内容正文:
素养提升课(六) 变压器的应用
1.会分析变压器的动态变化问题,掌握解答此类问题的思路。
2.理解自耦变压器和两种互感器的原理。
3.掌握变压器的原理,会解答具有多个副线圈的变压器问题。
4.理解变压器与分压器的区别。
理想变压器的动态变化问题
1.变压器的动态电路分析
一是要符合变压器的基本规律(电压、电流、功率关系);二是要遵循欧姆定律。首先确定是哪些量在变,哪些量不变,然后根据相应的规律判断,具体问题具体分析。
2.需要注意的两点
(1)负载增多,不等于总电阻变大。并联的负载增多对应用电器增多,消耗功率增大,其总电阻减小。
(2)负载发生变化时,判断电流和电压如何变化:先要由判断U2是否变化,再根据U2及负载电阻变大或变小的情况,由欧姆定律确定线圈中的电流I2的变化情况,最后再由P入=P出判断原线圈中电流的变化情况。
【典例1】 (负载变化引起的动态变化)在如图所示的交流电路中,理想变压器原、副线圈的匝数比为3∶1,电阻R1=R2=4 Ω,R3为滑动变阻器。电源电压u随时间t变化的规律为u=22sin 100πt(V),电流表为理想电表,则下列说法正确的是( )
A.当R3=4 Ω时,电流表的示数为2 A
B.若将R3的滑片向下移动,则电流表的示数减小
C.若将R3的滑片向上移动,则副线圈两端的电压减小
D.改变滑动变阻器的阻值,使理想变压器的输出功率最大时,R3=5 Ω
B [当R3=4 Ω时,副线圈等效电阻为R并= Ω=2 Ω,设原线圈电流为I,则副线圈电流为3I,有,电源电压有效值为U==22 V,解得I=1 A,电流表的示数为I′=1.5 A,故A错误;若将R3的滑片向下移动,则副线圈等效电阻减小,由分析可知,原线圈电流增大,原线圈两端电压减小,副线圈两端的电压减小,电流表的示数减小,故B正确,C错误;理想变压器的输出功率为P=(U-IR1)I,当I=时理想变压器的输出功率最大,且3I=,解得R3=0.5 Ω,故D错误。]
负载变化引起的动态变化问题的解题思路
变与不变结合,根据答题模型从副线圈向原线圈推进。如果原、副线圈的匝数不变,则副线圈电压不变,根据负载电阻的变化,判断出副线圈电流或功率的变化情况,然后根据输出功率决定输入功率的特点,分析原线圈电流或功率的变化。
【典例2】 (线圈匝数变化引起的动态变化)(多选)如图所示,理想变压器原线圈接在u=220sin 100πt(V)的交流电源上,副线圈匝数可通过滑片P来调节。当滑片P处于图示位置时,原、副线圈的匝数比n1∶n2=2∶1,为了使图中“100 V 50 W”的灯泡能够正常发光,下列操作可行的是 ( )
A.仅将滑片P向上滑动
B.仅将滑片P向下滑动
C.仅在副线圈电路中并联一个阻值为20 Ω的电阻
D.仅在副线圈电路中串联一个阻值为20 Ω的电阻
BD [原线圈电压有效值U1= V=220 V,则副线圈电压有效值U2=×220 V=110 V>100 V,为了使灯泡能够正常发光,则需要减小副线圈电压,即仅将滑片P向下滑动;或者仅在副线圈电路中串联一个电阻,阻值为R==20 Ω,B、D正确。]
[针对训练]
1.如图所示,面积为S、匝数为N、内阻不计的矩形线圈,在磁感应强度为B的匀强磁场中,从图示位置开始计时,绕水平轴OO′以角速度ω匀速转动。矩形线圈通过滑环连接理想变压器。理想变压器原线圈上的滑动触头P上下移动可改变副线圈的输出电压,副线圈接有可变电阻R,电表均为理想交流电表。导线电阻不计,下列判断正确的是( )
A.线圈产生的感应电动势的瞬时值表达式为e=NBS sin ωt
B.当线圈转过90°时,电压表示数为0
C.当仅将R阻值增大时,电压表示数增大
D.当仅将P位置向下移动时,电流表示数变小
D [从垂直于中性面开始计时,矩形线圈产生的感应电动势的瞬时值表达式为e=NBSωcos ωt,故A错误;矩形线圈产生的感应电动势的有效值为E=NBSω,所以电压表的示数为NBSω,故B错误;交流发电机内阻不计,故变压器输入电压不变,根据理想变压器原、副线圈电压与匝数的关系,当P位置不动,R增大时,电压表读数不变,仍然等于发电机的电动势有效值,故C错误;当P位置向下移动、R不变时,n1变大,输出电压变小,故电流变小,功率变小,故输入电流也变小,即电流表示数变小,故D正确。]
