高中物理第3章电能的输送与变压器2变压器为什么能改变电压3电能的开发与利用课件-83张

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3.2 变压器为什么能改变电压 　 3.3 电能的开发与利用 　　 一、变压器的结构 1. 变压器 : 能升高 _____ 或降低 _____ 的设备。 2. 变压器的构造 : 主要由闭合铁心和绕在铁心上的两个 或两个以上的线圈 ( 绕组 ) 组成。铁心由涂有绝缘漆的 _______ 叠合而成 , 线圈一般用高强度的漆包线绕制。 电压 电压 硅钢片 3. 变压器的符号 : 4. 原线圈和副线圈 : (1) 原线圈 : 与 _____ 相连的线圈。 (2) 副线圈 : 与 _____ 相连的线圈。 5. 输入电压和输出电压 : (1) 输入电压 :_______ 两端的电压。 (2) 输出电压 :_______ 两端的电压。 电源 负载 原线圈 副线圈 6. 分类 : 按输出电压的升降 , 变压器分为 _____ 变压器和 _____ 变压器。 升压 降压 【 生活链接 】 变压器的闭合铁心可有可无吗 ? 提示 : 变压器的闭合铁心起导磁作用 , 如果没有铁心 , 原线圈电流产生的磁通量只有少量通过副线圈 , 会有大量的能量损失 , 变压器效率会很低 , 故变压器的铁心不可缺少。 二、变压器工作原理及变压规律 1. 工作原理 : 变压器工作的基本原理是 _________ 。 2. 理想变压器与变压规律 : 理想变压器特点 铁心 _________ 、原副线圈 _________ 、 铁心没有能量损失 电压与匝数关系 = ___ 电流与匝数关系 = —— 功率关系 P 1 =P 2 电磁感应 没有漏磁 没有电阻 【 思考辨析 】 (1) 我们所用的比较好的变压器就是理想变压器。 ( 　　 ) (2) 理想变压器的输入功率和输出功率相等。 ( 　　 ) (3) 输入交变电流的频率越高 , 输出交变电流的电压就越高。 ( 　　 ) 提示 : (1)× 。任何实际的变压器都会有能量损失 , 所以理想变压器是不存在的。 (2)√ 。理想变压器没有能量损失 , 所以输入功率和输出功率相等。 (3)× 。变压器的输出电压由输入电压和原、副线圈的匝数比决定 , 与交变电流的频率无关。 三、常见变压器 1. 电力变压器 : 用于电力网 , 有升压变压器和降压变压 器 , 功率通常 _____ 。 较大 2. 自耦变压器 ( 或调压变压器 ): 只有 _____ 线圈 , 金属触 头沿线圈刮去了绝缘漆的一边滑动 , 就改变了副线圈匝 数 , 从而改变了输入电压 , 如图。 一个 3. 互感器 : (1) 电压互感器 : 用来把高电压变成低电压 , 副线圈比原 线圈 _______, 它的 _______ 并联在高压电路上 , 副线圈 接入交流电压表 , 根据电压表上的数值 , 利用已知的变 压比 , 可计算原线路中的电压。如图甲。 匝数少 原线圈 (2) 电流互感器 : 用来把大电流变成小电流 , 副线圈比原 线圈 _______,_____ 在被测电路中 , 副线圈接入交流电 流表 , 根据电流表上的数值 , 利用已知的电流比可计算 原线路中的电流。如图乙。 匝数多 串联 4. 电源变压器 : 不同的用电器需要不同的电压 , 用电源 变压器将 220 V _____ 电压变到用电器所需的电压。 交流 【 生活链接 】 自耦变压器有什么优点和缺点 ? 提示 : 优点是可以连续地调节输出电压。缺点是低压端和高压端直接有电的联系 , 使用不够安全。 四、电能的优点及发展前景 1. 电能的优点 : (1) 电能与其他形式的能之间容易 _____ 。 (2) 电能可以集中生产 , 便于 _____ 和分配 , 易于 _____ 和 管理。 (3) 电能的转换 _____ 高 , 电能是应用最广泛、最方便的 二次能源。 转换 输送 控制 效率 2. 