绕组 (AX 、 BY 、 CZ) 中产生的 感应电动势可用函数分别表示为 e A =E m sinωt, e B =E m sin(ωt- ),e C =E m sin(ωt- ) 。 (3)e -t 图象 : 三相交变电流的 e -t 图象如图所示。 3. 三相电流的异同 : (1) 相同量。 ①同为正弦式交变电流 , 最大值与有效值都满足关 系 :E= 。 ②具有相同的周期 ( 频率 ) 、峰值 ( 最大值 ) 和有效值。 ③相邻两相间有相同的相位差。 (2) 不同量 : 相位及达到最大值 ( 或零值 ) 的时刻。 【 过关训练 】 1.( 多选 ) 下列关于三相交流发电机的说法正确的是 ( 　　 ) A. 三相交流发电机与单相交流发电机一样 , 主要组成部分是电枢线圈和磁极 B. 三相交流发电机可分为旋转磁极式和旋转电枢式两类 C. 三相交流发电机发出三相交变电流 , 但只能使用其中一相交变电流 D. 三相交流发电机也可以当作三个单相交流发电机 , 分别单独向外传送三组单相交变电流 【 解析 】 选 A 、 B 、 D 。由三相交流发电机的原理和分类可知 ,A 、 B 正确 ; 三相交流发电机能同时产生三相独立的交变电流 , 每相交变电流都能单独使用 ,C 错误 ,D 正确。 2. 下列关于三相交变电流的产生原理的说法中正确的是 ( 　　 ) A. 发电机中 3 个绕组具有相同的匝数和绕向 , 互成 60° B. 在转动过程中 , 每个绕组产生的感应电动势的最大值和周期都相同 C. 在转动过程中 , 某时刻每个绕组产生的感应电动势的瞬时值相同 D. 在转动过程中 , 每个绕组独立产生的感应电动势的瞬时值、最大值、周期都不相同 【 解析 】 选 B 。三个绕组匝数相同 , 绕向相同 , 互成 120°, 所以每个绕组产生的电动势最大值相同 , 周期 频率相同 , 但瞬时值不同 , 到达最大值的时间依次落 后 ,B 对 ,A 、 C 、 D 错。 【 补偿训练 】 在匀速转动的三相交流发电机中 , 关于三个线圈中产生的电动势 , 下列说法错误的是 ( 　　 ) A. 按相同规律变化 , 同时达到最大值和最小值 B. 具有相同的有效值 C. 具有相同的周期和频率 D. 具有相同的最大值 【 解析 】 选 A 。三相交流发电机中 , 三个线圈具有相同 的有效值、周期、频率及最大值 ; 但它们的相位相差 π 。故 B 、 C 、 D 正确 ,A 错误。 二　电源与负载的连接方式 考查角度 1 三相三线制星形接法 【 典例 1】 在三相交流电源上按星形接法连接相同的负载 1 、 2 、 3, 如图所示 ,NN′ 是中性线。已知负载 1 上的电压为 220 V, 电流为 15 A 。现以 I 表示中性线上的电流 ,U 表示 P 、 Q 两点间的电压 , 则 ( 　　 ) A.I=15 A,U=440 V B.I=45 A,U=380 V C.I=0,U=440 V D.I=0,U=380 V 【 解析 】 选 D 。负载使用的星形接法 , 相电压与线电压 的关系是 U 线 = U 相 , 因为相电压为 220 V, 所以线电压 为 380 V,P 、 Q 间的电压为线电压 ; 由于三相负载对称 , 所以中性线上的电流为 0 。 【 核心归纳 】 对三相三线制星形接法的理解 : (1) 负载特点 : 这种接法一般用在负载对称的场合 , 如 三相电动机。 (2) 中线情况 : 中线中无电流 , 可以去掉。 (3) 线相关系 :U 线 = U 相 。 考查角度 2 三相四线制星形接法 【 典例 2】 如图所示 , 三相四线制供电电路中 , 电源电压为 220 V 。三相负载都是纯电阻 ,R A =R B =10 Ω,R C =20 Ω, 问 : (1) 中性线能否省去 ? (2) 若中性线 OO′ 断路 ,R A 发生短路 ,R B 、 R C 两端电压及其中电流为多大 ? 【 解题探究 】 (1) 中性线完好时 , 负载两端的电压是什么电压 ? 提示 : 负载两端的电压是相电压。 (2) 星形连接中 , 相电压与线电压的关系怎样 ? 提示 : U 线 = U 相 。 (3)A′B′,A′C′ 间的电压属于什么电压 ? 提示 : 属于线电压。 