2016-2017学年高中物理第4章远距离输电第1节三相交变电流教师用书鲁科版选修

第1节三相交变电流
学习目标知识脉络
1.了解三相交流发电机的构造.
2.了解三相交变电流的产生及特点.
3.知道三相交变电源与负载的连接
方式，线电压与相电压的关系．(重
点、难点)
4.了解三相交变电流在生产、生活中
的广泛应用
三相交变电流
[先填空]
1．三相交流发电机
(1)发电机组成、分类
概念同时产生出三相独立的交变电流的发电机
组成电枢线圈和磁极
分类旋转磁极式旋转电枢式输出功率大输出功率小
(2)
三个绕组具有相同的匝数、绕向，互成120°角．
2．三相交变电流的产生
(1)旋转磁极式发电机
图4­1­1
(2)三相交流电的产生原理
旋转磁极式发电机的三个线圈按如图4­1­1所示的方式排列，当此转子在磁场中转动时，三个线圈都会产生感应电动势，且感应电动势的最大值、周期和频率都相同．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，将依次落后三分之一个周期．
(3)图象
图4­1­2
3．电源与负载的连接方式
(1)常用的两种连接方式：三相四线制星形接法、三相三线制星形接法．
(2)线电压和相电压
①线电压：火线与火线之间的电压，一般为380 V.
②相电压：火线与中线之间的电压，一般为220 V.
③两者关系：在星形接法中U线＝3U相．
[再判断]
1．三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．(√)
2．三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．(√)
3．三相交流发电机线圈采用星形接法时，负载也必须采用星形连接．(×)
[后思考]
你知道你们家乡的照明电压是多少吗？它是什么电压？
【提示】生活中的照明电压是220 V，它是相电压．
[合作探讨]
在日常生活中，我们能看到电视机、洗衣机等用电器的电源插头有三只引脚，而录音机、影碟机等用电器的电源插头只有两只引脚．
探讨1：这些用电器用的是三相交变电流还是单相交变电流？
【提示】三相电广泛用于工业生产，居民用电在多数情况下都是单相的．与此相应，三相插头和插座多用于工业，而单相插头和插座则多用于一般家庭、学校和事业单位．但为安全起见，一般家用或办公用电器的外壳上都接地线，以保证万一发生漏电时，不会导致接触电器的人体遭受电击．这样的电器，其电源插头都做成三只引脚，如电冰箱、洗衣机、电熨斗等．其中一个较粗或较长的引脚是专门用于接地的，而另外两只脚则用于和单相电源的火线与零线接通．因此，与之配套的插座也一律是三孔的．
探讨2：三相的“相”是什么意思？
【提示】 相，就是电源组；三相，就是3个电源组．
探讨3：三相交流发电机和单相发电机有何相同点和不同点？
【提示】 单相发电机只有一组线圈，只产生一相交变电动势．三相交流发电机有三组互成120°的线圈，产生三相独立的交变电流，每组线圈产生交变电动势的原理跟单相发电机的原理相同，都是靠线圈和磁场发生相对运动，利用电磁感应现象产生交变电流．
[核心点击]
1．三相交变电流的产生
三相交流发电机内装有三个完全相同的线圈，三个线圈平面互成120°角放置在同一磁场中．以旋转磁极式发电机为例，当转子磁场匀速转动时，等效于定子线圈做切割磁感线运动，由于定子的三个线圈相同，三个线圈平面在空间互成120°角．故能产生三相交变电流．
2．三相电流的异同
(1)相同点：
①同为正弦式交流电，E 最大＝2E 有效．
②具有相同的周期．
③具有相同的峰值和有效值．
④相邻两相间有相同的相位差．
(2)不同点：它们达到最大值(或零值)的时刻不同，依次落后13
个周期． 3．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 sin ωt ，e B ＝E m sin(ωt －2π3)，e C ＝E m sin(ωt －4π3
)． 4．图象描述
图4­1­3
5．电源与负载的几种连接方式及特点
负载特点
三相负载对称 三相负载不对称 有无中线 中线中无电流，可以去掉
中线中有电流，必须保留中线 连接方式 三相三线制星形
接法三相三线制三角形接法
三相四线制星形接法
线相关系
U线＝3U相
I线＝I相
U线＝U相
I线＝3I相
U线＝3U相
I线＝I相
1．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】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T/3，B对，A、C、D 错．
【答案】B
2．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】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，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；由三相交变电动势的图象(如图)可知：选项C错误．
【答案】D
3.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4­1­4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( )
图4­1­4
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】负载使用的星形接法，相电压与线电压的关系是U线＝3U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，所以中性线上电流为0.