电能的发展前景 : (1) 现状 : 世界各国基本上是以 _____ 发电和 _____ 发电 为主。火力发电要消耗煤炭等不可再生能源 , 且污染环 境 , 水力发电受到地域环境的限制。 (2) 新能源发电途径。 ① _______ 发电 ;② 核能发电 ;③_____ 发电 ;④ 地热发电 ; ⑤ 海浪发电 ;⑥ 潮汐发电。 火力 水力 太阳能 风力 一　理想变压器的变压和变流 【 典例 】 ( 多选 ) 理想变压器原、副线圈匝数比为 10∶1, 以下说法中正确的是 A. 穿过原、副线圈每一匝磁通量之比是 10∶1 B. 穿过原、副线圈每一匝磁通量的变化率相等 C. 原、副线圈每一匝产生的电动势瞬时值之比为 10∶1 D. 正常工作时原、副线圈的输入、输出功率之比为 1∶1 【 解析 】 选 B 、 D 。对于理想变压器 , 穿过两个线圈的磁通量相同 , 磁通量变化率相同 , 每匝线圈产生的感应电动势相等 , 输入功率等于输出功率。 【 核心归纳 】 1. 理想变压器的特点 : (1) 原、副线圈的电阻不计 , 不产生热量。 (2) 变压器的铁心不漏磁。 (3) 在铁心内产生的感应电流及产生的热量不计。 理想变压器是一个没有能量损失的理想化模型。 2. 电动势关系 : 由于互感现象 , 且没有漏磁 , 原、副线圈 中每一匝线圈都具有相同的 , 根据法拉第电磁感应 定律有 E 1 =n 1 ,E 2 =n 2 , 所以 = 。 3. 电压关系 : 由于不计原、副线圈的电阻 , 因此原线圈 两端的电压 U 1 =E 1 , 副线圈两端的电压 U 2 =E 2 , 所以 = 。当有 n 组线圈时 , 则有 : = = …… 4. 功率关系 : 对于理想变压器 , 不考虑能量损失 ,P 入 = P 出 。 5. 电流关系 : 由功率关系 , 当只有一个副线圈时 , I 1 U 1 =I 2 U 2 , 得 = = 。当有多个副线圈时 , I 1 U 1 =I 2 U 2 +I 3 U 3 +… 得 I 1 n 1 =I 2 n 2 +I 3 n 3 +… 【 特别提醒 】 理想变压器的四点注意 (1) 变压器不能改变直流电压。 (2) 变压器只能改变交变电流的电压和电流 , 不能改变交变电流的频率。 (3) 理想变压器本身不消耗能量。 (4) 理想变压器基本关系中的 U 1 、 U 2 、 I 1 、 I 2 均为有效值。 【 过关训练 】 1. 如图所示 , 理想变压器的原线圈接在 u= 220 sin(100πt)V 的交流电源上 , 副线圈接有 R= 55 Ω 的负载电阻 , 原、副线圈匝数之比为 2∶1, 电流 表、电压表均为理想电表 , 下列说法正确的是 ( 　　 ) A. 原线圈中电流表的读数为 1 A B. 原线圈中的输入功率为 220 W C. 副线圈中电压表的读数为 110 V D. 副线圈中输出交变电流的周期为 50 s 【 解析 】 选 A 。因输入电压 U 1 =220 V,n 1 ∶n 2 =2∶1, 所以 U 2 = U 1 =110 V, I 2 = =2 A,I 1 = =1 A, 所以 A 项正 确 ; 输入功率 P 入 =U 1 I 1 =220 W,B 项错误 ; 电压表读数 U 2 =110 V,C 项错误 ; 副线圈中输出交变电流的周期 T=0.02 s,D 项错误。 2.( 多选 ) 如图所示 , 一理想变压器原、副线圈的匝数分 别为 n 1 、 n 2 。原线圈通过一理想电流表 接正弦交流 电源 , 一个二极管和阻值为 R 的负载电阻串联后接到副 线圈的两端。假设该二极管的正向电阻为零 , 反向电阻 为无穷大。用交流电压表测得 a 、 b 端和 c 、 d 端的电压 分别为 U ab 和 U cd , 则 ( 　　 ) A.U ab ∶U cd =n 1 ∶n 2 B. 增大负载电阻的阻值 R, 电流表的读数变小 C. 