高中物理教科版 (2019)选择性必修 第二册变压器课文内容ppt课件

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1.知道远距离输电时输电线上电能的损耗与哪些因素有关，理解减小电能损耗的两个途径以及高压输电的原理。2.知道远距离输电的典型电路，能利用变压器和电路的规律解决远距离输电问题。3.知道传输电能的基本要求及电网供电的优点，了解直流输电。
知识点二　远距离输电系统　直流输电
知识点一　电能输送中的电压损失和电能损耗
1.输送电能的基本要求(1)可靠：保证供电线路可靠地工作，故障少。(2)保质：保证电能的质量——电压和频率稳定。(3)经济：输电线路建造和运行的费用低，电能损耗少。2.输电线上的电压损失：U损＝______，其中I为输电电流，r为输电线的电阻。3.输电线上的功率损耗：P损＝________。
4.降低输电损耗的两个途径(1)减小输电线的电阻r：在输电距离一定的情况下，导线长度l是确定的，导线一般选用铝材料，电阻率ρ是确定的，只能______横截面积S来减小电阻r。(2)减小输电线中的电流I：在输送功率一定的情况下，减小电流I可以通过______输电电压U来实现。
1.如何计算输电线上的电压损失U损？
2.如何计算输电线上的功率损耗P损？
3.高压输电减少电压损失和功率损耗的理论依据是什么？
例1 (多选)特高压输电可使输送中的电能损耗和电压损失大幅降低。我国已成功掌握并实际应用了特高压输电技术。假设从A处采用550 kV的超高压向B处输电，输电线上损耗的电功率为ΔP，到达B处时电压下降了ΔU。在保持A处输送的电功率和输电线电阻都不变的条件下，改用1 100 kV特高压输电，输电线上损耗的电功率变为ΔP′，到达B处时电压下降了ΔU′。不考虑其他因素的影响，则(　　)
训练1 (多选)在远距离输电时，输送的电功率为P，输送电压为U，所用导线的电阻率为ρ，横截面积为S，总长度为L，输电线损耗的电功率为P损，用户得到的电功率为P用。P损和P用的关系式正确的是(　　)
某发电站向远处送电的示意图如图所示。
发电站一端和用户一端的变压器作用各是什么？提示　发电站一端的变压器是升压变压器，把电压升高用于远距离输电；用户一端的变压器是降压变压器，把电压降低供用户使用。
1.远距离输电(1)大型交流发电机输出的电压经________把电压升高到220 kV或更高的超高压(或特高压)，用输电线送到远方。(2)在用电集中的地方，将电压先在一次高压变电所降到110 kV，再由二次高压变电所降至10 kV，其中一部分送到需要高压的地方，另一部分送到低压变电所，经配电变压器降至低压(380 V/________ V)，分送给不同的用户使用。
2.低压线路、高压线路、超高压线路和特高压线路(1)我国家庭用户电压为220 V，称为低压线路，一般输电距离都控制在几百米范围内，输送功率在100 kW以内。(2)输电距离在20 km以内的输电电压一般用35 kV，这就是高压线路。 (3)输送功率在10万kW以上，输电距离超过500 km时，输电电压往往超过220 kV，这称为超高压线路。1 000 kV以上电压等级，称为特高压。
4.远距离输电中的6个基本关系
6.直流输电(1)随着电力工业的发展，交流输电呈现出一定的局限性。如当交流输电功率很大时，______、电容引起的电压及电能损失很大；同一电网供电的发电机同步运行，技术上存在困难等。所以现在有些大功率输电线路已经开始采用直流输电。(2)发电机发出的交流电，通过变压器升高电压，然后使用______设备使它成为直流电，用输电线把高压直流电输送到用电地点附近，再使用________把直流电变回到交流电，并通过变压器降压后供用户使用(整流和逆变统称为换流)。
