2019-2020學(xué)年高中物理 第4章 遠(yuǎn)距離輸電 第1節(jié) 三相交變電流學(xué)案 魯科版選修3-2

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1、第1節(jié)　三相交變電流 　1.了解三相交流發(fā)電機的構(gòu)造和三相交變電流的產(chǎn)生及特點．　2.知道三相交變電源與負(fù)載的連接方式及線電壓與相電壓的關(guān)系．　3.了解三相交變電流在生產(chǎn)、生活中的廣泛應(yīng)用． ,　　　　　　　　[學(xué)生用書P46]) 一、三相交流發(fā)電機 1．定義：能同時生產(chǎn)出3相獨立的交變電流的發(fā)電機． 2．主要組成：電樞線圈和磁極． 3．分類 (1)功率相同的三相交流發(fā)電機與單相交流發(fā)電機在制造上沒有什么優(yōu)點．(　　) (2)三相交流發(fā)電機與單相交流發(fā)電機一樣，主要組成部分是電樞線圈和磁極. (　　) (3)三相交流發(fā)電機可分為旋轉(zhuǎn)磁極式和旋轉(zhuǎn)電樞式兩類．(　　)

2、 提示：(1)×　(2)√　(3)√ 二、三相交變電流的產(chǎn)生 1．三相交流電的產(chǎn)生：三個相同的線圈固定在一個鐵芯上，線圈平面互成120°角，鐵芯勻速轉(zhuǎn)動時，就相當(dāng)于三個線圈在磁場里切割磁感線運動，就產(chǎn)生了三相交變電流． 2．三相交流電的特點：三個交變電動勢的最大值和周期都相同，但是它們達(dá)到最大值(或零值)的時刻不同，依次落后． 1.三相交流發(fā)電機就是將三個電樞互成120°放到如圖所示的磁場中，三個電樞線圈獨立產(chǎn)生交變電流并能順利向外供電．請回答以下幾個問題： (1)三相交流發(fā)電機的工作原理是什么？ (2)假如三相交流發(fā)電機的三個線圈中有一個發(fā)生故障(燒斷)，另外兩個線圈產(chǎn)

3、生的感應(yīng)電動勢是否會發(fā)生變化？發(fā)生怎樣的變化？ 提示：(1)由題圖可知線圈在磁場中轉(zhuǎn)動形成電流，故應(yīng)是電磁感應(yīng)現(xiàn)象． (2)三相交流發(fā)電機中的三個線圈獨立工作，若有一個線圈損壞，另外兩個線圈能夠正常工作，且產(chǎn)生的交變電流最大值、有效值、瞬時值及周期、頻率均不變． 三、電源與負(fù)載的連接方式 1．三相四線制：將發(fā)電機繞組的3個末端接在一起，引出一個公共接頭，從3個繞組的始端引出3根導(dǎo)線叫做相線，又叫端線(照明電路中常稱為火線)，從公共接頭引出的導(dǎo)線叫做中性線，簡稱中線(或零線)．這種連接方式叫做三相四線制． 2．三相三線制：如果三相負(fù)載完全對稱，則通過中線的電流為零，此時取消中線也不影響

4、三相電路的工作，三相四線制就變成了三相三線制． 3．相電壓和線電壓 (1)相電壓：火線與中線之間的電壓，一般為220 V. (2)線電壓：火線與火線之間的電壓，一般為380 V. (3)線電壓與相電壓之間的關(guān)系：U線＝__U相． 4．負(fù)載與電源的連接方式 (1)三相四線制星形接法(如圖所示)． (2)三相三線制星形接法(如圖所示)． 2．從村莊的變壓器引出的輸電線通常有幾根線？是相線還是零線？ 提示：通常有四根，有三根相線，一根零線． 　三相交變電流的產(chǎn)生及特點[學(xué)生用書P47] 1．三相交變電流的產(chǎn)生：如圖所示，在勻強磁場中互成120°角分布著3個繞組A

