遠距離輸電演示儀的設計與制作

2016-05-26 07:03:40歐陽琪李榮霞謝煥杰李德安

物理之友 2016年4期

歐陽琪　李榮霞　謝煥杰　李德安

(華南師范大學物理與電信工程學院,廣東　廣州　510006)

遠距離輸電演示儀的設計與制作

歐陽琪李榮霞謝煥杰李德安

(華南師范大學物理與電信工程學院,廣東廣州510006)

摘要：通過設計遠距離輸電演示儀,演示交流輸電時采用高、低壓輸電的損耗差異,使學生形象直觀地理解提高輸電電壓對減少輸電損耗的意義,同時向學生展示高壓直流輸電這一現代輸電技術的優勢.

關鍵詞：遠距離輸電;高壓;直流

1引言

遠距離輸電是將物理學運用到工程技術的成功案例,是現行高中教材中既具有較高知識價值,又具有重要的實用價值并且符合STS理念的教學內容[1].該節內容的教學重、難點為理解高壓輸電是減少輸電過程功率和電壓損失的切實可行的措施[2].當前大部分教師采用理論推導這一教學手段,由于缺少形象直觀的演示,學生不能很好地理解采用高壓輸電的本質原因.

針對遠距離輸電的教學難點,筆者設計了遠距離輸電演示儀.通過小燈泡的亮暗直觀表現了交流輸電時采用高、低壓輸電的電能損耗,使學生看到高壓輸電對減少輸電損耗的意義.此外還設計了直流高壓輸電裝置,使學生對現代輸電技術有所了解[3].

2實驗裝置

圖1

如圖1所示,遠距離輸電演示儀由低壓輸電、高壓輸電及直流輸電三部分組成.均采用交流6V作為輸入電壓,其中高壓輸電有三個變壓檔位,分別是交流12V、36V、72V,采用電爐絲模擬輸電導線,采用燈泡模擬用戶端；直流輸電采用直流36V作為傳輸電壓,由整流設備、逆變設備等組成.

3實驗原理

3.1實驗原理圖

實驗原理如圖2所示.

圖2

3.2高低壓輸電原理

參照實際遠距離輸電的主要過程,模擬發電廠產生一定大小的交流電壓,通過升壓系統,把電路中的電壓升高到某一數值,經過遠距離電線的傳輸后,再經過降壓,把傳輸過來的高壓電降低至用戶所需的正常電壓,最后供用戶使用[4].

為說明遠距離輸電過程中升降壓的必要性和優越性,本教具中設置了對比實驗,通過低壓傳輸的方式將發電廠產生的低壓電直接通過遠距離的導線傳輸到用戶,在此過程由于導線具有較大的阻值,在傳輸過程中發熱而損耗大部分的電能.

3.3直流輸電原理

由于導線也具有電容和電感,當交流輸電功率很大時,電容和電感引起的電能損失較大,此時采用直流高壓輸電損耗較少.直流輸電是將發電廠電壓升壓后輸送到整流設備進行高壓交流轉換成高壓直流后進行傳輸,逆變設備再將直流逆變為交流,通過變壓器將高壓交流電降壓成低壓交流電供給用戶使用.

4裝置制作

4.1制作材料

木板2塊(75cm×95cm、40cm×115cm)、10V交流電壓表4個、10V直流電壓表1個、自定制變壓器三個(220V轉6V、6V轉36V、6V轉72V)、1000W電爐絲1根、燈座燈泡9個、交直轉換模塊芯片、印刷銅板、杜邦線、電容若干、開關電源、香蕉桿若干、開關、螺絲釘、油性筆、玻璃膠、AB膠等.

4.2制作過程

(1) 根據原理設計遠距離輸電演示儀電路,排布各元件.

(2) 選擇兩塊大小合適的木板,在元件相應排布位置打孔后將元件放在相應位置并鎖緊.用導線連接各元器件間電路,用絕緣膠布封好裸露電線，做好絕緣安全工作.

(3) 標注各個模塊名稱.

5裝置用途

本裝置幾乎覆蓋了遠距離輸電教學過程中的所有知識點的探究和演示,利用演示儀上的電壓轉換插孔、燈泡開關、輸電線上的導線插槽等,教師可根據自己課堂需要,自行選擇相應模塊向學生演示,以達到預期教學效果.

5.1定性、定量分析比較高低壓輸電的損耗大小

如圖3所示,選擇高壓輸電任意一個檔位(如交流36V),閉合電源開關,在高低壓輸電裝置中依次合上燈泡開關,可觀察到,隨著用戶端亮燈盞數的增加,低壓輸電的燈泡逐漸變暗，其用戶端電壓表示數以較大幅度不斷減小；高壓輸電的燈泡亮度較亮于低壓輸電的燈泡亮度,隨著亮燈的盞數的增加,燈泡亮度變化較小,用戶端電壓表示數以較小幅度下降.說明使用任意一種輸電方式,在輸送過程中均會發生電能的損耗,而低壓輸電方式產生的電能損耗更大.

圖3

另外,在閉合燈泡開關的同時觀察四個電壓表示數變化,可以定量分析出高低壓輸電損耗大小.

5.2驗證在遠距離輸電過程中距離越遠損耗越大

如圖4所示,在低壓輸電裝置中,電阻絲上設置了一系列等間距插槽,依次將燈泡從距發電站由近及遠插入插槽中,可以明顯觀察到燈泡由亮變暗,從而論證距離越遠、輸電損耗越大這一知識點.

圖4

5.3驗證在遠距離輸電過程中傳輸電壓越高損耗越小

由P=UI可知,當輸送功率一定的情況下,輸送電壓U越大,則導線上的電流I越小,則由公式P=I2R得,在導線上的損耗的電能越小(導線電阻不變).

選用高壓輸電模塊,分別將接線柱接入12V、36V、72V,如圖5所示,依次觀察燈泡亮度和電壓表示數變化,可以看到,選擇輸送電壓越高,燈泡亮度越亮,電壓表示數也逐漸增大,說明隨著輸電電壓的升高,輸送過程中損耗的電能減少,即實際到達用戶端的電能越大.從而可以從定性和定量兩個角度驗證輸送電壓越高、損耗越小這一知識點.