【思考】 1.远距离输电最基本的模式是怎样的？提示　先升压，远距离送电后，再降压。2.远距离输电时，若升压变压器的匝数比为1∶n，降压变压器的匝数比为n∶1，则升压变压器的输入电压和降压变压器的输出电压是否相等？提示　不相等，因为在输电过程中存在电压损失和功率损耗。
例2 发电机的输出电压为220 V，输出功率为44 kW，每条输电线的电阻为0.2 Ω。(1)此时用户得到的电压和电功率各为多少？(2)如果发电站先用变压比为1∶10的升压变压器将电压升高，经同样的输电线路后经10∶1的降压变压器将电压降低后供给用户使用，则用户得到的电压和电功率各是多少？
损失的电压UR＝2IRR＝2×200×0.2 V＝80 V
损耗功率PR＝URIR＝80×200 W＝16 000 W＝16 kW
故用户得到的电压U用户＝U－UR＝140 V
用户得到的功率P用户＝P－PR＝28 kW。
(2)已知升压变压器的匝数之比
输入电压U1＝220 V
因此，升压变压器的输出电压
损失的电压UR′＝IR′R＝20×2×0.2 V＝8 V
损耗的功率PR′＝UR′IR′＝8×20 W＝160 W
因此，降压变压器的输入电压
U3＝U2－UR′＝2 192 V
已知降压变压器的匝数比n3∶n4＝10∶1
P用户′＝P－PR′＝43.84 kW。
答案　(1)140 V　28 kW　(2)219.2 V　43.84 kW
处理远距离输电的方法(1)画好一幅图——远距离输电示意图。(2)抓住两端点——发电站和用户。(3)分析一条线——输电线。(4)研究两次变——升压变压器升压和降压变压器降压。(5)区分三个量——输送电压(功率)、损失电压(功率)、用户电压(功率)。　　　　
训练2 (2023·6月浙江选考，7)我国1 100 kV特高压直流输电工程的送电端用“整流”设备将交流变换成直流，用户端用“逆变”设备再将直流变换成交流。下列说法正确的是(　　)A.送电端先升压再整流B.用户端先降压再变交流C.1 100 kV是指交流电的最大值D.输电功率由送电端电压决定
解析　由于变压器的工作原理是电磁感应现象，因此升压变压器和降压变压器原线圈两端的电压均为交流电压，所以送电端先升压再整流，用户端先变交流再降压，A正确，B错误；1 100 kV指的是直流电的电压，C错误；由远距离输电的原理可知，输电功率由用户端决定，D错误。
训练3 (2023·山东卷，7)某节能储能输电网络如图所示，发电机的输出电压U1＝250 V，输出功率500 kW。降压变压器的匝数比n3∶n4＝50∶1，输电线总电阻R＝62.5 Ω，其余线路电阻不计，用户端电压U4＝220 V，功率88 kW，所有变压器均为理想变压器。下列说法正确的是(　　)
A.发电机的输出电流为368 AB.输电线上损失的功率为4.8 kWC.输送给储能站的功率为408 kWD.升压变压器的匝数比n1∶n2＝1∶44
1.(电能输送中的电能损耗)“西电东送”是实现经济跨地区可持续快速发展的重要保证，它将西部丰富的能源转化为电能输送到电力供应紧张的沿海地区。为了减少远距离输电线路中电阻损耗的能量，需要采用高压输电，在保持输送功率及输电线路电阻不变的情况下，将输送电压提高到原来的10倍，则输电线路中电阻损耗的能量将减少到原来的(　　)
2.(电能输送中的功率损耗)(多选)为消除高压输电线上的冰凌，有人设计了这样的融冰思路：利用电流的热效应除冰。若在正常供电时，高压线上输电电压为U，电流为I，功率损耗为ΔP；除冰时，输电线上的功率损耗需要变为9ΔP，则除冰时(认为输电功率和输电线电阻不变)(　　)
