荒原翔鹰吧 关注:29贴子:4,068
  • 10回复贴,共1

从“为什么线电压比相电压高” 到数学高考第一大题

只看楼主收藏回复

今儿研究了一下午三相交流电 晚上回来又和405的砖家们讨论了半天
明白的差不多了 也想通了下午一直在考虑的问题:
为什么三相交流电里 两相之间电压(线电压)是380V
可是对零线的电压(相电压)就变成220V? 这个区别是怎么出来的?
刚才忽然想明白了 是从数学角度想到的 想完后猛然发现 这个推导过程
不就是当年整天练的高考题吗!
这个问题 抽象成数学模型 就是高考第一大题三角函数的第一问
也就是“化一角一函数”问题
无论什么省份数学高考的第一大题第一问一般都是这个
我们的高考真是非常实用 无知者却总是在喷
本帖将首先建立起物理模型 然后抽象成数学模型 并且进行求解 最终解答刚才的问题


IP属地:北京1楼2014-02-05 20:14回复
    第一部分·背景知识及问题引出
    三相交流输电中 有ABC三条火线 有时还有一条零线N
    零线N要一直看为0点 也就是把它作为电位为0的点
    输送时 AN BN CN三个电压(相电压)被设置为220V
    表达式分别为
    UAN=Em·sin(2πωt)
    UBN=Em·sin(2πωt-2π/3)
    UCN=Em·sin(2πωt+2π/3)
    UAN UBN UCN分别表示AN BN CN之间的电压
    Em表示峰值 ω表示频率 我国电压频率是50Hz
    可见 三个相电压的波形 体现在数学表达式上 区别只在于加减了120° 也就是2π/3
    这样 通过设置Em 就可以确定相电压的有效值
    一般来说 通过设定 会将有效值最终定在220V 也就是我们的常用电压
    家庭用电的220V 也就是这么来的 将其中一条火线 和零线 接出来入户
    可能1号楼接A相和N 2号楼接B相和N 3号C相和N 4号楼又开始接A 轮着来
    那么 在这种条件下 为什么UAB UBC UAC会是380V?
    相信学电的可能开始都会有这个疑问
    我们只有220V的电 又不能加 哪里来的380?


    IP属地:北京本楼含有高级字体3楼2014-02-05 20:39
    回复
      第二部分·推导过程
      其实 就像开始说的 N要一直看为0点
      可是我们的线电压 是AB AC BC之间的电压 和N并没有关系
      那么 我们现在已知ABC对N的电压差 要求ABC之间的电压差怎么办?
      很简单 UAN-UBN=UAB
      和海拔高度道理一样 A点高100 B点高200 AB差多少?200-100呗
      那么 问题就变成了对以下式子的求解
      UAB=Em·sin(2πωt)-Em·sin(2πωt-2π/3)
      为了简化问题
      就把Em看作1好了 2πω也看成1
      那么就简化成
      u=sint-sin(t-2π/3)
      对这个式子的化简 考过高考的应该都得心应手了
      u=sint-sin(t-2π/3)
      u=sint-sintcos2π/3+costsin2π/3
      u=sint+1/2sint+根3/2cost
      u=3/2sint+根3/2cost
      到这里 为了凑公式 必须提出来一个根3 那下一步
      u=根3(根3/2sint+1/2cost)
      到这里 括号内部分已经可以反用拆角公式来凑回一函数了
      但是具体凑成什么已经不重要了
      重要的是 我们得到了式子前的根3!
      由于三角函数本身 只能从-1到1来变化
      那么它的幅值 只能由它前边的倍数来决定
      也就是说 这个根3意味着 UAB已经比之前的UAN和UBN都大了根3倍
      所以 220*1.732=381V
      推到结束 线电压比相电压大了根3倍
      所以得到220的根3倍 380!


      IP属地:北京本楼含有高级字体5楼2014-02-05 20:49
      回复
        第三部分·分析
        看似很神奇 怎么会从三个220 变出380来
        其实关键还是在于三角函数
        我们知道电压的220也好 380也好 都是有效值
        因为电压在不断变化 每秒50次 实际上它都是在不断变化的
        可是这三相之间的变化 有很微妙的关系 它们的波形完全一样 又互相稍稍滞后(或提前)
        这就造成了 他们的差距 往往会比有效值更大
        仔细观察下图 就会发现 红蓝之间的差距 往往比单个红色到0的差距大 虽然不是永久都大 但是总是有差距 这就造成了“更大”的可能性 然后只需要微调角度 让他们更加提前或者滞后 就能实现这差距的调整
        三项交流电这个领域里 角度差是120° 那我们通过刚才的推导得出了根3倍差距的结论
        如果是50° 70°等非常见角度 我们也一定会得到一个倍数
        只是人工不那么好算而已


        IP属地:北京本楼含有高级字体6楼2014-02-05 20:58
        回复
          ================================全文完===================================


          IP属地:北京7楼2014-02-05 20:58
          回复
            这个当初开课的时候应该课本里面有讲的吧,只不过吾等学渣不好好听课啊…猛然醒悟还是有味道的…


            来自iPhone客户端8楼2014-02-05 23:30
            收起回复
              总于有能人解答这个问题了 感谢


              10楼2014-11-11 15:50
              收起回复
                顶一个


                IP属地:北京11楼2019-12-11 17:51
                回复