5、X、BY、CZ，其中A、B、C為繞組的始端，X、Y、Z為繞組的末端，這3個繞組具有相同的匝數(shù)、繞向和速度． 2．三相交變電流的特點 (1)由于3個線圈相同，轉(zhuǎn)速相同，所以在每個線圈中產(chǎn)生的感應(yīng)電動勢最大值和周期均相同，并且都按正(余)弦規(guī)律變化． (2)由于3個線圈在空間互成120°角，所以三個交流電達(dá)到峰值(或零值)的時間依次落后. (3)公式描述：以AX繞組通過中性面時開始計時，AX、BY、CZ中產(chǎn)生的感應(yīng)電動勢分別是eA＝Emsin ωt，eB＝Emsin，eC＝Emsin. (4)圖象描述： 命題視角1　三相交變電流的產(chǎn)生原理 　(多選)下列關(guān)于三相交變

6、電流的產(chǎn)生原理的說法正確的是(　　) A．發(fā)電機中3個繞組具有相同的匝數(shù)和繞向，互成60°角 B．在轉(zhuǎn)動過程中，每個繞組產(chǎn)生的感應(yīng)電動勢的最大值和周期都相同 C．在轉(zhuǎn)動過程中，每個繞組產(chǎn)生的感應(yīng)電動勢的瞬時值都相同 D．發(fā)電機的三個繞組在轉(zhuǎn)動過程中達(dá)到最大值的時間依次落后T [解析]　發(fā)電機中的三個繞組具有相同的匝數(shù)和繞向，且互成120°角，所以選項A錯誤；三個繞組具有的匝數(shù)相同，則產(chǎn)生的感應(yīng)電動勢的最大值相同，周期相同，但由于它們互成120°角，所以達(dá)到最大值的時間依次落后個周期，故選項B、D正確，C錯誤． [答案]　BD 命題視角2　三相交變電流的特點 　(多選)有關(guān)三相

7、交變電流，下列說法正確的是(　　) A．三相電壓分別達(dá)到最大值的時刻不同 B．在三相四線制供電線路中，線電壓是相電壓的倍 C．3只標(biāo)有“220 V　100 W”的燈泡可按星形接法接入線電壓為380 V的三相四線制供電線路中，此時可省去中線 D．家用的單相用電器可接入三相四線制電路中的任意兩根導(dǎo)線之間 [解析]　三相電壓分別達(dá)到最大值的時間間隔為T，故A正確；在三相四線制供電線路中，線電壓是相電壓的倍，故B錯誤；在三相四線制電路中，線電壓為380 V，則相電壓為220 V，故3只“220 V　100 W”的燈泡可按星形接法接入，且負(fù)載對稱可省去中線，故C正確；三相四線制電路中任意兩火線

8、間的電壓為380 V，會燒壞用電器，故D錯誤． [答案]　AC 　電流與負(fù)載的連接方式[學(xué)生用書P47] 1．連接方式及特點 負(fù)載特點 三相負(fù)載對稱 三相負(fù)載不對稱 中線情況 中線中無電流，可以去掉 無零線 中線中有電流，必須保留中線 連接方式 三相三線制Y—Y接法 三相三線制△—△接法 三相四線制Y—Y接法 線相關(guān)系 U線＝U相 U線＝U相 U線＝U相 2.電源與負(fù)載的連接圖 (1)三相四線制星形接法． (2)三相三線制三角形接法． (3)三相三線制星形接法． 3．相線、中線的區(qū)分：通常用黃、綠、紅三色分別標(biāo)記相序為A、B、C的

9、相線，用黑色標(biāo)記中線． 　某三相交流發(fā)電機的線圈采用星形接法，每個線圈產(chǎn)生的電動勢的最大值為220 V，用它給三個完全相同的電爐供電，電爐的使用說明書上標(biāo)有“220 V　2 000 W”字樣，現(xiàn)在把三個電爐同時接到電源上，要求電爐工作時不會被燒壞，不計發(fā)電機線圈的內(nèi)阻，則以下說法正確的是(　　) A．三個電爐應(yīng)采用三角形接法 B．三個電爐應(yīng)采用星形接法 C．三個電爐采用三角形接法和星形接法時都能正常工作 D．若三個電爐采用星形接法，有中性線時每個電爐消耗的電功率為P1，中性線斷路后每個電爐消耗的電功率為P2，則P1＞P2 [解題探究] 星形接法和三角形接法分別有哪些特點？ [解析