3.(远距离输电问题)(多选)风力发电将风的动能转化为电能。某风力发电机的输出功率为10 kW，输出电压为250 V，用户得到的电压是220 V，输电线的电阻为20 Ω，输电线路的示意图如图所示。若输电线因发热而损失的功率为输送功率的5%，变压器均视为理想变压器，则下列说法正确的是(　　)
A.用户得到的功率为9.5 kWB.通过输电线的电流为4 AC.升压变压器原、副线圈的匝数之比为1∶8D.降压变压器原、副线圈的匝数之比为100∶11
题组一　电能输送中的电压损失和电能损耗
2.(多选)发电厂发电机的输出电压是U1，发电厂至学校的输电导线总电阻为R，导线中的电流为I，学校得到的电压为U2。关于输电线上损耗的功率，下列表达式正确的是(　 　)
3.(多选)如图甲所示为远距离输电示意图，变压器均为理想变压器，升压变压器原线圈匝数为150匝，副线圈匝数为1 500匝，其输入电压如图乙所示，远距离输电线的总电阻为20 Ω。降压变压器右侧电路中R1为一定值电阻，R2为滑动变阻器，电压表V为理想电压表，升压变压器的输入功率为75 kW。则(　　)
A.降压变压器副线圈输出的交流电频率为50 HzB.远距离输电线路损耗功率为9 kWC.当滑片P向a端滑动时，电压表V的示数变大D.当滑片P向a端滑动时，输电线上的电流变大
4.(多选)(2023·天津卷，6)如图是输电线为用户输电的示意图，电路中升压变压器T1和降压变压器T2都认为是理想变压器，中间输电线上的总电阻为R，下列说法正确的是(　　)
A.T1的输出电压与T2的输入电压相等B.T1的输出功率大于T2的输入功率C.若用户接入的用电器增多，则R消耗的电功率减小D.若用户接入的用电器减少，则T2的输出功率减小
解析　设输电线中的电流为I2，T1的输出电压与T2的输入电压分别为U2、U3，则有U2＝I2R＋U3，即T1的输出电压大于T2的输入电压，A错误；T1的输出功率为P2＝U2I2，输电线上损耗的功率为ΔP＝IR，T2的输入功率为P3＝U3I2，则P2＝ΔP＋P3，即T1的输出功率大于T2的输入功率，B正确；若用户接入电路的用电器增多，则T2副线圈中的电流增大，由变压器的工作原理可知，T2原线圈中的电流增大，即输电线上的电流增大，输电线上损耗的功率增大，即R消耗的电功率增大，C错误；若用户接入电路的用电器减少，则用电器消耗的功率减小，即T2的输出功率减小，D正确。
5.某小型发电站发电机输出的交流电压为500 V，输出的电功率为50 kW，用电阻为3 Ω的输电线向远处输电，要求输电线上损耗功率为输电功率的0.6%，则发电站要安装一升压变压器，到达用户再用降压变压器变为220 V供用户使用(两个变压器均为理想变压器)。对整个输电过程，下列说法正确的是(　　)
A.输电线上损耗的功率为300 WB.升压变压器的匝数之比为1∶100C.输电线上的电流为100 AD.降压变压器的输入电压为4 700 V
6.我国已投产运行的1 100 kV特高压直流输电工程是目前世界上电压等级最高、输送距离最远、技术水平最先进的输电工程，输电容量可达1 200万千瓦。输电的简化流程可用下图表示。若直流输电的线路电阻为10 Ω，变压、整流过程中的电能损失忽略不计，直流和交流逆变时有效值不发生改变。当直流线路输电的电流为5×103 A时，下列说法正确的是(　　)
A.输电功率为1.2×1010 WB.输电导线上损耗的功率为2.5×108 W，损失的电压为50 kVC.降压变压器匝数比应等于2∶1D.若保持输送功率不变，用550 kV输电，用户得到的功率比1 100 kV输电时减少1×109 W