几种特殊的变压器
1.自耦变压器
如图甲所示是自耦变压器的示意图。这种变压器的特点是铁芯上只绕有一个线圈。如果把整个线圈作为原线圈,副线圈只取线圈的一部分,就可以降低电压;如果把线圈的一部分作为原线圈,整个线圈作为副线圈,就可以升高电压。
调压变压器就是一种自耦变压器,它的构造如图乙所示。线圈AB绕在一个圆环形的铁芯上,AB之间加上输入电压U1,移动滑动触头P的位置就可以调节输出电压U2。
2.互感器
电压互感器
电流互感器
原理图
原线圈的连接
并联在高压电路中
串联在待测大电流电路中
副线圈的连接
连接电压表
连接电流表
互感器的作用
将高电压变为低电压
将大电流变为小电流
关系式
【典例3】 如图所示,L1和L2是高压输电线,甲、乙是两个互感器,若已知n1∶n2=1 000∶1,n3∶n4=1∶100,图中电压表示数为220 V,电流表示数为10 A,则高压输电线的送电功率为( )
A.2.2×103 W B.2.2×10-2 W
C.2.2×108 W D.2.2×104 W
C [根据题图甲可得,高压输电线的送电电压U=U甲=220 kV;根据题图乙可得,送电电流I=I乙=1 000 A,所以高压输电线的送电功率P=UI=220 kV×1 000 A=2.2×108 W,C正确。]
互感器的区分技巧
(1)电压互感器是降压变压器,根据知n1>n2。
电流互感器是升压变压器,根据知n1<n2。
(2)区分电压互感器与电流互感器的三个标志:
①测量仪器不同,前者为,后者为Ⓐ。
②原、副线圈匝数关系不同。
③原线圈接线方式不同,前者接在火线和零线间,后者接在火线上。
[针对训练]
2.如图所示是一台家用台灯亮度调节原理图,自耦变压器接入正弦交流电压,电流表A、电压表V分别为理想交流电流表和理想交流电压表。若将调压端的滑动触头P向下移动,则( )
A.电压表V的示数变小
B.变压器的输出功率变大
C.电压表V、电流表A测得的是瞬时值
D.电流表A的示数变大
A [将调压端的滑动触头P向下移动,副线圈匝数减小,根据,可知副线圈两端的电压减小,故电压表V的示数变小,故A正确;副线圈两端的电压减小,灯的功率减小,故变压器的输出功率变小,故B错误;电压表V、电流表A测得的是有效值,故C错误;变压器的输出功率变小,可知变压器的输入功率变小,则原线圈电流减小,故电流表A的示数变小,故D错误。]
有多个副线圈的变压器
如图所示,S1、S2都闭合:
(1)电压关系:。
(2)电流关系:n1I1=n2I2+n3I3。
(3)功率关系:P1=P2+P3。
【典例4】 如图所示,理想变压器原线圈的匝数为1 000 匝,两个副线圈的匝数分别为n2=50匝和n3=100匝,L1是“6 V 2 W”的小灯泡,L2是“12 V 4 W”的小灯泡。当原线圈接上交变电压时,L1、L2都正常发光,那么原线圈中的电流为( )
A. A B. A
C. A D. A
C [两灯泡正常发光,对L1有U2=6 V,I2= A,对L2有U3=12 V,I3= A,对多个副线圈,其电压关系有,则输入功率和输出功率相等,有n1I1=n2I2+n3I3。原线圈上电压U1=×6 V=120 V,副线圈上总的输出功率P出=PL1+PL2=2 W+4 W=6 W,原线圈上输入功率P入=P出=6 W,原线圈中的电流I1= A= A,故选项C正确。]
理想变压器的电压关系,对于一个或多个副线圈均适用,而电流关系,适用于只有一个副线圈的变压器。处理含有多个副线圈的变压器问题时,首选P入=P出,从输出端的P出打开突破口。
[针对训练]
3.(多选)如图所示,有一理想变压器,原线圈匝数为n1,两个副线圈的匝数分别为n2和n3,原、副线圈的电压分别为U1、U2、U3,电流分别为I1、I2、I3,两个副线圈负载电阻的阻值未知,下列结论中,正确的是( )
A.U1∶U2=n1∶n2,U2∶U3=n2∶n3
B.