负载电阻的阻值越小 ,cd 间的电压 U cd 越大 D. 将二极管短路 , 电流表的读数加倍 【 解析 】 选 B 、 D 。若变压器原线圈电压为 U ab , 则副线圈 电压为 U 2 = U ab 。由于二极管的单向导电性使得 U cd = U 2 , 故 = ,A 错误 ; 增大负载电阻的阻值 R, 则变压器 副线圈电流减小 , 原线圈电流也减小 , 即电流表的读数 变小 ,B 正确 ;cd 间的电压由变压器的原线圈电压决定 , 与负载电阻无关 ,C 错误 ; 将二极管短路时 ,U cd =U 2 , 副线 圈电流会加倍 , 所以原线圈电流也加倍 , 故 D 正确。 二　理想变压器的制约关系和动态分析 【 典例 】 ( 多选 ) 一理想变压器原、副线圈的匝数比为 10∶1, 原线圈输入电压的变化规律如图甲所示 , 副线圈所接电路如图乙所示 ,P 为滑动变阻器的滑片。下列说法正确的是 ( 　　 ) A. 副线圈输出电压的频率为 50 Hz B. 副线圈输出电压的有效值为 31 V C.P 向右移动时 , 原、副线圈的电流比减小 D.P 向右移动时 , 变压器的输出功率增加 【 解析 】 选 A 、 D 。由题图可知原线圈输入电压的最大 值 U m =311 V, 周期 T=2×10 -2 s, 则原线圈输入电压的有 效值 U 1 = =220 V, 频率 f= = =50 Hz,A 正确 ; 由 = 可得 U 2 = U 1 =22 V,B 错误 ;P 向右移动时 , 副线圈的电阻减小 , 副线圈输出电压不变 , 所以副线圈 的电流增大 , 原线圈的电流也增大 , 而匝数比不变 , 所以 原、副线圈的电流比不变 ,C 错误 ;P 向右移动时 , 副线圈的电阻减小 , 副线圈输出电压不变 , 所以变压器的输出功率增加 ,D 正确。 【 核心归纳 】 1. 电压制约 : 当变压器原、副线圈的匝数比 ( ) 一定 时 , 输出电压 U 2 由输入电压 U 1 决定 , 即 U 2 = 。 2. 电流制约 : 当变压器原、副线圈的匝数比 ( ) 一定 , 且输入电压 U 1 确定时 , 原线圈中的电流 I 1 由副线圈中的 输出电流 I 2 决定 , 即 I 1 = 。 3. 负载制约 : (1) 变压器副线圈中的功率 P 2 由用户负载决定 ,P 2 =P 负 1 + P 负 2 +… (2) 变压器副线圈中的电流 I 2 由用户负载及电压 U 2 确 定 ,I 2 = 。 (3) 总功率 P 入 =P 线 +P 2 , 即变压器的输入功率是由输出功 率决定的。 4. 对理想变压器进行动态分析的两种常见情况 : (1) 原、副线圈匝数比不变 , 分析各物理量随负载电阻变化而变化的情况 , 进行动态分析的顺序是 R→I 2 →P 2 →P 1 →I 1 。 (2) 负载电阻不变 , 分析各物理量随匝数比的变化而变化的情况 , 进行动态分析的顺序是 n 1 、 n 2 →U 2 →I 2 →P 2 → P 1 →I 1 。 5. 理想变压器动态问题的处理方法 : (1) 抓住三个决定原则 : 输入电压 U 1 决定输出电压 U 2 ; 输出电流 I 2 决定输入电流 I 1 ; 输出功率 P 2 决定输入功率 P 1 。 (2) 把副线圈当作电源 , 研究副线圈电路电阻变化。 (3) 根据闭合电路的欧姆定律 , 判定副线圈电流的变化、功率的变化。 (4) 根据理想变压器的变压规律、变流规律和功率规律判定原线圈电流的变化及输入功率的变化。 【 过关训练 】 1. 如图所示 , 理想变压器原、副线圈回路中的输电线的电阻忽略不计。当 S 闭合时 ( 　　 ) A. 电流表 A 1 的读数变大 , 电流表 A 2 的读数变小 B. 电流表 A 1 的读数变大 , 电流表 A 2 的读数变大 C. 电流表 A 1 的读数变小 , 电流表 A 2 的读数变小 D. 电流表 A 1 的读数变小 , 电流表 A 2 的读数变大 【 解析 】 选 B 。