黃靖薇 王俊鵬 張軍朋

(華南師范大學(xué)物理與電信工程學(xué)院 廣東 廣州 510006)(廣東工業(yè)大學(xué)材料與能源學(xué)院 廣東 廣州 510006)(華南師范大學(xué)物理與電信工程學(xué)院 廣東 廣州 510006)

在粵教版選修3-2“遠(yuǎn)距離輸電”中，教材解釋大功率輸電線路中采用直流輸電的原因是“由于導(dǎo)線中也有電感、電容，當(dāng)交流輸電功率很大時，電感和電容引起的電能損失是很大的”.而基于學(xué)生的認(rèn)知水平，學(xué)生難以理解大功率線路中因高壓交流輸電產(chǎn)生感抗和容抗對線路影響程度.本教具將通過串聯(lián)電感、并聯(lián)電容模擬導(dǎo)線產(chǎn)生的感抗和容抗，分別作用于高壓交流輸電和高壓直流輸電線路進行對比實驗，直觀感受“線損”，有利于輔助教學(xué).

1 實驗原理與設(shè)計

導(dǎo)線因高壓交流輸電產(chǎn)生的感抗和容抗對輸電線路的影響的效果等效于電感串聯(lián)、電容并聯(lián)在輸電回路中.在高壓交流輸電線路中在原有串聯(lián)電阻模擬長導(dǎo)線電阻的基礎(chǔ)上，串聯(lián)電感、并聯(lián)電容，觀察燈泡發(fā)光亮度，從而直接體現(xiàn)出感抗和容抗損耗電能的多少.

教師引導(dǎo)學(xué)生分析線路圖得出直流輸電能使導(dǎo)線中的感抗和容抗不體現(xiàn)在回路當(dāng)中，逐步深入分析能否把交流電和直流輸電結(jié)合在一起來共同減少導(dǎo)線上電阻、電感、電容的影響，從而引入整流裝置、逆變裝置，修正了大功率輸電線路的輸電流程，如圖1所示.

圖1 大功率輸電線路輸電流程圖

根據(jù)該探究式的教學(xué)流程設(shè)計了教具的原理圖，如圖2所示.

圖2 高壓交流輸電與高壓直流輸電的對比實驗裝置原理圖

教具實物圖如圖3所示.

2 實驗教具的材料及制作

2.1 制作材料

變壓器6個(220 V～20 V變壓器6個)、兩個電插頭、2個可固定燈座、20 V燈泡2個、PVC板兩塊、木架子(自制)、電線若干、兩個5 W，25 Ω的電阻(水泥電阻，普通電阻容易燒壞)、電工膠布若干、按鈕開關(guān)2個、整流裝置(網(wǎng)上購買)、逆變裝置(自制、材料另算)、電容(100 μF，大功率電焊機電容器)、電感(自繞)、AB膠、電烙鐵.

2.2 制作方法

(1)自制逆變裝置(48 V DC 轉(zhuǎn)220 AC)

自制逆變裝置原理圖如圖4所示.電容器C1和C2用滌綸電容；三極管 BG1～BG5可以用9013：40 V，0.1 A，0.5 W，BG6～BG7可以用場效應(yīng)管IRF150：100 V，40 A，150 W，0.055 Ω.變壓器B的繞制請參考逆變器的設(shè)計計算方法，業(yè)余條件下的調(diào)試；先不接功率管，測A點和B點對地的電壓，調(diào)整R1或R2使A，B兩個點的電壓要相同，這樣才能輸出的方波對稱，靜態(tài)電流也最少.安裝時要注意下列事項：BG6和BG7的焊接，必須用接地良好的電烙鐵或切斷電源后再焊接.大電流要用直徑2.5 mm以上的粗導(dǎo)線連接，并且連線盡量短，電瓶電壓48 V，容量12 Ah以上.功率管要加適當(dāng)?shù)纳崞?，例如?00×100×3 mm鋁板散熱.如果你要增加功率，增加同型號的功率管并聯(lián)使用，相應(yīng)地增加變壓器的功率.

圖4 自制逆變裝置原理圖

(2)整流裝置

網(wǎng)上購買所得，因自制逆變裝置的限制，整流裝置采用220 V AC轉(zhuǎn)48 V DC.

(3)自制電感

電感選用外徑35 mm的鐵硅鋁，用銅線繞圈，電感量在1.5 mH左右.注意繞組方向要一樣，如圖5所示.

圖5 自制電感實物圖

(4)把部分電路元件裝上主板

PVC板上在適當(dāng)?shù)牡胤接妹拦さ陡铋_2個約直徑3 cm的圓，從后插入燈座，以安裝燈泡之用，在附近合適的地方根據(jù)電感、變壓器、電阻、電容、整流裝置、逆變裝置、開關(guān)的大小切割開口，逐個把元件嵌入主板.

(5)組裝電路

其中兩個變壓器用于把220 V交流電先變?yōu)?0 V交流電供給兩條線路使用，按照圖2原理電路圖進行連線，連線后用電烙鐵拼接交接處，再用電工膠布包裹電線裸露處.

3 實驗教具的操作及演示

(1)將演示儀置于水平桌面上，提供220 V的交流電，斷開開關(guān).

(2)打開開關(guān)1和開關(guān)2.觀察到高壓直流輸電燈泡2比高壓交流輸電的燈泡1亮.說明使用高壓直流輸電能減小輸送過程中容抗和感抗損耗的電能,體現(xiàn)了高壓直流輸電的優(yōu)越性.

圖6 模擬大功率輸電線路高壓交流輸電和高壓直流輸電燈泡亮度對比

本文通過自制教具優(yōu)化了“遠(yuǎn)距離輸電”中直流輸電部分的教學(xué)，有助于引導(dǎo)學(xué)生進行探究式教學(xué).在直流輸電技術(shù)大規(guī)模應(yīng)用于電力系統(tǒng)的背景下，教師引導(dǎo)學(xué)生理解或應(yīng)用高壓直流輸電的知識，而不只停留在認(rèn)識、知道的層面.