10、]　由題意知，電源可以輸出兩種電壓，U相＝220 V，U線＝380 V．如果電爐采用三角形接法，則每個電爐兩端的電壓等于380 V，大于電爐的額定電壓，電爐被燒壞，而采用星形接法時，把電爐接在相線與中性線之間，電爐正常工作，選項B正確，A、C錯誤；因為三個電爐完全相同，采用星形接法，各相負(fù)載對稱，這時可去除中性線，電爐仍然正常工作，每個電爐消耗的電功率不變，故選項D錯誤． [答案]　B 生產(chǎn)中的三相負(fù)載一般都是對稱負(fù)載，即三相負(fù)載相同，采用星形接法時，中性線中沒有電流，可以去掉中性線；如果三相負(fù)載不對稱，則中性線中有電流，不能去掉．　 　1.(多選)一臺相電壓為220 V的交流發(fā)電

11、機，向L、M、N三處用戶供應(yīng)照明用電，用戶電燈的額定功率都相同，額定電壓都是220 V，線路如圖所示，則(　　) A．三處用戶的電路連接都是正確的 B．用戶M的電路連接是錯誤的 C．用戶M兩端的電壓高于L和N兩端的電壓 D．在這個電路中相電壓與線電壓是一樣大的 解析：選AD.在三相三線制三角形接法中，相電壓與線電壓相等，都是220 V．因此，三處用戶的電路連接都是正確的．A、D正確． 　線電壓和相電壓的關(guān)系[學(xué)生用書P48] 　在三相電路的計算中，一要弄清連接方式，二要確定線電壓與相電壓的關(guān)系，電源的星形連接U線＝U相，三角形連接U線＝U相，負(fù)載的星形接法I線＝I相，三角形接

12、法，I線＝I相． 　將實驗室里的手搖三相交流發(fā)電機三個線圈接上兩個交流電壓表，如圖所示，關(guān)于兩個電壓表的示數(shù)說法正確的是(　　) A．甲表的示數(shù)等于乙表的示數(shù) B．甲表的示數(shù)小于乙表的示數(shù) C．甲表的示數(shù)大于乙表的示數(shù) D．無法判斷兩表的示數(shù)大小 [解析]　甲表測量的是相電壓，乙表測量的是線電壓，線電壓是相電壓的倍，即U乙＝　　U甲，B正確． [答案]　B 　2.在三相交變電路中，下列說法正確的是 (　　) A．相電壓和線電壓一定相等 B．在三相電源為星形接法時，相電壓為380 V，線電壓為220 V C．在三相電源為三角形接法時，線電壓為380 V，相電壓為220

13、 V D．額定電壓為380 V的按三角形接法連接的電動機，用相電壓為220 V的星形接法連接的發(fā)電機供電，電動機仍可以正常工作 解析：選D.三相交流電源若按三角形接法，相電壓與線電壓相等，但在星形接法中線電壓為380 V，相電壓為220 V，U線＝　U相．因此D項中電動機仍可以正常工作． [隨堂檢測] [學(xué)生用書P48] 1．(多選)在勻速轉(zhuǎn)動的三相交流發(fā)電機中，關(guān)于三個線圈中產(chǎn)生的電動勢，下列說法正確的是(　　) A．按相同規(guī)律變化，同時達(dá)到最大值和最小值 B．具有相同的有效值 C．具有相同的周期和頻率 D．具有相同的最大值 解析：選BCD.三相交流發(fā)電機中，三