C.n1I1=n2I2+n3I3
D.I1U1=I2U2+I3U3
ACD [变压器的匝数与电压成正比,所以,故A正确;由于变压器的输入功率等于输出功率,所以得I1U1=I2U2+I3U3,联立以上各式得n1I1=n2I2+n3I3,故C、D正确,B错误。]
变压器和分压器区别
变压器和分压器都能起到改变电压的作用,但二者有着本质区别,如图所示。
1.变压器是一种电感性仪器,是根据电磁感应原理工作的;而分压器是一种电阻性仪器,是根据电阻串联分压原理工作的。
2.变压器只能改变交流电压,不能改变直流电压;而分压器既可改变交流电压,也可改变直流电压。
3.变压器可以使交流电压升高或降低;而分压器不能使电压升高。
4.对于理想变压器,电压与线圈匝数成正比,即Uab∶Ucd=n1∶n2;而对于分压器,电压与电阻成正比,即Uef∶Ugh=Ref∶Rgh。
5.若在cd间、gh间分别接入负载电阻R0后,对于变压器,Ucd不随R0的变化而变化;而对于分压器,Ugh将随R0的增大而增大,随R0的减小而减小。
6.理想变压器工作时,穿过铁芯的磁通量是一定的,线圈两端的电压遵循法拉第电磁感应定律,两线圈中存在E1=n1;而分压器工作时,回路电流为定值,遵循欧姆定律,即Uef=IRef,Ugh=IRgh。
7.理想变压器的输入功率随输出功率的变化而变化,且始终相等,即P入=P出;而分压器空载时,输入功率P入=I2Ref 不变。
【典例5】 如图甲、乙所示电路中,当A、B接10 V交变电压时,C、D间电压为4 V,M、N接10 V直流电压时,P、Q间电压也为4 V。现把C、D间接4 V交流,P、Q间接4 V直流,下面哪个选项可表示A、B间和M、N间的电压( )
A.10 V 10 V B.10 V 4 V
C.4 V 10 V D.10 V 0
B [对于题图甲,当A、B作为输入端,C、D作为输出端时,相当于一个降压变压器,两边电压之比等于两边线圈的匝数之比,当C、D作为输入端,A、B作为输出端时,相当于一个升压变压器,电压比也等于匝数比,所以C、D间接4 V交流时,A、B间将得到10 V交流。题图乙是一个分压电路,当M、N作为输入端时,上、下两个电阻上的电压跟它们的电阻的大小成正比。但是当把电压加在P、Q两端时,电流只经过下面的电阻,上面的电阻中没有电流,两端也就没有电势差,即M、P两点的电势相等,所以当P、Q间接4 V直流时,M、N两端的电压也是4 V,故B正确。]
[针对训练]
4.在如图(a)、(b)所示的两个电路中,当a、b两端与e、f两端分别加220 V的交变电流电压时,测得c、d间和g、h间的电压均为110 V。
(1)若分别在c、d两端和g、h两端加110 V的交变电流电压,则a、b间和e、f间的电压各是多少?
(2)若分别在c、d两端和g、h两端加110 V的直流电压,则a、b间和e、f间的电压各是多少?