7.(多选)(2024·陕西西安高二期中)如图所示，某小型水电站发电机的输出功率P＝100 kW，发电机的电压U1＝250 V，经变压器升压后向远处输电，输电线总电阻R线＝8 Ω，在用户端用降压变压器把电压降为U4＝220 V。已知输电线上损失的功率P线＝5 kW，假设两个变压器均是理想变压器，下列说法正确的是(　　)
A.发电机输出的电流I1＝40 AB.输电线上的电流I线＝25 AC.降压变压器的匝数比n3∶n4＝190∶11D.升压变压器匝数比n1∶n2＝1∶160
8.如图所示为远距离输电示意图，发电机的输出电压U1、输电线的电阻及理想变压器的匝数均不变，当用户开启的用电器越来越多时，下列表述正确的是(　　)
A.升压变压器副线圈两端的电压U2降低 B.降压变压器原线圈两端的电压U3升高C.输电线损耗的功率增大 D.发电机的输出功率不变
解析　发电机的输出电压U1不变，升压变压器匝数比不变，则副线圈两端的电压U2不变，A错误；当用户开启的用电器增多时，功率增大，降压变压器的输出电流增大，则降压变压器原线圈中电流增大，输电线上的电流增大，可知输电线上的功率损耗增大、输电线上的电压损失升高，导致降压变压器的输入电压U3降低，B错误，C正确；用户开启的用电器增多，消耗的功率增大，发电机输出功率随之增大，D错误。
9.如图所示为额定电压为250 V的用户供电的远距离输电的示意图，已知输入原线圈n1两端的电压U1＝500 V，发电机的输出功率为P＝500 kW，输电线的电阻R＝12.5 Ω，如果输电线上损失的功率为输送功率的1%。如果图中的升压变压器以及降压变压器均为理想的变压器。则下列结论正确的是(　　)
A.n1∶n2＝1∶49B.n3∶n4＝99∶1C.流过输电线的电流为40 AD.降压变压器原线圈两端的电压为2 475 V
10.为响应国家“精准扶贫，产业扶贫”的战略，进一步优化能源消费结构，光伏发电成为精准扶贫的新途径，贫困户家庭多了一份固定收益的绿色环保存折，光伏发电将照亮“脱贫路”。如图是所建光伏发电项目。若光伏发电机产生的直流电已经过逆变 器转换成了正弦交流电向外输出，已知总输出功率为36 kW，输出电压为500 V，先后经过升压变压器和降压变压器传输到用户。设输电线的总电阻为10 Ω，要求输电线中因发热而损耗的功率为输送功率的4%，用户需要的电压为220 V，不计变压器的能量损耗。求：
(1)升压变压器的输出电压；(2)升压变压器和降压变压器原、副线圈的匝数比。
答案　(1)3 000 V　(2)1∶6　144∶11
解析　(1)输电线中因发热而损耗的功率
ΔP＝P×4%＝1 440 W
11.某学校有一台应急备用发电机，内阻R＝1 Ω，升压变压器原、副线圈的匝数之比为1∶4，降压变压器原、副线圈的匝数之比为4∶1，都可看作理想变压器，输电线的总电阻r＝4 Ω。全校22个教室，每个教室用“220 V　40 W”的灯泡6盏，要求所有灯泡都正常发光，求：(1)输电线上损耗的电功率；(2)发电机的输出功率；(3)发电机的电动势。
答案　(1)144 W　(2)5 424 W　(3)250 V
解析　(1)根据题意，画出从发电机到教室灯泡之间的输电过程，如图所示。
所有灯泡都正常工作的总功率
P4＝22×6×40 W＝5 280 W
所有灯泡都正常工作时的总电流
两个变压器之间输电线上的电流
故输电线上损耗的电功率
(2)升压变压器的输出功率
P2＝P损＋P4＝5 424 W
而发电机输出功率即为升压变压器的输入功率，也为升压变压器的输出功率，即
P出＝P1＝P2＝5 424 W。