当 S 闭合后 , 变压器副线圈中的输电回路 的电阻减小 , 而输出电压不变。由 I 2 = 得 I 2 增 大 , 即电流表 A 2 的读数增大 , 即输出功率变大。由 U 1 I 1 =U 2 I 2 可知 ,I 1 变大 , 即电流表 A 1 的读数也增大 , 选项 B 正确。 2. 普通的交流电流表不能直接接在高压输电线路上测量电流 , 通常要通过电流互感器来连接 , 图中电流互感器 ab 一侧线圈的匝数较少 , 工作时电流为 I ab ,cd 一侧线圈的匝数较多 , 工作时电流为 I cd , 为了使电流表能正常工作 , 则 ( 　　 ) A.ab 接 MN 、 cd 接 PQ,I ab I cd C.ab 接 PQ 、 cd 接 MN,I ab I cd 【 解析 】 选 B 。根据变压器原、副线圈中电流与匝数间 的关系 = 可知 ,I ab >I cd , 所以 ab 接 MN 、 cd 接 PQ, 选项 B 正确。 【 补偿训练 】 　　 1.( 多选 ) 如图所示 , 理想变压器原线圈接有交流电源 , 当副线圈上的滑片 P 处于图示位置时 , 灯泡 L 能发光。要使灯泡变亮 , 可以采取的方法有 ( 　　 ) A. 向下滑动 P B. 增大交流电源的电压 C. 增大交流电源的频率 D. 减小电容器 C 的电容 【 解析 】 选 B 、 C 。向下滑动滑片 P, 副线圈匝数减少 , 输 出电压 U 2 减小 , 经过灯泡的电流减小 , 灯泡变暗 , 选项 A 错误 ; 增大交流电源的电压 , 则原线圈两端电压 U 1 变大 , 副线圈的输出电压 U 2 变大 , 经过灯泡的电流增大 , 灯泡变亮 , 选项 B 正确 ; 增大交变电流的频率 , 电容器对交变电流的阻碍作用减小 , 经过灯泡的电流增大 , 灯泡变亮 , 选项 C 正确 ; 减小电容器的电容 , 电容器对交变电流的阻碍作用增大 , 经过灯泡的电流减小 , 灯光变暗 , 选项 D 错误。 2. 如图所示 ,T 为理想变压器 ,A 1 、 A 2 为理想交流电流表 ,R 1 、 R 2 为定值电阻 ,R 3 为滑动变阻器 , 原线圈两端接恒压交流电源 , 当滑动变阻器的滑动触头向下滑动时 ( 　　 ) A.A 1 的读数变大 ,A 2 的读数变大 B.A 1 的读数变大 ,A 2 的读数变小 C.A 1 的读数变小 ,A 2 的读数变大 D.A 1 的读数变小 ,A 2 的读数变小 【 解析 】 选 A 。当滑动变阻器的滑动触头向下滑动时 ,R 3 电阻减小 , 输出端电阻减小 , 输出电流增大 , 由输入功率等于输出功率可知输入电流增大 ,R 1 分压增大 ,R 2 分压减小 , 通过 R 2 的电流减小 , 所以通过 R 3 的电流增大 , 电流表 A 2 电流增大 ,A 正确 , 其余均错误。 三　变压器与远距离输电 【 典例 】 如图所示 , 某发电机输出功率是 100 kW, 输出 电压是 250 V, 从发电机到用户间的输电线总电阻为 8 Ω, 要使输电线上的功率损失为 5%, 而用户得到的电 压正好为 220 V, 则升压变压器和降压变压器原、副线 圈匝数比分别是 ( 　　 ) A.16∶1 　 190∶11 　　　　　 B.1∶16 　 11∶190 C.1∶16 　 190∶11 D.16∶1 　 11∶190 【 解析 】 选 C 。输电线损失功率 P 损 =100×10 3 ×5% W =5×10 3 W, 所以输电线电流 I 2 = =25 A, 升压变压器 原线圈电流 I 1 = =400 A, 故升压变压器原、副线圈匝 数比为 = = 。升压变压器副线圈两端电压 U 2 = U 1 =4 000 V, 输电线损失电压 U 损 =I 2 R 线 =200 V, 降压变 压器原线圈两端电压 U 3 =U 2 -U 损 =3 800 V, 故降压变压器原、 副线圈匝数比为 = = , 故 C 正确。 