[解析] (1)当a、b两端接220 V的交变电压时,测得c、d两端的电压为110 V,根据
则原、副线圈匝数比为2∶1,所以当c、d两端加上110 V交变电压,根据
a、b间的电压为Uab=220 V
当g、h两端加上110 V交变电压时,e与滑片间无电流,电压为零,故e、f两端电压与g、h两端电压相同,也为110 V。
(2)若在c、d两端加110 V的直流电压,根据变压器原理,a、b间的电压为零;g、h两端加110 V的直流电压,e与滑片间无电流,电压为零,e、f两端电压与g、h两端电压相同,也为110 V。
[答案] (1)220 V 110 V (2)0 110 V
素养提升练(六) 变压器的应用
一、选择题
1.如图所示是四个可以控制台灯亮度的电路,其中所用的灯泡上都标有“220 V 40 W”字样,变压器为理想变压器。当灯泡消耗的电功率都调至20 W时,哪个电路中台灯消耗的电功率最小( )
A B
C D
C [台灯消耗的功率指的是灯泡和其他辅助器件的总功率,不论滑动变阻器是分压接法还是限流接法,滑动变阻器上总有功率损耗,即台灯的消耗功率都大于20 W,A、B、D错误;理想变压器功率损耗为零,电源输出的总功率(台灯消耗功率)只有灯泡的功率20 W,C正确。]
2.钳形电流测量仪的结构图如图所示,其铁芯在捏紧扳手时会张开,可以在不切断被测载流导线的情况下,通过内置线圈中的电流值I和匝数n获知载流导线中的电流大小I0。关于该钳形电流测量仪的说法正确的是( )
A.该测量仪可测量直流电的电流
B.载流导线中电流大小I0=
C.若钳形部分铁芯没有完全闭合,测量出的电流将小于实际电流
D.若将载流导线在铁芯上多绕几匝,钳形电流测量仪的示数将变小
C [直流电产生的磁场,通过内置线圈的磁通量不变,线圈中不产生感应电动势,即无感应电流,选项A错误;由可知,载流导线中电流大小I0=nI,选项B错误;若钳形部分铁芯没有完全闭合,则通过内置线圈中的磁通量变小,磁通量的变化率也变小,故产生的感应电流变小,测量出的电流将小于实际电流,选项C正确;由可知,钳形电流测量仪的示数将变大,选项D错误。]
3.(多选)如图所示,高铁的供电流程是将高压220 kV或110 kV经过牵引变电所进行变压,降至27.5 kV,通过接触网上的电线与车顶上的受电器进行接触而完成受电,机车最终获得25 kV的电力使高铁机车运行。以下说法正确的是( )
A.若电网的电压为220 kV,则变电所的变压器原、副线圈匝数比n1∶n2=8∶1
B.若电网的电压为110 kV,则变电所的变压器原、副线圈匝数比n1∶n2=1∶4
C.如果高铁机车功率为9 000 kW,则自牵引变电所至机车间的等效电阻约为6.9 Ω
D.如果高铁机车功率为9 000 kW,则自牵引变电所至机车间的等效电阻约为7.6 Ω
AC [若电网的电压为220 kV,则变电所的变压器原、副线圈匝数比为==,若电网的电压为110 kV,则变电所的变压器原、副线圈匝数比为n1∶n2=4∶1,A正确,B错误;若高铁机车功率为9 000 kW,根据P=IU,U=25 kV,则电流I=360 A,牵引变电所至机车间的等效电阻R=≈6.9 Ω,C正确,D错误。]
4.如图甲所示为教室的挂扇,图乙为一种自耦调压器的结构示意图,线圈均匀绕在圆环形铁芯上。若在A、B端输入电压按u=220sin 100πt(V)规律变化的交流电,在B、C间接风扇。下列表述正确的是( )
A.接入风扇的交流电频率为100 Hz
B.触头P转到线圈中间位置时,风扇所加电压为110 V
C.触头P顺时针旋转时,A、B间输入电流增大
D.触头P顺时针旋转时,风扇的转速加快
