自制教具模拟大功率线路中“线损”优化直流输电教学

黄靖薇 王俊鹏 张军朋

(华南师范大学物理与电信工程学院 广东 广州 510006)(广东工业大学材料与能源学院 广东 广州 510006)(华南师范大学物理与电信工程学院 广东 广州 510006)

在粤教版选修3-2“远距离输电”中，教材解释大功率输电线路中采用直流输电的原因是“由于导线中也有电感、电容，当交流输电功率很大时，电感和电容引起的电能损失是很大的”.而基于学生的认知水平，学生难以理解大功率线路中因高压交流输电产生感抗和容抗对线路影响程度.本教具将通过串联电感、并联电容模拟导线产生的感抗和容抗，分别作用于高压交流输电和高压直流输电线路进行对比实验，直观感受“线损”，有利于辅助教学.

1 实验原理与设计

导线因高压交流输电产生的感抗和容抗对输电线路的影响的效果等效于电感串联、电容并联在输电回路中.在高压交流输电线路中在原有串联电阻模拟长导线电阻的基础上，串联电感、并联电容，观察灯泡发光亮度，从而直接体现出感抗和容抗损耗电能的多少.

教师引导学生分析线路图得出直流输电能使导线中的感抗和容抗不体现在回路当中，逐步深入分析能否把交流电和直流输电结合在一起来共同减少导线上电阻、电感、电容的影响，从而引入整流装置、逆变装置，修正了大功率输电线路的输电流程，如图1所示.

图1 大功率输电线路输电流程图

根据该探究式的教学流程设计了教具的原理图，如图2所示.

图2 高压交流输电与高压直流输电的对比实验装置原理图

教具实物图如图3所示.

2 实验教具的材料及制作

2.1 制作材料

变压器6个(220 V～20 V变压器6个)、两个电插头、2个可固定灯座、20 V灯泡2个、PVC板两块、木架子(自制)、电线若干、两个5 W，25 Ω的电阻(水泥电阻，普通电阻容易烧坏)、电工胶布若干、按钮开关2个、整流装置(网上购买)、逆变装置(自制、材料另算)、电容(100 μF，大功率电焊机电容器)、电感(自绕)、AB胶、电烙铁.

2.2 制作方法

(1)自制逆变装置(48 V DC 转220 AC)

自制逆变装置原理图如图4所示.电容器C1和C2用涤纶电容；三极管 BG1～BG5可以用9013：40 V，0.1 A，0.5 W，BG6～BG7可以用场效应管IRF150：100 V，40 A，150 W，0.055 Ω.变压器B的绕制请参考逆变器的设计计算方法，业余条件下的调试；先不接功率管，测A点和B点对地的电压，调整R1或R2使A，B两个点的电压要相同，这样才能输出的方波对称，静态电流也最少.安装时要注意下列事项：BG6和BG7的焊接，必须用接地良好的电烙铁或切断电源后再焊接.大电流要用直径2.5 mm以上的粗导线连接，并且连线尽量短，电瓶电压48 V，容量12 Ah以上.功率管要加适当的散热片，例如用100×100×3 mm铝板散热.如果你要增加功率，增加同型号的功率管并联使用，相应地增加变压器的功率.

图4 自制逆变装置原理图

(2)整流装置

网上购买所得，因自制逆变装置的限制，整流装置采用220 V AC转48 V DC.

(3)自制电感

电感选用外径35 mm的铁硅铝，用铜线绕圈，电感量在1.5 mH左右.注意绕组方向要一样，如图5所示.

图5 自制电感实物图

(4)把部分电路元件装上主板

PVC板上在适当的地方用美工刀割开2个约直径3 cm的圆，从后插入灯座，以安装灯泡之用，在附近合适的地方根据电感、变压器、电阻、电容、整流装置、逆变装置、开关的大小切割开口，逐个把元件嵌入主板.

(5)组装电路

其中两个变压器用于把220 V交流电先变为20 V交流电供给两条线路使用，按照图2原理电路图进行连线，连线后用电烙铁拼接交接处，再用电工胶布包裹电线裸露处.

3 实验教具的操作及演示

(1)将演示仪置于水平桌面上，提供220 V的交流电，断开开关.

(2)打开开关1和开关2.观察到高压直流输电灯泡2比高压交流输电的灯泡1亮.说明使用高压直流输电能减小输送过程中容抗和感抗损耗的电能,体现了高压直流输电的优越性.

图6 模拟大功率输电线路高压交流输电和高压直流输电灯泡亮度对比

本文通过自制教具优化了“远距离输电”中直流输电部分的教学，有助于引导学生进行探究式教学.在直流输电技术大规模应用于电力系统的背景下，教师引导学生理解或应用高压直流输电的知识，而不只停留在认识、知道的层面.