14、個線圈具有相同的有效值、周期、頻率及最大值；但它們的相位相差為π.故B、C、D正確，A錯誤． 2．(多選)對于三相交流發(fā)電機的說法正確的是(　　) A．三個單相交流發(fā)電機就組成一個三相交流發(fā)電機 B．三相交流發(fā)電機中有三個互成120°角的線圈，它們達(dá)到峰值的時刻依次落后個周期 C．三相交流發(fā)電機中的三個線圈是完全相同的，它們產(chǎn)生出三個瞬時值完全相同的交變電動勢 D．三相交流發(fā)電機中的三個線圈是完全相同的，它們產(chǎn)生出峰值和周期都相同的交變電動勢 解析：選BD.三相交流發(fā)電機中有三個線圈，相互成120°角，勻速轉(zhuǎn)動時，感應(yīng)電動勢最大值和周期相同，只是達(dá)到峰值的時刻依次落后個周期．所以選

15、項B、D正確，A、C錯誤． 3．如圖所示為負(fù)載和發(fā)電機線圈間的連接線路圖，關(guān)于它們的接法，正確的結(jié)論是(　　) A．都是△形連接 B．都是Y形連接 C．發(fā)電機線圈是△形連接，負(fù)載是Y形連接 D．發(fā)電機線圈是Y形連接，負(fù)載是△形連接 解析：選B.由圖知，發(fā)電機的三個線圈和負(fù)載的末端用一條導(dǎo)線連接起來，故都為星形接法，選項B正確． 4．如圖所示，A、B、C為三相交流電源，每個燈泡的額定電壓均為220 V，額定功率相同，則L與L′兩燈的實際功率之比為(設(shè)燈泡電阻恒定)(　　) A．1∶2　　 B．2∶1 C．1∶3 D．3∶1 解析：選D.由題意知線電壓U線＝220

16、V，對負(fù)載采用三角形接法，負(fù)載兩端的電壓都等于線電壓，因此L燈兩端電壓UL＝U線＝220 V．對負(fù)載采用星形接法來說，由于各相負(fù)載相同，每相負(fù)載的電壓為線電壓的倍，因此L′燈兩端電壓UL′＝U線＝V.設(shè)每盞燈的電阻為R，則L燈的實際功率PL＝＝，L′燈的實際功率PL′＝＝，故PL∶PL′＝3∶1. 5．(多選)如圖所示，相線A、B、C和中性線N接在三相交流電源上，AB間的線電壓U＝380sin(100πt)V，則(　　) A．相線的電勢總是高于中性線的電勢 B．電流表示數(shù)為sin(100πt)A C．B、N兩端電壓的有效值為220 V D．通過R的電流方向每秒鐘改變100次 解

17、析：選CD.在三相交流電路中，相線與中性線間的電勢差按正弦規(guī)律變化，所以相線的電勢并非總是高于中性線的電勢，選項A錯誤；電流表示數(shù)指的是有效值而不是瞬時值，選項B錯誤；B、N兩端的電壓即為相電壓，由線電壓的最大值為380 V，有效值為380 V，可知相電壓應(yīng)為220 V，選項C正確；因為交流電頻率f＝＝ Hz＝50 Hz，可見電流方向每秒鐘改變100次，選項D正確． [課時作業(yè)] [學(xué)生用書P95(單獨成冊)] 一、單項選擇題 1．一臺三相電爐，銘牌上標(biāo)有“220/380，△/Y”的字樣，由此可見 (　　) A．電爐每一相電熱元件的額定電壓是220 V B．電爐每一相電熱元件的額

18、定電壓是380 V C．供電線路線電壓是380 V，電爐的三相負(fù)載應(yīng)采用三角形連接 D．供電線路線電壓是220 V，電爐的三相負(fù)載應(yīng)采用星形連接 解析：選A.銘牌上“220/380，△/Y”的意義是供電線路都是星形接法，線電壓應(yīng)為380 V；供電線路都是三角形接法，線電壓是220 V，故應(yīng)選A. 2．關(guān)于三相交流電源與負(fù)載的連接方式，下列說法不正確的是(　　) A．負(fù)載采用何種連接方式取決于負(fù)載的額定電壓 B．發(fā)電機采用星形接法，負(fù)載就必須采用星形接法 C．三相對稱負(fù)載可以接成三角形，也可以接成星形 D．三相四線制和三相三線制的星形接法中U相＝＝220 V 解析：選B.負(fù)載采