B [由交流电源电压的表达式可知ω==100π rad/s,T==0.02 s,则有交流电的频率为f= Hz=50 Hz,自耦调压器不改变交流电的频率,所以接入风扇的交流电频率为50 Hz,A错误;交流电源电压的有效值为U= V=220 V,此电压加在线圈的A、B两端,所以触头P转到线圈中间位置时,风扇所加电压为110 V,B正确;触头P顺时针旋转时,B、C间的线圈匝数减少,电压减小,给风扇所加电压减小,风扇电流减小,自耦调压器的输出功率减小,风扇的转速减慢,输入功率减小,输入电压有效值不变,A、B间输入电流减小,C、D错误。]
5.(多选)如图所示,理想变压器的副线圈上通过输电线接有两个相同的灯泡L1和L2,输电线等效电阻为R。开始时,开关S断开。当S接通时,以下说法正确的是( )
A.副线圈两端M、N的输出电压减小
B.副线圈输电线等效电阻R上的电压增大
C.通过灯泡L1的电流减小
D.原线圈中的电流大小不变
BC [根据变压器原、副线圈电压比等于匝数比可得U2=U1,可知副线圈两端M、N的输出电压由匝数比和输入电压决定,当S接通时,副线圈两端M、N的输出电压不变,故A错误;当S接通时,副线圈总电阻减小,根据I2=可知副线圈电流增大,则副线圈输电线等效电阻R上的电压增大,则灯泡L1两端电压减小,通过灯泡L1的电流减小,故B、C正确;根据,可知原线圈中的电流增大,故D错误。]
6.(多选)调压变压器是一种能在0~250 V范围内连续调节输出电压的变压器。如图甲所示为理想调压变压器,当滑动接头P上下移动时可改变输出电压。若原线圈A、B两端的输入电压u1不变,用户C、D两端电压u2随时间t变化的曲线如图乙所示。以下说法正确的是( )
A.用户C、D两端电压u2=217sin 50πt(V)
B.用户C、D两端电压u2=217sin 100πt(V)
C.应将P适当下移,才能使用户C、D两端电压升到220 V
D.应将P适当上移,才能使用户C、D两端电压升到220 V
BD [由题图乙可知,用户C、D两端电压满足正弦式变化,则有u2=Umsin ωt,其中Um=217 V,ω= rad/s=100π rad/s,代入可得u2=217sin 100πt(V),故A错误,B正确;若将P适当下移,则原线圈匝数增加,根据原、副线圈两端电压与匝数之间的关系,可得u2=,而输入端电压u1不变,因此可知u2将减小,不能使用户C、D两端电压升到220 V,而若将P适当上移,原线圈匝数n1减小,在输入端电压u1不变的情况下,u2将增加,因此才能使用户C、D两端电压升到220 V,故C错误,D正确。]
7.如图所示为某种电吹风电路图,a、b、c、d为四个固定触点。绕O点转动的扇形金属触片P,可同时接触两个触点。触片P处于不同位置时,电吹风可处于停机、吹冷风和吹热风三种工作状态。n1和n2分别是理想变压器原、副线圈的匝数,该电吹风的各项参数如表所示。下列说法正确的是( )
冷风时输入功率
50 W
热风时输入功率
450 W
小风扇额定电压
50 V
正常工作时小风扇输出功率
45 W
A.触片P同时接触b、c两个触点时电吹风吹热风
B.理想变压器原、副线圈的匝数比n1∶n2=5∶22
C.电吹风吹热风时电热丝上的电流为 A
D.小风扇的内阻为5 Ω
D [触片P同时接触b、c两个触点时,电热丝未接入电路,电吹风吹冷风,故A错误;由理想变压器的变压规律可知,理想变压器原、副线圈的匝数比=,故B错误;根据P=UI可得,电吹风吹热风时电热丝上的电流为I1= A= A,故C错误;小风扇正常工作时产生的热功率为P热=50 W-45 W=5 W,通过小风扇的电流为I2= A=1 A,根据P热=r可得小风扇的内阻为r= Ω=5 Ω,故D正确。]
8.如图所示,在理想自耦变压器的输入端和输出端分别连接阻值为 R1=2 Ω、R2=8 Ω的定值电阻,原线圈匝数为n1=100匝,副线圈匝数n2可通过触片P进行调节,已知原线圈接在稳定的交流电源上,电动势的表达式为e=220sin 100πt(V),电源内阻r=6 Ω,电压表、电流表均为理想电表。则当n2=50匝时,通过电阻R1的电流为( )
A.4.5 A B.5.5 A C.6.5 A D.7.5 A
