4.1 三相交变电流 学案（2020年鲁科版高中物理选修3-2）

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1、第第 1 节节 三相交变电流三相交变电流 学习目标 核心提炼 1.了解三相交流发电机的构造。 1 种发电机三相交流发电 机 1 个原理三相交变电流产 生的原理 2 种连接方式三相四线制、 三相三线制 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。 4.了解三相交变电流在生产、生活中 的广泛应用。 一、三相交流发电机 阅读教材第 64 页第一部， 了解三相交流电的概念， 知道三相交流发 电机的结构、特点及分类。 1.三相交变电流：为了提高发电效率，通常在一个发电机中安装 3 组 独立的互成 120 角的线圈。一台发电机就能同时生产出三相独立的交

2、 变电流，称为三相交变电流，俗称三相交流电。 2.三相交流发电机 定义 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 特点 旋转磁极式 旋转电枢式 输出功率大 输出功率小 思维拓展 单相发电机和三相交流发电机有何不同？ 答案 单相发电机只有 1 组线圈，只产生一相电动势；三相交流发电 机有 3 组互成 120 的线圈，产生三相独立的交变电流。 二、三相交变电流的产生 阅读教材第 6465 页，了解三相交变电流是如何产生的。 1.产生：三个相同的线圈固定在一个铁芯上，线圈平面互成 120 角， 铁芯匀速转动时，就相当于三个线圈在磁场里做切割磁感线运动，就 产生三相交变电流。

3、2.特点：三个交变电动势的最大值和周期都相同，但是它们达到最大 值(或零值)的时刻不同，依次落后1 3个周期。 思维拓展 三相交变电流的每一相电流的变化规律跟前面学过的正弦式交变电 流相同吗？ 答案 完全相同。 三、电源与负载的连接方式 阅读教材第 6566 页，了解三相交流电的两种连接方式。 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。 思考判断 (1)照明电路中的火线与零线间的电压为 220

4、 V。() (2)照明电路中的电源总是由火线流入，零线流出，因而开关要接在火 线上。( ) (3)照明电路中火线与零线间的电势差为 220 V， 且总是火线的电势高。 ( ) 预习完成后，请把你疑惑的问题记录在下面的表格中 问题 1 问题 2 三相交变电流的产生及特点 要点归纳 1.产生：3 组完全相同的线圈互成 120 角固定在同一转轴上，同时在 磁场中匀速转动， 电路中就产生 3 个交变电动势， 形成三相交变电流。 2.三相电流的异同点 (1)相同量 最大值、有效值。 周期或频率。 (2)不同量：相位及达到最大值(或零值)的时刻。 3.瞬时值表达式：三个绕组(AX、BY、CZ)中产生的感应

5、电动势可用函 数分别表示为 eAEmsin t，eBEmsin t2 3 ，eCEmsin t4 3 。 4.et 图象：三相交变电流的 et 图象如图 1 所示。 图 1 精典示例 例 1 下列关于三相交变电流的产生原理说法正确的是( ) A.发电机中 3 个绕组具有相同的匝数和绕向，互成 60 角 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，每个绕组产生的感应电动势的有效值及瞬时值都相 同 D.发电机的三个绕组在转动过程中达到最大值的时间依次落后T 6 解析 发电机三个绕组具有相同匝数和绕向，且互成 120 角，故 A 错 误；三个绕组匝数相同，面积相

6、同，角速度相同， 电动势最大值及周 期相同，故 B 正确；三个绕组互成 120 角，达到最大值的时刻不同， 因而瞬时值不同，故 C 错误；三个绕组互成 120 角，达到最大值的时 间依次相差1 3T，故 D 错误。 答案 B 针对训练 1 三相交流发电机的 3 个线圈中，某相的电压 u 311sin(100t) V，那么( ) A.3 个线圈中交流电的频率都是 50 Hz B.在 t0 时， 其他两个线圈的输电电压为零 C.3 个线圈按相同的规律变化，同时达到最大值 D.3 个线圈中交流电的周期都是 0.01 s 解析 由电压的表达式知 100 rad/s，而 2f 可知 f50 Hz，3 个