19、用何種接法應(yīng)取決于負(fù)載的額定電壓，A對．三相負(fù)載對稱時可以按星形或三角形連接，C對．星形接法中U線＝U相，D對．發(fā)電機采用星形接法時，負(fù)載有星形、三角形兩種接法，B錯． 3．發(fā)電機三相繞組采用星形接法時，下列關(guān)于中性線的說法正確的是(　　) A．中性線不能去掉 B．當(dāng)三相負(fù)載不對稱時，中性線中無電流 C．中性線中一定沒有電流 D．當(dāng)三相負(fù)載對稱時，中性線中無電流 解析：選D.三相四線制星形接法中，若三相負(fù)載對稱，則中性線中無電流，可以去掉，形成三相三線制接法；若三相負(fù)載不對稱，各相用電情況不一定相同，中性線中有電流通過，不能去掉．故選項D正確，A、B、C錯誤． 4．三相交流發(fā)電機

20、的三個線圈中A相的電壓為U＝311sin(100πt)V，那么(　　) A．三個線圈中交變電流的頻率都為100 Hz B．在t＝0時，其他兩個線圈的輸出電壓也為零 C．若按星形接法，任意兩端線間的電壓最大值為380 V D．若按三角形接法，任意兩端線間的電壓為220 V 解析：選D.三相交流發(fā)電機每個線圈產(chǎn)生的感應(yīng)電動勢的頻率、電壓有效值(或最大值)均相同，但由于在步調(diào)上不一致，所以某一時刻輸出電壓的瞬時值不同；又f＝＝ Hz＝50 Hz；當(dāng)三個線圈按星形接法時，線電壓U線＝U相＝× V≈381 V，其最大值U線m＝U線≈539 V；當(dāng)三個線圈按三角形接法時，U線＝U相＝　V≈220

21、 V．故選項D正確． 5.三相電源的連接如圖所示，電路中的三個交流電壓表的示數(shù)U1、U2、U3間的關(guān)系是(　　) A．U1∶U2＝1∶ B．U1∶U3＝1∶1 C．U2∶U3＝1∶1 D．U2∶U3＝1∶ 解析：選B.該接法是星形接法，采用三相四線制對外供電，三只交流電壓表，其中V1、V3測量的是相電壓，V2測量的是線電壓，選項B正確． 6．如圖所示，ABC為一個三相電源的供電線，三個對稱負(fù)載接成三相三線制三角形電路，如供電電壓穩(wěn)定，當(dāng)負(fù)載改為星形接法時(　　) A．負(fù)載的電壓增加到原來的倍 B．負(fù)載的電流減小到原來的 C．負(fù)載的功率增加到原來的3倍 D．負(fù)載的功

22、率減小到原來的 解析：選B.三相三線制三角形接法中每相負(fù)載的相電壓等于線電壓，星形接法當(dāng)中U線＝U相，由三相三線制三角形接法改為星形接法時，線電壓不變，所以相電壓變?yōu)樵瓉淼?，?fù)載的電流減小到原來的，由P＝可知，負(fù)載的功率減小到原來的，B對，A、C、D錯． 二、多項選擇題 7．關(guān)于三相交變電流，下列說法正確的是(　　) A．三相交流發(fā)電機的三個線圈產(chǎn)生的交變電動勢有相同的周期和最大值 B．三相交流發(fā)電機的三個線圈的每一個線圈不可以單獨向外供電 C．三相交流發(fā)電機的三個線圈產(chǎn)生的電動勢同時達(dá)到最大值 D．三相交流發(fā)電機的三個線圈產(chǎn)生電動勢最大值的時間依次相差三分之一個周期 解析：選

