变压器的工作原理

变压器的工作原理 教学重点: 1(能利用变压器的工作原理，解答相关问题。 2(会正确使用常见的变压器。 教学难点: 变压器的工作原理。 1(变压器的构造原理 学目标: 知识:了解变压器的分类、构造及工作原理。 技能:能识别变压器，能正确使用变压器。 教学重点:变压器的工作原理及应用 教学难点:理解变压器的工作原理及应用。 教学学时:2学时。 教学过程: 一、章节前言: 前面学习了三相交流电源、三相负载的联接、三相电路的功率及各类电动机。而变压器是利用电磁感应原理制成的静止电气设备，它能将某一电压值的交流电变换成同频率的所需电压值的交流电;也可以改变交流电流的数值及变换阻抗改变相位。在电力系统、自动控制及电子设备中，广泛使用各种类型的变压器，今天开始来探讨变压器。引入课题，首先从变压器的构造入手。 二、进行新课: (一)、变压器的用途和种类 变压器是利用互感原理工作的电磁装置， 它的符号如图所示，T是它的文字符号。 1(变压器的用途:变压器除可变换电压外，还可变换电流、变换阻抗、改变相位。 图8-1 变压器的符号 2(变压器的种类:按照使用的场合，变压器有电力变压器、整流变压器、调压变压器输入、输出变压器等。 (二)、变压器的基本构造 变压器主要由铁心和线圈两部分构成。 铁心是变压器的磁路通道，是用磁导率较高且相互绝缘的硅钢片制成，以便减少涡流和磁滞损耗。按其构造形式可分为心式和壳式两种，见图所示。 线圈是变压器的电路部分，是用漆色线、沙包线或丝包线绕成。其中和电源相连的线圈叫原线圈(初级绕组)，和负载相连的线圈叫副线圈(次级绕组)。 (三)、变压器的工作原理 变压器是按电磁感应原理工作的，原线圈接在交流电源上，在铁心中产生交变磁通，从而在原、副线圈产生感应电动势，如图11-3所示。 1(变换交流电压 原线圈接上交流电压，铁心中产生的交变磁通同时通过原、副线圈，原、副线圈中交变的磁通可视为相同。 设原线圈匝数为N，副线圈匝数为N，磁通为, ，12 感应电动势为 N,N,,,12E,E, ， 12,t,t EN11由此得 , EN22 UN11忽略线圈内阻得 ,,KUN22 上式中K称为变压比。由此可见:变压器原副线圈的端电压之比等于匝数比。 如果N< N，K < 1，电压上升，称为升压变压器。 1 2 如果N> N，K >1，电压下降，称为降压变压器。 1 2 2(变换交流电流 根据能量守恒定律，变压器输出功率与从电网中获得功率相等，即P= P，由交流电1 2功率的公式可得 UI cos,= UI cos,111222 式中cos,——原线圈电路的功率因数; 1 cos,——副线圈电路的功率因数。 2 ,，,相差很小，可认为相等，因此得到UI= UI 1211 22 IN112 ,,INK21 可见，变压器工作时原、副线圈的电流跟线圈的匝数成反比。高压线圈通过的电流小，用较细的导线绕制;低压线圈通过的电流大，用较粗的导线绕制。这是在外观上区别变压器高、低压饶组的方法。 3(变换交流阻抗 设变压器初级输入阻抗为|Z|，次级负载阻抗为|Z|，则 12 U1 Z,1I12NN,,NU1212U,U ， I,I将代入，得 ,,Z,12121,,NNNI2122,,2,,UN221因为 所以 ,,,Z Z,Z,KZ2122,,IN22,,2可见，次级接上负载|Z|时，相当于电源接上阻抗为K|Z|的负载。变压器的这种阻抗22 变换特性，在电子线路中常用来实现阻抗匹配和信号源内阻相等，使负载上获得最大功率。 (四)、原理应用 例1 有一电压比为220/110 V的降压变压器，如果次级接上55 , 的电阻，求变压器初级的输入阻抗。 U1102法1:次级电流 I,,,2Α2Z552 NU22011初级电流 K,,,,2ΑNU11022 I22 I,,,1Α1K2 U2201输入阻抗 Z,,,220,1I11 NU22011法2:变压比 K,,,,2NU110222,,N21,,输入阻抗 Z,Z,KZ,4，55,220, 122,,N2,, 例2 有一信号源的电动势为1V，内阻为600 ,，负载电阻为150 ,。