自制教具模擬大功率線路中“線損”優(yōu)化直流輸電教學

黃靖薇 王俊鵬 張軍朋

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

在粵教版選修3-2“遠距離輸電”中，教材解釋大功率輸電線路中采用直流輸電的原因是“由于導線中也有電感、電容，當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”.而基于學生的認知水平，學生難以理解大功率線路中因高壓交流輸電產生感抗和容抗對線路影響程度.本教具將通過串聯電感、并聯電容模擬導線產生的感抗和容抗，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.

1 實驗原理與設計

導線因高壓交流輸電產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、電容并聯在輸電回路中.在高壓交流輸電線路中在原有串聯電阻模擬長導線電阻的基礎上，串聯電感、并聯電容，觀察燈泡發(fā)光亮度，從而直接體現出感抗和容抗損耗電能的多少.

教師引導學生分析線路圖得出直流輸電能使導線中的感抗和容抗不體現在回路當中，逐步深入分析能否把交流電和直流輸電結合在一起來共同減少導線上電阻、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

根據該探究式的教學流程設計了教具的原理圖，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2個、整流裝置(網上購買)、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計計算方法，業(yè)余條件下的調試；先不接功率管，測A點和B點對地的電壓，調整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.功率管要加適當的散熱片，例如用100×100×3 mm鋁板散熱.如果你要增加功率，增加同型號的功率管并聯使用，相應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板上在適當的地方用美工刀割開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電感、變壓器、電阻、電容、整流裝置、逆變裝置、開關的大小切割開口，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.

(2)打開開關1和開關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“遠距離輸電”中直流輸電部分的教學，有助于引導學生進行探究式教學.在直流輸電技術大規(guī)模應用于電力系統(tǒng)的背景下，教師引導學生理解或應用高壓直流輸電的知識，而不只停留在認識、知道的層面.