1.3 变压器的基本原理（课件）-《电机与变压器》同步精品课堂（高等教育出版社）

1.3 变压器的基本原理 同步精品课堂 电机与变压器 高教版 1 学习目标 掌握变压器的基本工作原理 了解变压器中各有关量间的关系 掌握并学会变压器的空载运行并进行应用 知识目标 能力目标 新知学习 一 、变压器的基本工作原理 由变压器的结构可知，变压器主体是铁心及套在铁心上的绕组。把接交流电源的绕组设定 为一次绕组，其匝数用字母N₁表示。把接负载(如节能灯)的绕组设定为二次绕组，其匝数用字母N₂ 表示。 新知学习 一 、变压器的基本工作原理 当一次绕组接通交流电源时，二次绕组接的节能灯就会发光。这是 什么道理呢? 这需要依据电磁感应原理来说明：穿过绕组的磁通量发生变化时，绕组中便有感应 电动势产生，如果绕组电路闭合，便产生感应电流。说具体些，就是一次绕组接通交流电源时，在 一次绕组中就有交变电流通过，这个电流将激励铁心产生交变的磁通。 新知学习 一 、变压器的基本工作原理 当一次绕组接通交流电源时，二次绕组接的节能灯就会发光。这是 什么道理呢? 由于一次、二次绕组套在 同一铁心柱上，铁心中的交变磁通同时交链一次、二次绕组，于是在两绕组中都产生感应电动势。 显然，对于负载来说，二次绕组中的感应电动势相当于电源，在二次绕组接通的回路中，便有电流 通过，使节能灯发光。 新知学习 一 、变压器的基本工作原理 由此可见，当变压器一次绕组通以交流电流时，在其铁心中产生交变磁通，根据电磁感应原理，一次、二次绕组都产生感应电动势，二次绕组的感应电动势相当于新的电源，变压器是利用电磁感应原理进行电能传递的电磁转换装置。 新知学习 一 、变压器的基本工作原理 变压器将一次侧交流电压、电流通过电磁感应传递 给二次侧的电压、电流，其大小与一次侧不同或相同，从而达到电能传递的目的，传递时电源频率 不变，这就是变压器的基本工作原理。 新知学习 一 、变压器的基本工作原理 变压器一次绕组从交流电源吸收电能传递到二次绕组供给负载，铁心中的磁通是能量传递的中介桥梁。事实证明，变压器只能传递交流电能，而不能产生电能；它只能改变 交流电压或电流的大小，不改变频率；而在传递过程中几乎不改变电流与电压大小的乘积，即 P=U1I1≈U2I2。 新知学习 二 、变压器的空载运行 将变压器一次绕组接交流电源，二次绕组开路，这种运行方式称为变压器的空载运行。 图所示为单相变压器空载运行原理。 新知学习 二 、变压器的空载运行 1. 变压器有关各量正方向的规定 由于变压器中电压、电流、磁通及电动势的大小和方向均随时间作周期性变化，为了能正确 表明各量之间的关系，首先要规定它们的正方向。通常是这样规定的： (1)在一次绕组内，电流的正方向与电压的正方向一致。 (2)磁通的正方向与电流的正方向之间关系符合右手螺旋定则。 新知学习 二 、变压器的空载运行 1. 变压器有关各量正方向的规定 由于变压器中电压、电流、磁通及电动势的大小和方向均随时间作周期性变化，为了能正确 表明各量之间的关系，首先要规定它们的正方向。通常是这样规定的： (3)绕组感应电动势的正方向与产生该电动势的磁通正方向一致，符合右手螺旋定则。 (4)在二次绕组内，电流的正方向与电动势的正方向一致。 (5)在二次绕组端，电压的正方向与电流的正方向一致。 新知学习 二 、变压器的空载运行 各有关量的正方向，就是根据上述规定作出的。 N1、N2分别是一次绕组和 二次绕组的匝数。 01 02 新知学习 二 、变压器的空载运行 假设变压器是理想变压器，其含义是一次、二次绕组没有电阻，铁心励磁后没 有漏磁通，磁路不饱和，而且铁心中没有损耗。 当一次绕组加上交流电压U₁后，一次绕组中就流 过交流电流i 。,由于二次绕组开路，i₂=0, 这时i。称为空载电流 03 04 新知学习 二 、变压器的空载运行 i。在一次绕组中产生交变磁 动势F₀=N₁i 。,磁动势F。就产生交变磁通Φ。,通过铁心而闭合 既穿过一次绕组，也穿过二次 绕组的磁通，称为主磁通，即φ。 05 06 新知学习 二 、变压器的空载运行 2.