B [电源电动势有效值为E=220 V,设通过R1的电流为I1,则变压器初级电压U1=E-I1(R1+r),则,解得I1=5.5 A,故选B。]
9.(多选)如图所示,发电机的矩形线圈长为2l、宽为l,匝数为N,放置在磁感应强度大小为B的匀强磁场中,理想变压器的原、副线圈匝数分别为n0、n1和n2,两个副线圈分别接有电阻R1和R2,当发电机线圈以角速度ω匀速转动时,理想电流表读数为I,不计线圈电阻,下列说法正确的是( )
A.通过电阻R2的电流为
B.电阻R2两端的电压为
C.n0与n1的比值为
D.发电机的功率为
BC [电阻R1的电压为U1=IR1,根据理想变压器原、副线圈电压的关系可得,电阻R2两端的电压满足,解得U2= U1=IR1,通过电阻R2的电流为I2=,A错误,B正确;发电机线圈电动势的峰值为Um=NBSω=2NBl2ω,则发电机线圈电动势的有效值为U0=NBl2ω,根据理想变压器原、副线圈电压关系,有,C正确;发电机的功率为P=P1+P2=I2R1+,与n1、n2有关,D错误。]
10.(多选)如图所示,图中ab端所接交变电压u=,L1、L2是规格为“20 V 10 W”的灯泡,现调节电阻箱R为某一值时恰好能使两个灯泡均正常发光,变压器为理想变压器,则( )
A.灯泡正常发光时的电阻为40 Ω
B.增大R连入电路的阻值,电压表示数将减小
C.变压器原、副线圈匝数比为10∶1
D.恰好能使两个灯泡均正常发光时电阻箱R的阻值为 Ω
AC [灯泡正常发光时的电阻为RL==40 Ω,故A正确;增大R连入电路的阻值,则副线圈所在电路的电流将减小,根据理想变压器原、副线圈之间的电流关系可知,原线圈中的电流将减小,则灯泡L1两端的电压将减小,电压表的示数则会增大,故B错误;灯泡正常发光时通过的电流为I==0.5 A,变压器原线圈输入电压为U1=220 V-20 V=200 V,副线圈输出电压为U2=20 V,所以原、副线圈匝数比为n1∶n2=U1∶U2=10∶1,故C正确;由于变压器输入功率等于输出功率,即U1I=PL+,解得R= Ω,故D错误。]
二、非选择题
11.如图甲所示,理想变压器原、副线圈的匝数n1∶n2=3∶1,原线圈电路中接有一量程为3 A的理想交流电流表,副线圈两端接有理想交流电压表、可变电阻R以及若干“6 V 6 W”的相同灯泡。输入端交变电压u的图像如图乙所示。
(1)求图甲中电压表的读数;
(2)要求灯泡均正常发光,求电路中最多允许接入的灯泡个数。
[解析] (1)根据题图乙,可得原线圈电压的最大值Um=27 V,其有效值为U1=27 V
根据n1∶n2=U1∶U2
代入数据可得电压表的读数U2=9 V。
(2)设原线圈中通过的电流为I1,副线圈中通过的电流为I2,为使副线圈接入的灯泡最多,则I1=3 A
根据
代入数据可得I2=9 A
正常发光时每个灯泡中电流为I灯==1 A
所以允许接入的灯泡个数为n==9(个)。
[答案] (1)9 V (2)9个
12.如图所示,理想变压器原线圈中输入电压U1=3 300 V,副线圈两端电压U2为220 V,输出端连有完全相同的两个灯泡L1和L2,绕过铁芯的导线所接的电压表V的示数U=2 V。
(1)原线圈n1等于多少匝?
(2)当开关S断开时,电流表A2的示数I2=5 A,则电流表A1的示数I1为多少?
(3)当开关S闭合时,电流表A1的示数I1′等于多少?
[解析] (1)由电压与变压器匝数的关系可得=U,则n1=1 650匝。
(2)当开关S断开时,有U1I1=U2I2
得I1= A。
(3)当开关S断开时,有RL==44 Ω
当开关S闭合时,设副线圈总电阻为R′,有R′==22 Ω,副线圈中的总电流I2′==10 A,由U1I1′=U2I2′可知,I1′= A。
[答案] (1)1 650匝 (2) A (3)
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