欲使负载获得最大功率，必须在信号源和负载之间接一匹配变压器，使变压器的输入电阻等于信号源的内阻，如图11-4所示。问:变压器变压比，初、次级电流各为多少? 解:负载电阻 R= 150 ,，变压器的输入电阻R= R= 600 ,，则变比应为 2 1 0 NR60011K,,,,2 NR15022 E13,I,,,0.83，10A,0.83mA1R，R600，60001初、次级电流分别为 N1I,I,2，0.83,1.66mA21N2 变压器外特性曲线 (五)、 变压器的外特性和电压变化率 1(变压器的外特性 变压器外特性就是当变压器的初级电压U和负载的功率因数都一定时，次级电压U12 随次级电流I变化的关系，如图11-5所示。 2 由变压器外特性曲线图可见: (1) I = 0时，U = U。 222N (2) 当负载为电阻性和电感性时，随着I的增大，U逐渐下降。在相同的负载电流情况22 下，U的下降程度与功率因数cos, 有关。 2 (3) 当负载为电容性负载时，随着功率因数cos, 的降低，曲线上升。所以，在供电系统中，常常在电感性负载两端并联一定容量的电容器，以提高负载的功率因数cos,。 2(电压的变化率 电压变化率是指变压器空载时次级端电压U和有载时次级端电压U之差与U的百2N22N U,U2N2,U,，100%分比。即: U2N 电压变化率越小，为负载供电的电压越稳定。 三、小结:理解变压器的工作原理及简单应用。 四、练习与作业:P183、1;2;3。 2(变压器的功率和效率 教学目标: 知识:了解变压器的功率和效率。 技能:能利用变压器的功率和效率解答相关问题。 教学重点:变压器的功率和效率及应用。 教学难点:理解变压器的功率和效率。 教学学时:2学时。 教学过程: 一、引入新课: 前面对变压器的构造有所了解，现就工作原理进一步研究，引入课题。 二、进行新课: (一)、变压器的功率 变压器的功率消耗等于输入功率P= UI cos,和P= UI cos,输出功率之差，即 1 1112 222P = P– P变压器功率损耗包括铁损和铜损。 L1 2 (二)、变压器的效率 变压器的效率为变压器输出功率与输入功率的百分比，即 P2,,，100% P1 大容量变压的效率可达98% ~ 99%，小型电源变压器效率约为70% ~ 80%。 例 有一变压器初级电压为2200 V，次级电压为220 V，在接纯电阻性负载时，测得次 级电流为10 A，变压器的效率为95%。 试求它的损耗功率，初级功率和初级电流。 ，解:次级负载功率 P= UIcos,= 22010 = 2200 W 2 222 P22002初级功率 ,,,2316W P1,0.95 损耗功率 P = P– P= 2316 – 2200 = 116W L1 2 P23161I,,,1.05Α初级电流 1U22001 三、小结:理解变压器的功率及效率及应用。 四、练习与作业:P183、4、5。 3(常用变压器 教学目标: 知识:了解几种常用变压器的工作原理。 技能:能使用常用变压器。 教学重点:几种常用变压器的工作原理及应用。 教学难点:理解常用变压器的工作原理。 教学学时:2学时。 教学过程: 一、引入新课: 前面对变压器的工作原理、功率及效率有所了解，现就常用的几种变压器进一步研究，引入课题。 二、进行新课: (一)、自耦变压器 1(自耦变压器的构造和工作原理 自耦变压器原、副线圈共用一部分绕组，它们之间不仅有磁耦合，还有电的关系，如图11-6所示。 UIN121原、副线圈电压之比和电流之比的关系为,,,K UIN212 自耦变压器在使用时，一定要注意正确接线，否则易于发生触电事故。 实验室中用来连续改变电源电压的调压变压器，就是一种自耦变压器，如图11-7所示。 (二)、多绕组变压器 1(多绕组变压器 变压器的次级有两个以上的绕组或初、次级都有两个 以上绕组的变压器叫多绕组变压器，如左图所示。 多绕组变压器原、副线圈的电压关系仍符合变压比的关 系， UN11,UN22 UN11,UN33 2(多绕组变压器的使用 多绕组变压器多使用于电子设备中，输出多种电压。