【答案】D
区分星形接法与三角形接法的方法
区分星形接法还是三角形接法的关键是看每相负载两端分别与什么线连接，若三相负载连接于一点，负载的另一端分别与三根相线相连，则属于星形连接，若三相负载每相两端都分别连接两根相线，则属于三角形接法．
学业分层测评(十)
(建议用时：45分钟)
[学业达标]
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】由三相交流发电机的原理和分类可知选项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，每一相交变电流均可单独使用，选项C错误，D正确．【答案】ABD
2．(多选)电源插座有两孔插座和三孔插座，空调机、冰箱、微波炉等家用电器用三孔插座，录音机、电视机等电器用两孔插座，则以下说法正确的是( )
A．两孔插座的电压是相电压
B ．三孔插座上任意两个插孔间的供电电压均为380 V
C ．不管是两孔插座还是三孔插座，供电电压均为220 V
D ．以上都不对
【解析】 两种插座的供电压均为相电压且U 相＝220 V ，三孔插座只不过有一个地线插孔，并不与供电电路相接，目的是为了保护人身安全，故选项A 、C 正确．
【答案】 AC
3．关于三相交流电源的负载的连接方式，下列说法不正确的是( )
A ．负载采用何种连接方式取决于负载的额定电压
B ．发电机采用星形连接，负载就必须采用星形连接
C ．三相对称负载可以接成三角形，也可以接成星形
D ．三相四线制和三相三线制的星形接法中U 相＝U 线3
＝220 V 【解析】 负载采用何种接法应取决于负载的额定电压，A 对．三相对称负载可以按星形或三角形连接，C 对．星形接法中U 线＝3U 相，D 对．发电机采用星形接法时，负载有星形、三角形两种接法，B 错．
【答案】 B
4．(多选)(2013·济南检测)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】 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＝3U 相＝3×3112
V ≈380 V ，其最大值U 线m ＝2U 线≈539 V ；当三个线圈按三角形接法时，U 线＝U 相＝3112
V ＝220 V. 【答案】 AD
5．(多选)三相电源的连接如图4­1­5所示，电路中的三个交流电压表的示数U 1、U 2、U 3间的关系是( )
图4­1­5
A．U1∶U2＝1∶2
B．U1∶U3＝1∶1
C．U2∶U3＝1∶1
D．U2∶U3＝3∶1
【解析】该接法是星形接法，采用三相四线制对外供电，三只交流电压表，其中V1、V3测量的是相电压，V2测量的是线电压，选项B、D正确．
【答案】BD
6．(多选)如图4­1­6为三相四线制供电线路，L1、L2和L3是完全相同的三盏灯，都正常发光，那么( )
【导学号：78870070】
图4­1­6
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L2、L3将变暗
D．若OO′断路、灯L1短路，则L2、L3将烧坏
【解析】由于三相负载相同，因此即使OO′断路，三灯也能正常发光，A错，B对；对于选项C，加在L2、L3上的电压均为190 V，因此灯将变暗，C对；对于选项D，加在L2、L3上的电压均为380 V，因此灯将烧坏，D对．
【答案】BCD
7．(多选)(2014·延安高二检测)一台相电压为220 V的交流发电机，向L、M、N三处用户供应照明用电，用户电灯的额定功率都相同，额定电压都是220 V，线路如图4­1­7所示，则( )
图4­1­7
A．三处用户的电路连接都是正确的
B．用户M的电路连接是错误的
C．用户M两端的电压高于L和N两端的电压
D．在这个电路中相电压与线电压是一样大的
【解析】在三相三线制三角形接法中，相电压与线电压相等，都是220 V．因此，三处用户的电路连接都是正确的．A、D正确．
【答案】AD
8.如图4­1­8所示，将三相对称负载以星形(Y)方式接入对称三相四线制电源，若将中线断开，则( )
【导学号：78870071】
图4­1­8
A．三相负载仍能正常工作
B．三相负载中的电流均为零
C．有的负载端电压过高，有的负载端电压过低
D．两相负载正常工作，另一相负载不能正常工作
【解析】将三相对称负载以星形(Y)方式接入对称三相四线制电源，若将中线断开，每相的相电压均为220 V，有电流，而且在这种情形下，中线无电流可以省去，故选项应为A.
