交流输变电原理与效率实验仪的制作方法

本实用新型涉及一种集交流输电、变电原理及效率演示和实验测量于一体的综合性实验仪器。

背景技术：

对于交流输变电过程中变压器升降压原理、输变电原理、变压器工作效率、输电效率与输电电压的关系等一系列问题，在目前的高校及中学物理教学中主要以理论教学的方式进行知识传授，缺乏相应的实验仪器进行原理演示和实际数据的测量分析。由于此类实验测量涉及超过人体安全电压的高电压，特别是对于用电安全知识不全、操作技能较低的中学生来说，此类仪器的设计要求相对较高，既要能通过实验演示和测量理解如前面所述的交流输变电过程中一系列问题，达到理论联系实际的理想学习效果，又要形象直观、便于操作且保证学生的人身安全。

通过专利检索，未发现有本实用新型中所提供的相同设计或产品。

技术实现要素：

为了解决目前物理课程在交流输变电内容教学方面缺少配套实验仪器的弊端，让学生更好地理解掌握交流输变电过程中变压器升降压原理、输变电原理、变压器工作效率、输电效率与输电电压的关系等问题，本实用新型设计了一种与实际供电系统构成、工作过程基本一致的输变电系统，采用相对较低的电压模拟实际供电系统中较高的电压，电路系统按照发电——升压——输电——降压——负载顺序单元排布电路，操作面板采用电路原理图与测量仪表等实物元件对照布局的方式，实现操作的简便性与观察测量的直观性，可以进行交流输变电过程原理、现象的定性演示和实验数据的定量测量。

本实用新型解决其技术问题所采用的技术方案是：以市电交流220V电压供电，用第一变压器模拟发电站，产生较低的交流电压；将该交流电压输入第二变压器输入端，第二变压器为升压变压器，在其输出端产生较高的输出电压作为高压输电的起始端，用第一电压表显示其电压值；在高压输电线路上串接第一电流表显示输电电流；经过较长导线传输后，高压输电末端电压值用第二电压表显示，将该电压输入第三变压器输入端，第三变压器为降压变压器，输出端电压由第三电压表显示；第三变压器输出端并联第一灯座、第二灯座、第三灯座，可以安装不同电压参数的小灯泡作为电路负载，分别用第一开关、第二开关、第三开关控制对应灯泡的通断。

上述第二变压器采用可调式自耦变压器，通过调节其滑动触头可以连续地改变输电电压；第三变压器次级线圈有三个接头，通过单刀双掷开关变换接线端，可以改变其变压比；根据实际实验需要，还可以不在灯座上安装灯泡，而通过灯座上接线柱外接电阻箱或滑动变阻器作为电路负载，实现电路负载的精确、连续地调节，方便进行多组数据的测量。

本实用新型仪器操作面板设计采用电路原理图与实物对照布局的方式，将电路原理图印制在操作面板上，在电路图中仪表、开关、灯泡等元件符号位置旁边即安装该符号所对应的实物，一些与操作、测量无关或涉及高电压的实物则安装在机箱内部，以确保操作者的人身安全。

本实用新型的有益效果是，设计了一种与实际供电系统基本一致的微型输变电系统，可以进行交流输变电方面的实验演示，也可通过定量数据测量研究输变电过程中的一系列问题，弥补了物理教学中在该方面实验仪器的缺乏，可以在中学及高校中推广应用。

附图说明

下面结合附图和实施例对本实用新型进一步说明。

图1为本实用新型电路原理图。

图2为本实用新型仪器面板实物照片。

图中1.第一变压器，2. 第二变压器，3.滑动触头，4. 第一电压表，5. 第一电流表，6. 第二电压表，7. 第三变压器，8.单刀双掷开关，9. 第三电压表，10. 第二电流表，11. 第一灯座，12. 第二灯座，13. 第三灯座，14. 第一开关，15. 第二开关，16. 第三开关，17. 滑动触头调节旋钮。

具体实施方式

【实施例1】交流输电原理演示。

以第一变压器1模拟发电站，其输出的较低交流电压输入第二变压器2，该变压器将输入的低电压变为高电压进行输电，第一电压表4显示高压输电起始端电压，第一电流表5显示输电电流，第二电压表6显示高压输电末端电压，该电压输入第三变压器7，经该变压器降压后变为较低的电压供应给电路负载工作，第三电压表9负载端电压，第二电流表10显示负载工作电流。实验时可分别接入1至3个负载灯泡，调节滑动触头调节旋钮17以不同的电压输电，通过观察各电压表和电流表的读数，理解交流输电的原理及过程。

【实施例2】变压器变压原理演示。

在电路未接负载情况下，即第一开关14、第二开关15、第三开关16都断开，单刀双掷开关8先打向下端，调节滑动触头调节旋钮17至适当位置，观察第二电压表6和第三电压表9的读数，由此得到第三变压器7输入端和输出端电压比，即为该变压器变压比。改变滑动触头调节旋钮17至不同位置，同样方法多次观察第二电压表6和第三电压表9的读数，判断变压比是否一致。然后将单刀双掷开关8先打向上端，同样方法重复上述操作，得到新的变压比。并比较上述两种情况下变压比的关系。因第三变压器7次级线圈中间接头将线圈匝数二等分，理论上前一种情况下变压比为后一种情况下的两倍，通过演示观察判断实际情况是否与理论上一致。

【实施例3】变压器效率与负载功率关系实验。

将单刀双掷开关8先打向某一端，调节滑动触头调节旋钮17至使第三电压表9的读数等于第一灯座11上所安装灯泡的额定电压，闭合第一开关14，分别读出第一电流表5、第二电流表10、第二电压表6、第三电压表9的读数，计算第三变压器7输入端和输出端的功率大小，进而求得其工作效率。再闭合第二开关15，最后闭合第三开关16，同样方法测出变压器工作效率，比较不同负载情况下变压器工作效率的变化规律。在上述实验过程中，若欲使负载变化更为连续、测量数据更为平滑、实验规律更为清楚，可自备电阻箱或滑动变阻器，将其替代灯泡接入某一灯座的两接线柱，根据需要多次调节阻值即可实现。

【实施例4】输电电压与输电效率关系实验（高压输电优点实验验证）。

将单刀双掷开关8先打向上端，调节滑动触头调节旋钮17至使第三电压表9的读数等于第一灯座11上所安装灯泡的额定电压，闭合第一开关14，第一灯座11上灯泡正常工作，分别读出第一电压表4、第一电流表5、第二电压表6的读数，由第一电压表4和第一电流表5的数据可得到输电起始端功率，由第二电压表6和第一电流表5的数据可得到输电末端功率，进而可以求得输电效率及输电线路损耗功率；然后将单刀双掷开关8先打向下端，此时由于第三变压器7变压比发生变化，为了保证负载功率不变，就需要再调节滑动触头调节旋钮17以提高第二变压器的输出电压，使第三电压表9的读数再次等于第一灯座11上所安装灯泡的额定电压，这就相当于用电负载不变的情况下输电电压提高了。同样读出第一电压表4、第一电流表5、第二电压表6的读数并求出此时的输电效率及输电线路损耗功率，比较前后两种情况下输电效率、输电线路损耗功率与输电电压的关系，理解高压输电的优点。

实验中如欲获取更多的测量数据，可在负载端接入2个、3个灯泡重复上述实验过程，还可以通过换用不同电压参数的灯泡、外接电阻箱或滑动变阻器进行多组数据的测量，进而可以定量分析输电电压与输电效率的关系。