【 解析 】 (1) 由于三相负载不对称 , 中性线不能省去 , 中 性线起到平衡负载的作用。 (2) 若中性线 OO′ 断路 ,R A 发生短路 ,B 、 C 两电阻两端的 电压均为线电压 380 V, 电流分别为 I B = = A= 38 A,I C = = A=19 A 。 答案 : (1) 不能省　 (2) 电压均为 380 V 　 R B 中的电流为 38 A 　 R C 中的电流为 19 A 【 核心归纳 】 对三相四线制星形接法的理解 : (1) 负载特点 : 这种接法一般用在负载不对称的场合 , 如生活照明电路。 (2) 中线情况 : 中线中有电流 , 必须保留中线。 (3) 线相关系 :U 线 = U 相 【 过关训练 】 1. 【 拓展延伸 】【 典例 2】 中若中性线 OO′ 断路 ,R A 也断路 ,R B 、 R C 两端电压和其中电流又是多大 ? 【 解析 】 若中性线 OO′ 断路 ,R A 也断路 ,B 、 C 两电阻串 联 , 两端电压为线电压 380 V, 根据欧姆定律先计算电 流 :I B =I C = = A=12.67 A, 则两只电阻两端 的电压分别为 U B =I B R B =12.67×10 V=126.7V,U C =I C R C = 12.67×20 V=253.4 V 。 答案 : R B 两端的电压为 126.7 V, 电流为 12.67 A,R C 两端的电压为 253.4 V, 电流为 12.67 A 。 2.( 多选 ) 三相交流发电机的三个线圈中 A 相的电压为 U=311sin (100πt) V, 那么 ( 　　 ) A. 三个线圈产生的交变电流的频率都为 50 Hz B. 在 t=0 时 , 其他两个线圈的输出电压也为零 C. 若按星形接法 , 任意两端线间电压的最大值为 380 V D. 若按三角形接法 , 任意两端线间的电压为 220 V 【 解析 】 选 A 、 D 。三相交流发电机每个线圈的频率、 电压有效值 ( 或最大值 ) 均相同 , 但由于在步调上不一致 , 所以某一时刻电压的瞬时值不同。当三个线圈按星形 接法时 , 线电压 U 线 = U 相 = × V≈380 V, 其最大 值 U 线 m = U 线 ≈ 539 V; 当三个线圈按三角形接法时 ,U 线 =U 相 = V=220 V 。 【 补偿训练 】 ( 多选 ) 如图为三相四线制供电线路 ,L 1 、 L 2 和 L 3 是完全相同的三盏灯 , 都正常发光 , 那么 ( 　　 ) A. 若 OO′ 断路 , 则三灯熄灭 B. 若 OO′ 断路 , 三灯仍正常发光 C. 若 OO′ 和 AA′ 同时断路 , 则 L 2 、 L 3 将变暗 D. 若 OO′ 断路、灯 L 1 短路 , 则 L 2 、 L 3 将烧坏 【 解析 】 选 B 、 C 、 D 。由于三相负载相同 , 因此即使 OO′ 断路 , 三灯也能正常发光 , 故选项 A 错误 , 选项 B 正确 ; 对于选项 C, 加在 L 2 、 L 3 上的电压均为 190 V, 因此灯将变暗 , 故选项 C 正确 ; 对于选项 D, 加在 L 2 、 L 3 上的电压均为 380 V, 因此灯将烧坏 , 故选项 D 正确。 【 拓展例题 】 考查内容 : 三相交变电流负载的连接方式 【 典例 】 如图所示 ,A 、 B 、 C 为三相交变电流 , 每个灯泡的额定电压均为 220 V, 额定功率相同 , 则 L 与 L′ 两灯的实际功率之比为 ( 设灯泡电阻恒定 ) ( 　　 ) A.1∶2 　　　　　　　　 B.2∶1 C.1∶3 D.3∶1 【 解析 】 选 D 。由题意知电源线电压 U 线 =220 V, 对负载 采用三角形接法来说 , 每相负载两端的电压都等于电源 的线电压 , 因此 L 两端电压 U L =U 线 =220 V 。 对负载采用星形接法来说 , 由于三相负载相同 , 每相负 载的电压为线电压的 , 因此 L′ 两端电压 U L′ = U 线 = V 。 设每盏灯的电阻为 R, 则 L 的实际功率 P L = = ,L′ 的实际功率 P L′ = = , 故 P L ∶P L′ =3∶1 。故 D 对。