【答案】A
[能力提升]
9.图4­1­9中A、B、C是三相交流电源的三根相线，O是中性线，电源的相电压为220 V，L1、L2、L3是三个“220 V 60 W”的灯泡．开关S1断开，S2、S3闭合．由于某种原因，电源的中性线在图中O处断了，那么L2和L3两灯泡将( )
图4­1­9
A．立刻熄灭
B．变得比原来亮一些
C．变得比原来暗一些
D．保持亮度不变
【解析】 由题图分析可知，实际照明电路是按星形接法连接的，每根相线与中性线间的电压为220 V ，满足灯泡的额定电压，灯泡均正常发光．当中性线在O 处断了，且S 1断开时，灯泡L 2和L 3串联于BC 两相线之间，串联两灯泡的总电压为线电压380 V ，由于相同灯泡的串联分压作用，各灯泡两端的实际电压均为190 V ，低于灯泡的额定电压，所以灯泡L 2和L 3变得比原来暗些，选项C 正确．
【答案】 C
10．(2014·昌江质检)如图4­1­10所示，相线A 、B 、C 和中性线N 接在三相交流电源上，A 相的线电压u ＝3802sin(100πt ) V ，则( )
图4­1­10
A ．相线的电势总是高于中性线的电势
B ．电流表的示数为2202R
sin(100πt ) A C ．B 、N 两端电压有效值为380 V
D ．通过R 的电流方向每秒钟改变100次
【解析】 在三相交流电路中，相线与中性线间的电势差按正弦规律变化，所以相线电势并非总是高于中性线，A 错误；电流表示数代表的是有效值而不是瞬时值，B 错误；B 、N 两端的电压即为相电压，由线电压的最大值为380 2 V ，有效值为380 V ，可知相电压应为
220 V ，C 错误；因为交流电频率f ＝ω2π＝100π2π
Hz ＝50 Hz ，可见电流方向每秒改变100次，D 正确．
【答案】 D
11．如图4­1­11是三相四线制的供电线路，O 为中性线，相电压为220 V ，两灯泡L 1和L 2按图示接入电路．
图4­1­11
(1)若L 1和L 2的规格都是“220 V 60 W ”，则它们是否正常发光？如果因某种原因在中性线的O ′处断路，求各灯两端的电压和通过的电流．
(2)若L 1和L 2的规格分别是“220 V 60 W ”和“220 V 15 W ”，则又怎样？
【导学号：78870072】
【解析】 (1)在三相四线制供电线路中，相电压是指相线与中性线之间的电压，线电压是指两根相线之间的电压，U 线＝3U 相＝3×220 V ＝380 V ．两灯都是接在相线和中性线之间，所加的电压跟额定电压相同，所以都能正常发光．中性线在O ′处断路后，L 1和L 2串联后接入A 、B 两条相线之间，总电压为380 V ．由于两灯泡规格相同，所以加在每个灯
泡两端的电压都是190 V ，通过的电流都是：I ＝U R ＝190/⎝ ⎛⎭
⎪⎫2202
60 A ≈0.24 A. (2)中性线没有断路时，两灯加的电压都等于额定电压，两灯仍正常发光，中性线在O ′
处断路后，由于两灯电阻之比R 1∶R 2＝1∶4，所以两灯两端的电压分别为U 1＝15U 线＝76 V ，U 2＝45
U 线＝304 V ，由于L 2两端的电压超出了它的额定电压，所以L 2将被烧断灯丝，其结果是L 2被损坏，L 1因L 2的断路而不能发光．可见，在三相四线制的供电线路中，在中性线上是不能安装保险丝的．
【答案】 见解析．
12．如图4­1­12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：
【导学号：78870073】
图4­1­12
(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？
(3)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】 (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 ＝U 线R B ＝38010 A ＝38 A ，I C ＝U 线R C ＝38020
A ＝19 A. (3)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 ＝U 线
R B ＋R C ＝38010＋20
A ＝12.7 A ，则两只电阻两端的电压分别为U
B ＝I B R B ＝12.7×10 V ＝127 V ，U
C ＝I C R C ＝12.7×20 V ＝254 V.
【答案】 (1)不能省 (2)电压均为380 V 38 A
19 A (3)127 V 254 V 电流均为12.7 A。