多 绕组可串联或并联使用，串联时应将线圈的异名端相接，并联时应将线圈的同名端相接。只有匝数相同的线圈才能并联。 (三)、互感器 互感器是一种专供测量仪表，控制设备和保护设备中使用的变压器。可分为电压互感器和电流互感器两种。 1(电压互感器 使用时，电压互感器的高压绕组跨接在需要测量的供电线路上，低压绕组则与电压表相连，如图11-9所示。 电流互感器 电压互感器 可见，高压线路的电压U等于所测量电压U和变压比K的乘积，即U=KU1212 使用时应注意: (1) 次级绕组不能短路，防止烧坏次级绕组。 (2) 铁心和次级绕组一端必须可靠的接地，防止高压绕组绝缘被破坏时而造成设备的破坏和人身伤亡。 2(电流互感器 使用时，电流互感器的初级绕组与待测电流的负载相串连，次 级绕组则与电流表串联成闭和回路，如图11-10所示。 通过负载的电流就等于所测电流和变压比倒数的乘积。 使用时应注意: (1) 绝对不能让电流互感器的次级开路，否则易造成危险; (2) 铁心和次级绕组一端均应可靠接地。 常用的钳形电流表也是一种电流互感器。它是由一个电流表接成闭合回路的次级绕组和一个铁心构成，其铁心可开、可合。测量时，把待测电流的一根导线放入钳口中，电流表上可直接读出被测电流的大小，如图11-11所示。 (四)_、三相变压器 三相变压器就是三个相同的单相变压器的组合，如图11-12所示。三相变压器用于供电系统中。根据三相电源和负载的不同，三相变压器初级和次级线圈可接成星形或三角形。 三相变压器 钳形电流表 三、小结:了解常用的几种变压器的工作原理及使用。 四、练习与作业:P183、6;7;8。 4(变压器的额定值和检验 教学目标: 知识:。了解变压器的额定值和检验 技能:能识别变压器的额定值和检验及应用。 教学重点:。变压器的额定值和检验。 教学难点:变压器的额定值和检验。 教学学时:2学时。 教学过程: 一、引入课题: 变压器是利用电磁感应原理制成的静止电气设备，它能将某一电压值的交流电变换成同频率的所需电压值的交流电;也可以改变交流电流的数值及变换阻抗改变相位。在电力系统、自动控制及电子设备中，广泛使用各种类型的变压器，了解变压器的额定值和检验很重要，引入课题。 二、进行新课: (一)、变压器的额定值 变压器的满负荷运行情况叫额定运行，额定运行条件叫变压器的额定值。 额定容量——指次级最大视在功率，单位是伏安(VA)或千伏安(kVA)。 额定初级电压——指接到初级线圈电压的规定值。 额定次级电压——指变压器空载时，初级加上额定电压后，次级两端的电压。 额定电流——指规定的满载电流值。 变压器的额定值取决于变压器的构造及使用的材料。使用时，变压器应在额定条件下运行，不能超过其额定值。 除此外还应注意: (1) 工作温度不能过高; (2) 初、次级绕组必须分清; (3) 防止变压器绕组短路，以免烧毁变压器。 (二)、变压器的检验 变压器在使用前应进行检验，通常其检验内容有: (1) 区分绕组、测量各绕组的直流电阻; (2) 绝缘检查; (3) 各绕组的电压和变压比; (4) 磁化电流I，变压器次级开路时的初级电流叫磁化电流，I一般为初级额定电流的, , 3% ~ 8%。 各项检验都应符合标准，否则不宜使用。 三、小结:了解常用的几种变压器的工作原理及使用。 四、练习与作业:阅读课本P172。 本 章 小 结 教学目标: 知识系统化，能够综合应用有关知识进行简单解答与计算。 教学重点:综合应用有关知识进行简单解答与计算 教学学时:2学时。 教学过程: 一、学生阅读教材。 二、小结归纳知识结构，剖析其重点，突破其难点。 (一)、变压器的用途是变换电压、变换电流、变换阻抗、改变相位，由铁心和线圈两部 分构成，它是按电磁感应原理工作的。 (二)、变压器原副线圈的端电压之比等于匝数比，变压器工作时原线圈的电流跟线圈的 UIN121,,匝数成反比，即 UIN212 (三)、常用变压器有自耦变压器、多绕组变压器、互感器和三相变压器等。 三、小结:掌握本章知识及其应用。 四、练习与作业:完成相关作业。