23、AD.產(chǎn)生三相交變電動勢的三個線圈是相互獨立的，每一個都相當(dāng)于一個獨立的電源，可以單獨供電，只是它們到達(dá)最大值的時間依次相差三分之一個周期，選項A、D正確，B、C錯誤． 8．動力供電線路中，采用三相四線制供電，交流電的頻率為50 Hz，兩根相線之間的電壓為380 V，則(　　) A．相電壓為220 V B．線電壓最大值為380 V C．線電壓為相電壓的倍 D．交流電周期為0.02 s 解析：選ACD.在三相四線制中，如果線電壓為380 V(有效值)，則相電壓一定為220 V，線電壓為相電壓的倍，所以A、C正確，B錯誤；由于f＝50 Hz，所以周期為0.02 s，故D正確． 9．如

24、圖為三相四線制供電線路，L1、L2和L3是完全相同的三盞燈，都正常發(fā)光，那么(　　) A．若OO′斷路，則三盞燈熄滅 B．若OO′斷路，三盞燈仍正常發(fā)光 C．若OO′和AA′同時斷路，則L2、L3將變暗 D．若OO′斷路、燈L1短路，則L2、L3將燒壞 解析：選BCD.由于三相負(fù)載相同，所以即使OO′斷路，三燈也能正常發(fā)光，A錯，B對；對于選項C，加在L2、L3上的電壓均為190 V，所以燈將變暗，C對；對于選項D，加在L2、L3上的電壓均為380 V，所以燈將燒壞，D對． 10．如圖所示，發(fā)電機每個繞組兩端的電壓(相電壓)為220 V，三個負(fù)載電阻均為100 Ω.下列說法中正

25、確的是(　　) A．發(fā)電機繞組采用“Y”接法，負(fù)載采用“△”接法 B．每個負(fù)載電阻兩端的電壓為220 V C．每個負(fù)載電阻兩端的電壓為380 V D．通過每個負(fù)載的電流為3.8 A 解析：選ACD.對發(fā)電機而言，由于采用星形接法，所以如果相電壓為220 V，那么線電壓就是380 V，所以每個負(fù)載兩端的電壓為380 V，通過每個負(fù)載的電流為3.8 A. 三、非選擇題 11．把三組額定電壓均為220 V，額定功率分別為P1＝1 000 W、P2＝500 W、P3＝2 000 W的白熾燈按如圖所示方式接入線電壓為380 V的三相電路中． (1)求流過每相負(fù)載的電流強度； (

26、2)A相負(fù)載斷開或短路時，對B、C兩相負(fù)載有何影響． 解析：(1)三個燈兩端的電壓U＝＝ V＝220 V 由P＝UI得三燈中的電流分別為 I1≈4.55 A，I2≈2.27 A，I3≈9.09 A. (2)由于有中性線，所以A相負(fù)載斷開或短路時，對B、C兩相負(fù)載無影響． 答案：(1)4.55 A　2.27 A　9.09 A (2)電壓不變，仍正常工作 12．在線電壓為380 V的三相交流電路中，如圖所示，接有三只電阻均為484 Ω的電燈．問： (1)這三只電燈屬何種接法？每只燈的電壓、電流、功率各是多少？ (2)若L1燈的保險絲熔斷，則其余兩燈的電壓、電流、功率又各是多少

27、？ (3)若L1燈短路，則其余兩燈的情況怎樣？ 解析：(1)屬于星形接法，每只燈上的電壓為相電壓，即 U＝220 V，根據(jù)歐姆定律和功率公式得： I＝＝ A≈0.45 A，P＝＝ W＝100 W. (2)若L1燈保險絲熔斷，即斷開了一相，此時屬于線電壓加在BC兩端，這兩只燈每只燈上的電壓為U2＝190 V，電流、功率分別是I2＝＝ A≈0.4 A， P2＝＝ W≈74.6 W. (3)若L1燈短路，則O點與A等電勢，L2、L3兩燈兩端的電壓均為線電壓380 V，均被燒毀． 答案：(1)星形接法　均為220 V　均為0.45 A　均為100 W　(2)均為190 V　均為0.4 A　均為74.6 W　(3)均被燒毀 14