电压有效值计算公式有效值相等的可变频交变电源设计

时间：2019-02-02 03:16:35　来源：雅意学习网本文已影响人

　　摘要：作者设计并制作了能把直流电源转换成可变频交变电源的装置，本文作了详细介绍。　　关键词：高中；电学实验；转换器；直流电；变频交流电　　中图分类号：G633.7文献标识码：A文章编号：1003-6148(2007)10(S)-0060-2��
　　
　　人教版高中物理第二册交变电流一章第三节研究电感和电容对交变电流的影响，为了通过对比实验来分析电感和电容对交变电流的阻碍作用，需要这样的电源：能输出直流和不同频率的交变电流，而且它们的有效值相等。但在中学物理实验室中没有这样的电源，因此只能简单比较电感和电容对直流和交变电流的影响的不同，不能比较电感和电容对不同频率的交变电流的影响。笔者设计制作了一个有效值一定的可变频交变电源――能把直流电源转换成可变频交变电源(以下简称“转换器”)，在研究电感和电容对交变电流的影响时实验效果很好。现将该转换器的工作原理、制作过程和应用效果介绍如下，供大家参考。�
　　
　　1转换器的工作原理�
　　
　　我们知道直流电动机工作时是通过电刷由换向器把直流电引导到固定在转轴上的线圈上，使线圈在磁场力的作用下转动。实际上线圈中通过的电流的方向在不断改变，实为交变电流。根据同样的原理，可适当改进换向器就可以把直流电源转换为交流电源。�
　　1．1转换器的基本结构和工作原理��
　　如图1所示，把两个相互交错并彼此绝缘的金属圆筒固定在同一转轴上，使四个电刷与两金属圆筒相应部分接触，这样就组成了转换器。转换器的电刷A、B接线柱接直流电源U��AB�，如图2所示。当转换器绕轴转动时，电刷a、b接线柱间将输出矩形波交变电压U��ab�，如图3所示。可见，转换器的电刷A、B间输入的直流电压U��AB�和转换器电刷a、b间输出的矩形波交变电压U��ab�的最大值相等。根据交变电流有效值的定义易知：转换器输出的交变电压的有效值和输入的直流电源电压相等。��
　　1．2转换器输出交变电流频率的改变�
　　如图4所示，把转换器两金属圆筒相互交错的部分一周分为四等份。这样制成的转换器当转动一周时，输出的矩形波交变电流将做两次周期性变化，即在转速不变的情况下，输出的交变电流的频率将变为原来的2倍。根据上述原理，可制作出输出不同频率的交变电流的转换器以满足实验的需要。�
　　
　　2转换器的制作和组装�
　　
　　笔者制作的转换器可将直流电源转换成两种不同频率的矩形波交变电流输出。具体制作方法如下。�
　　2.1转子的制作�
　　首先，找一块金属片(铜片，或从易拉罐上取下的金属片，或从牙膏筒上取下的金属片均可)，按图5所示在金属片上画上虚线线条。再按图6所示沿实线剪开，把金属片一分为二。��
　　其次，把金属片在圆柱体杆上卷成圆筒，用电烙铁把金属圆筒的两端焊接成圆环。�
　　最后，找一根细的金属杆为转轴，把金属圆筒套在转轴上，并用固定胶熔化后注入转轴和金属圆筒之间，等固定胶冷却凝固后，转子就制成了（图7）。需要注意的是，金属杆作为转轴要固定在金属圆筒的轴线上，两部分金属圆筒之间要绝缘。��
　　2.2支架的制作�
　　找一段细铁丝，用钳子把其制成如图8所示的形状作为支架，制作两个这样的支架备用。�
　　2.3电刷的制作�
　　找一个用弹簧提供动力的玩具，把玩具中提供动力的弹簧卷取下，从弹簧卷上截取6段适当长度的弹簧片，调整其外形后作为电刷，用来连接转子和接线柱。�
　　2.4组装转换器��
　　如图9所示，用木板作为基座，把支架套在转子转轴上，并把支架固定在基座上，然后把6个电刷固定在基座上并与转子相应部分良好接触。最后截取一段圆珠笔芯塑料管，把转子转轴和直流电动机转轴相连并把直流电动机固定在基座上。为了减小摩擦的影响，用铅笔笔芯在支架和转轴间、电刷和转子间、涂抹一层石墨。这样转换器就组装好了。当电刷A、B接直流电源，电动机带动转子转动时，电刷a�1、b�1间和a�2、b�2间输出频率不同的矩形波交变电流，以供实验需要。�
　　
　　3转换器的特点和应用�
　　
　　上述制作的转换器把直流电源转换成有效值一定的矩形波交变电流。电刷a�1、b�1间和a�2、b�2间输出的交变电流频率随直流电动机转速增大而增大，而且电刷a�2、b�2间输出的交变电流频率始终是电刷a�1、b�1间输出的交变电流频率的两倍。需注意，当转子不转动时，电刷a�1、b�1间和电刷a�2、b�2间输出的是直流。�在研究电感对交变电流的阻碍作用时，把如图10所示的研究电路的a、b端分别接转换器的电刷a�1、b�1，当直流电机不转动时，电刷a�1、b�1间输出直流，灯亮；当直流电动机转动时，电刷a�1、b�1间输出有效值未变的交变电流，灯变暗了，说明电感“通直流，阻交流”。把研究电路的a、b端分别接转换器的电刷a�2、b�2上，即增大了输出交变电流的频率时，灯变得更暗了，说明电感“通低频，阻高频”。��
　　�在研究电容对交变电流的阻碍作用时，把如图11所示研究电路的a、b端分别接转换器的电刷a�1、b�1，当直流电动机不转动时，电刷a�1、b�1间输出直流，灯不亮；当直流电动机转动时，电刷a�1、b�1间输出有效值未变的交变电流，灯亮了，说明电容“通交流，隔直流”。把研究电路的a、b端分别接转换器电刷a�2、b�2上，即增大了输出交变电流的频率时，灯变得更亮了，说明电容“通高频，阻低频”。�
　　可见，有了笔者制作的转换器，在研究电感和电容对交流电的影响时，教师讲解方便，学生理解容易，效果很好。
　　
　　�(栏目编辑王柏庐)
　　
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