7、线圈的频率相同，均为 50 Hz，A 项正确；由 T1 f知，T0.02 s， D 错误； t0 时， 某相的电压为零， 其他两个线圈的输出电压不为零， B 错误；三个线圈的相位相差2 3，变化规律不同，达到最大值的时刻 也不相同，C 错误。 答案 A 三相交流电源与负载的连接方式 要点归纳 1.连接方式及特点 负载特点 三相负载对称 三相负载不对称 中线情况 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 三相四线制 线相关系 U线 3U相 U线 3U相 2.相线、中线的区分：通常用黄、绿、红三色分别标记相序为 A、B、 C 的相线，用黑色标记中线。 精典示例

8、例 2 如图 2 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，RARB10 ，RC20 ，问： 图 2 (1)中性线能否省去？ (2)若中性线 OO断路，RA发生短路，RB、RC两端电压及其中电流为多 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，RA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 IBU 线 RB 380 10 A38 A，ICU 线 RC 380 20 A 19 A。 答案 (1)不能省 (2)电压均为 380 V RB中的电流为 38 A RC中的 电流为

9、 19 A 针对训练 2 如图 3 所示，在三相交流电源上按星形接法连接相同负 载 1、 2、 3。 BN是中性线， 已知负载 1 上电压为 220 V， 电流为 15 A。 现以 I 表示中性线上的电流，U 表示 P、Q 两点间电压，则( ) 图 3 A.I15 A，U440 V B.I45 A，U380 V C.I0，U440 V D.I0，U380 V 解析 三个线圈使用的是星形接法，相电压与线电压的关系是 U线 3U相，因为每个负载上的电压为相电压，所以 UPN220 V，PQ 间 的电压为线电压，所以 UPQ 3UPN380 V，由于三相负载相同，所 以中性线上电流为 0，故选项 D

10、 正确。 答案 D 1.(三相交流的连接方式)如图 4 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( ) 图 4 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 A 正确。 答案 A 2.(三相交流电的特点)比较三相交流发电机的三个线圈输出的三相交 流电压，下列说法正确的是( ) A.最大值、周期及达

11、到最大值的时刻相同 B.最大值、周期均相同，达到最大值时刻相差T 6 C.最大值、周期均相同，达到最大值时刻相差T 3 D.最大值、周期及达到最大值的时刻均不相同 答案 C 3.(三相交流的电压表的连接)(多选)三相电源的连接如图 5 所示，电路 中的三个交流电压表的示数 U1、U2、U3间的关系是( ) 图 5 A.U1U21 2 B.U1U311 C.U2U311 D.U2U3 31 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 、 测量的是相电压， 测量的是线电压，选项 B、D 正确。 答案 BD 4.(三相交流发电机线圈与负载的连接)三相交流发电机线圈和负载连

12、 接如图 6 所示，已知每相线圈的电压为 220 V，R1R2R338 ， RLA1RLA2RLA322 。求通过电阻和电灯的电流。 图 6 解析 发电机每个线圈始端 A、B、C 分别由端线引出，末端 X、Y、Z 用中性线连接，形成星形连接，因 AX、BY、CZ 间电压(相电压)是 220 V，所以 A、B、C 三条端线间电压(线电压)U线 3U相380 V。 电阻 R1、R2、R3是三角形连接，电阻两端电压是两端线间电压 UR U线380 V，通过每个电阻的电流 IRUR R 380 38 A10 A。电灯 LA1、 LA2、LA3是星形连接，两端电压是端线与中性线之间的电压，UA U相220 V，所以通过每个电灯的电流为 IAUA RA 220 22 A10 A。 答案 10 A 10 A