【 核心归纳 】 1. 输电过程示意图 : 2. 高压输电过程的几个电压的区别 : (1) 输送电压 : 输电线始端电压 , 如图中的 U 2 。 (2) 用户电压 : 最终用户得到的电压 , 如图中的 U 4 。 (3) 损失电压。 ①表示形式 : 输电线始端电压与末端电压的差值即 ΔU=U 2 -U 3 =I 2 R 。 ②形成原因 : 输电线上的电压损失原因是输电导线有电阻 , 电流通过输电线时 , 会在线路上产生电势降落 , 致使输电线路末端的电压比起始端电压要低。 3. 输电过程的几个基本关系 : (1) 功率关系 : P 1 =P 2 ,P 2 =P 线 +P 3 ,P 3 =P 4 。 (2) 电压、电流关系 : = = , = = , U 2 =U 线 +U 3 ,I 2 =I 3 =I 线 。 (3) 输电电流 :I 线 = = = 。 (4) 输电导线上损耗的电功率 : P 线 =I 线 U 线 = R 线 =( ) 2 R 线 。 【 特别提醒 】 (1) 公式 P 线 =I 线 U 线 中的 U 线 为输电线上的电压损失 ΔU, 而不是输电电压 U 2 。 (2) 高压输电可以减小电压损失和功率损失 , 但在实际输送电能时 , 还需要综合考虑各种因素 , 选择合适的输电电压。 【 过关训练 】 1. 如图为远距离输电示意图 , 两变压器均为理想变压器 , 升 压变压器 T 的原、副线圈匝数分别为 n 1 、 n 2 , 在 T 的原线圈两端接入一电压 u=U m sinωt 的交流电源 , 若输送电功率为 P, 输电线的总电阻为 2r, 不考虑其他因素的影响 , 则输电线上损失的电功率为 ( 　　 ) A.( ) 　　　　　　　 B.( ) C.4( ) 2 ( ) 2 r D.4( ) 2 ( ) 2 r 【 解析 】 选 C 。由 I 1 = 和 = 得 I r =I 2 = , 则 输电线上损失的功率 P r = 2r=4( ) 2 ( ) 2 r, 故选 C 。 2. 如图甲是远距离输电线路示意图 , 图乙是用户端电压随时间变化的图像 , 则 A. 发电机产生的交流电的频率是 100 Hz B. 降压变压器输出的电压有效值是 340 V C. 输电线的电流仅由输送功率决定 D. 仅增加升压变压器的副线圈匝数 , 其他条件不变 , 输电线上损失的功率减小 【 解析 】 选 D 。由乙图可知交流电的周期 T=0.02 s, 则 频率 f= =50 Hz, 变压器不改变交流电的周期与频率 , 故 A 错 , 由乙图可知 U m =340 V, 有效值 U= <340 V, 故 B 错 , 输电线的电流由输送功率和输送电压共同决定 , 故 C 错 , 当仅增加升压变压器的副线圈匝数时 , 则输电电压 增大 , 由 P=UI 可知 , 输电电流减小 , 再由 P=I 2 R 可知输电 线上损失的功率减小 , 故 D 正确。 3.( 多选 ) 某小型水电站的电能输送示意图如图 , 发电机的输出电压为 220 V, 输电线总电阻为 r, 升压变压器原、副线圈匝数分别为 n 1 、 n 2 , 降压变压器原、副线圈匝数分别为 n 3 、 n 4 ( 变压器均为理想变压器 ) 。要使额定电压为 220 V 的用电器正常工作 , 则 ( 　　 ) A. > B. < C. 升压变压器的输出电压等于降压变压器的输入电压 D. 升压变压器的输出功率大于降压变压器的输入功率 【 解析 】 选 A 、 D 。根据变压器工作原理可知 = , = , 由于输电线上损失一部分电压 , 升压变压器 的输出电压大于降压变压器的输入电压 , 有 U 2 >U 3 , 所以 有 > ,A 正确 ,B 、 C 错误。升压变压器的输出功率 减去输电线上损失的功率等于降压变压器的输入功 率 ,D 正确。 