有效值相等的可變頻交變電源設計
2007-12-31 00:00:00劉海軍
物理教學探討 2007年19期
摘要：作者設計并制作了能把直流電源轉換成可變頻交變電源的裝置，本文作了詳細介紹。
關鍵詞：高中；電學實驗；轉換器；直流電；變頻交流電
中圖分類號：G633.7文獻標識碼：A文章編號：1003-6148(2007)10(S)-0060-2
人教版高中物理第二冊交變電流一章第三節研究電感和電容對交變電流的影響，為了通過對比實驗來分析電感和電容對交變電流的阻礙作用，需要這樣的電源：能輸出直流和不同頻率的交變電流，而且它們的有效值相等。但在中學物理實驗室中沒有這樣的電源，因此只能簡單比較電感和電容對直流和交變電流的影響的不同，不能比較電感和電容對不同頻率的交變電流的影響。筆者設計制作了一個有效值一定的可變頻交變電源——能把直流電源轉換成可變頻交變電源(以下簡稱“轉換器”)，在研究電感和電容對交變電流的影響時實驗效果很好。現將該轉換器的工作原理、制作過程和應用效果介紹如下，供大家參考。
1轉換器的工作原理
我們知道直流電動機工作時是通過電刷由換向器把直流電引導到固定在轉軸上的線圈上，使線圈在磁場力的作用下轉動。實際上線圈中通過的電流的方向在不斷改變，實為交變電流。根據同樣的原理，可適當改進換向器就可以把直流電源轉換為交流電源。
1．1轉換器的基本結構和工作原理
如圖1所示，把兩個相互交錯并彼此絕緣的金屬圓筒固定在同一轉軸上，使四個電刷與兩金屬圓筒相應部分接觸，這樣就組成了轉換器。轉換器的電刷A、B接線柱接直流電源UAB，如圖2所示。當轉換器繞軸轉動時，電刷a、b接線柱間將輸出矩形波交變電壓Uab，如圖3所示。可見，轉換器的電刷A、B間輸入的直流電壓UAB和轉換器電刷a、b間輸出的矩形波交變電壓Uab的最大值相等。根據交變電流有效值的定義易知：轉換器輸出的交變電壓的有效值和輸入的直流電源電壓相等。
1．2轉換器輸出交變電流頻率的改變
如圖4所示，把轉換器兩金屬圓筒相互交錯的部分一周分為四等份。這樣制成的轉換器當轉動一周時，輸出的矩形波交變電流將做兩次周期性變化，即在轉速不變的情況下，輸出的交變電流的頻率將變為原來的2倍。根據上述原理，可制作出輸出不同頻率的交變電流的轉換器以滿足實驗的需要。
2轉換器的制作和組裝
筆者制作的轉換器可將直流電源轉換成兩種不同頻率的矩形波交變電流輸出。具體制作方法如下。
2.1轉子的制作
首先，找一塊金屬片(銅片，或從易拉罐上取下的金屬片，或從牙膏筒上取下的金屬片均可)，按圖5所示在金屬片上畫上虛線線條。再按圖6所示沿實線剪開，把金屬片一分為二。
其次，把金屬片在圓柱體桿上卷成圓筒，用電烙鐵把金屬圓筒的兩端焊接成圓環。
最后，找一根細的金屬桿為轉軸，把金屬圓筒套在轉軸上，并用固定膠熔化后注入轉軸和金屬圓筒之間，等固定膠冷卻凝固后，轉子就制成了（圖7）。需要注意的是，金屬桿作為轉軸要固定在金屬圓筒的軸線上，兩部分金屬圓筒之間要絕緣。
2.2支架的制作
找一段細鐵絲，用鉗子把其制成如圖8所示的形狀作為支架，制作兩個這樣的支架備用。
2.3電刷的制作
找一個用彈簧提供動力的玩具，把玩具中提供動力的彈簧卷取下，從彈簧卷上截取6段適當長度的彈簧片，調整其外形后作為電刷，用來連接轉子和接線柱。
2.4組裝轉換器
如圖9所示，用木板作為基座，把支架套在轉子轉軸上，并把支架固定在基座上，然后把6個電刷固定在基座上并與轉子相應部分良好接觸。最后截取一段圓珠筆芯塑料管，把轉子轉軸和直流電動機轉軸相連并把直流電動機固定在基座上。為了減小摩擦的影響，用鉛筆筆芯在支架和轉軸間、電刷和轉子間、涂抹一層石墨。這樣轉換器就組裝好了。當電刷A、B接直流電源，電動機帶動轉子轉動時，電刷a1、b1間和a2、b2間輸出頻率不同的矩形波交變電流，以供實驗需要。
3轉換器的特點和應用
上述制作的轉換器把直流電源轉換成有效值一定的矩形波交變電流。電刷a1、b1間和a2、b2間輸出的交變電流頻率隨直流電動機轉速增大而增大，而且電刷a2、b2間輸出的交變電流頻率始終是電刷a1、b1間輸出的交變電流頻率的兩倍。需注意，當轉子不轉動時，電刷a1、b1間和電刷a2、b2間輸出的是直流。在研究電感對交變電流的阻礙作用時，把如圖10所示的研究電路的a、b端分別接轉換器的電刷a1、b1，當直流電機不轉動時，電刷a1、b1間輸出直流，燈亮；當直流電動機轉動時，電刷a1、b1間輸出有效值未變的交變電流，燈變暗了，說明電感“通直流，阻交流”。把研究電路的a、b端分別接轉換器的電刷a2、b2上，即增大了輸出交變電流的頻率時，燈變得更暗了，說明電感“通低頻，阻高頻”。
在研究電容對交變電流的阻礙作用時，把如圖11所示研究電路的a、b端分別接轉換器的電刷a1、b1，當直流電動機不轉動時，電刷a1、b1間輸出直流，燈不亮；當直流電動機轉動時，電刷a1、b1間輸出有效值未變的交變電流，燈亮了，說明電容“通交流，隔直流”。把研究電路的a、b端分別接轉換器電刷a2、b2上，即增大了輸出交變電流的頻率時，燈變得更亮了，說明電容“通高頻，阻低頻”。
可見，有了筆者制作的轉換器，在研究電感和電容對交流電的影響時，教師講解方便，學生理解容易，效果很好。
(欄目編輯王柏廬)
注：本文中所涉及到的圖表、注解、公式等內容請以PDF格式閱讀原文。