【 拓展例题 】 考查内容 : 变压器和分压器的比较 【 典例 】 如图甲、乙所示电路中 , 当 A 、 B 接 10 V 交变电压时 ,C 、 D 间电压 为 4 V;M 、 N 接 10 V 直流电压时 ,P 、 Q 间电压也为 4 V 。现把 C 、 D 接 4 V 交流电压 ,P 、 Q 接 4 V 直流电压 , 则 A 、 B 间和 M 、 N 间的电压分别是 ( 　　 ) A.10 V,10 V 　　　　　　　　 B.10 V,4 V C.4 V,10 V D.10 V,0 【 正确解答 】 选 B 。甲图是一个自耦变压器 , 当 A 、 B 作 为输入端 ,C 、 D 作为输出端时 , 是一个降压变压器 , 两边 的电压之比等于两边线圈的匝数之比。当 C 、 D 作为输 入端 ,A 、 B 作为输出端时 , 是一个升压变压器 , 电压比也 等于匝数比 , 所以 C 、 D 接 4 V 交变电压时 ,A 、 B 间将得 到 10 V 交变电压。乙图是一个分压电路 , 当 M 、 N 作为输 入端时 , 上下两个电阻上的电压跟它们的电阻的大小成正比。但是当把电压加在 P 、 Q 两端时 , 电流只经过下面那个电阻 , 上面的电阻中没有电流 ,M 、 P 两端也就没有电势差 , 即 M 、 P 两点的电势相等 , 所以当 P 、 Q 接 4 V 直流电压时 ,M 、 N 两端的电压也是 4 V 。 物理模型构建 —— 理想变压器模型 1. 建模背景 : 在研究变压器的电压和能量的输送时 , 原、副线圈的电阻很小和铁心内产生的感应电流及产生的热量都不计 , 变压器的铁心不漏磁。 2. 模型特点 : (1) 无能量损失 , 输入功率等于输出功率 :P 出 =P 入 。 (2) 原、副线圈的电压和匝数的关系 : = 。 【 案例示范 】 如图所示 , 一台有两个副线圈的变压器 , 原线圈匝数 n 1 =1 100 匝 , 接入电压 U 1 =220 V 的电路中。 (1) 要求在两个副线圈上分别得到电压 U 2 =6 V, U 3 =110 V, 它们的匝数 n 2 、 n 3 分别为多少 ? (2) 若在两副线圈上分别接上“ 6 V 20 W”“110 V 60 W” 的两个用电器 , 原线圈的输入电流为多少 ? 【 解析 】 (1) 根据原、副线圈间电压与匝数的关系 , 由 = , = , 得 n 2 = n 1 = ×1 100 匝 =30 匝 , n 3 = n 1 = ×1 100 匝 =550 匝。 (2) 设原线圈输入电流为 I 1 , 由 P 入 =P 出 , 即 I 1 U 1 =I 2 U 2 +I 3 U 3 =P 2 +P 3 , 所以 I 1 = = A≈0.36 A 。 答案 : (1)30 匝　 550 匝　 (2)0.36 A 【 变式训练 】 　　 ( 多选 ) 如图甲所示 , 理想变压器原、副线圈的匝数比 n 1 ∶n 2 =10∶1,b 是原线圈的中心抽头 ,S 为单刀双掷开关 , 定值电阻 R=10 Ω 。从某时刻开始在原线圈 c 、 d 两端加上如图乙所示的交变电压 , 则下列说法中正确的是 ( 　　 ) A. 当 S 与 a 连接后 , 理想电流表的示数为 2.2 A B. 当 S 与 a 连接后 ,t=0.01 s 时理想电流表示数为零 C. 当 S 由 a 拨到 b 后 , 原线圈的输入功率变为原来的 4 倍 D. 由 S 由 a 拨到 b 后 , 副线圈输出电压的频率变为 25 Hz 【 解析 】 选 A 、 C 。 S 与 a 连接后 , 由 = , 知 U 1 = =220 V, 得 U 2 =22 V, 则理想电压表的示数为 22 V, 又知 定值电阻 R=10 Ω, 可得理想电流表示数为 I= = 2.2A,A 正确 ,B 错误。 S 由 a 拨到 b 后 ,n 1 ∶n 2 =5∶1, 则 U 1 ∶U 2 ′=5∶1, 得 U 2 ′=2U 2 , 据 P= 得功率变为原来的 4 倍 ,C 正确。变压器输出电压频率不变 , 仍为 50 Hz,D 错 误。