变压器中各有关量间的关系 根据电磁感应定律，主磁通φ将在一次绕组、二次绕组中产生感应电动势E,、E₂。 如果将 一次绕组看成一次侧电源的负载，将二次绕组看成变压器负载的电源，按照基尔霍夫电压定律 (回路电压定律),在一次绕组中的电动势E, 与外加电压 U,大小相等，方向相反。 新知学习 二 、变压器的空载运行 理想变压器空载运行的相量图 新知学习 二 、变压器的空载运行 3. 变压器一次、二次绕组感应电动势的大小 根据法拉第电磁感应定律，对于N 匝线圈，其感应电动势大小为： 若只考虑其绝对值，则 新知学习 二 、变压器的空载运行 1/4周期时间内的平均感应电动势值为 一个周期可分为4个1/4周期， 一个周期内的平均感应电动势与1/4周期内的平均感应电动势相同。 新知学习 二 、变压器的空载运行 感应电动势的有效值与平均值的关系 新知学习 二 、变压器的空载运行 4.变压器的变压比 由于一次、二次绕组匝数不同，主磁通在一次、二次绕组中感应电动势的大小也就不同。可以求得变压器的一次、二次绕组电动势的比值，称为变压器的变压比，简称变比，用 符号K表示，则 变压器的变比K 等于一次、二次绕组匝数之比。当K>1 时，是降压变压器；当 K<1 时，是升压变压器；当K=1 时，是隔离变压器。变比是变压器的一个重要运行参数。 新知学习 二 、变压器的空载运行 5.实际变压器空载运行时的相量关系 PART 01 实际运行的变压器空载时，绕组电阻、漏磁通、铁损都不能忽略，此时，空载电流i。既建立了 主磁通、漏磁通，又提供了铁损和绕组铜损所需要的电流。 PART 03 它在一次、二次绕组中 产生感应电动势 E1和E2。还有另外一部分磁通只与一次绕组交链，称为一次绕组漏磁通，用市，表示，它在一次绕组中产生漏磁感应电动势，用È表示。 PART 02 一般情况下，实际变压器绕组的电阻很小，空载电流通过一次绕组, 要产生电压降r₁i₀, 空载电流产生的主磁通绝大部分交链一次、二次绕组，其幅值用Φ表示。 新知学习 二 、变压器的空载运行 在实际变压器中，存在磁滞损耗和涡流损耗，合称铁损耗，简 称铁损或铁耗。空载电流要提供铁损所需要的有功功率，这就要求i。中包括与电源电压 U,同相位的有功电流。因此，会超前φ 一个很小的铁损耗角δ. 新知学习 三、变压器的负载运行 变压器一次绕组接在电源上，二次绕组与负载连接时的运行情况，称为变压器的负载运行。图表示单相变压器负载运行原理图。 新知学习 四 、变压器的作用 1. 变压器的变压、变流作用 从变压器的运行情况得知，变压器有变换电压的作用，能够将高电压变为低电压，也能够将 低电压变为高电压。 同时，变压器也有变换电流的作用，一次、二次绕组电流的大小与一次、二次 绕组的匝数成反比。 在远距离输送电能时，必须采用高压输电才经济合理。 新知学习 四 、变压器的作用 2.变压器的变换阻抗作用 变压器还有一种变换阻抗的作用。利用变压器可以进行阻抗变换，适当选择 变压器的匝数比，把它接在电源与负载之间，就可以实现阻抗匹配，从而使负载获得最大的输出功率。 在电子设备中，负载若要获得最大输出功率，必须满足 负载电阻与电源内阻相等这一条件，称为阻抗匹配。 但是，在一般情况下，负载阻抗是一定 的，不能随意改变，因此很难得到满意的阻抗匹配。 1.变压器的工作原理是基于以下哪个物理现象？ A. 光电效应 B. 电磁感应 C. 霍尔效应 D. 法拉第电磁感应定律 课堂练习 答案：B. 电磁感应 解析： 变压器利用了电磁感应原理，即当原边绕组通过交流电时，会在铁芯中产生变化的磁通量，这个变化的磁通量又在副边绕组中感应出电动势。 2.在变压器中，哪个部件负责传递磁通量？ A. 线圈 B. 铁芯 C. 绝缘体 D. 外壳 课堂练习 答案：B. 铁芯 解析： 铁芯是变压器中用于传递磁通量的关键部件，它通常由磁性材料制成，如硅钢片，以增强磁场并提高能量转换效率。 3.变压器的变压比是由什么决定的？ A. 铁芯的材料 B. 原边和副边绕组的匝数比 C. 交流电源的频率 D. 负载的大小 课堂练习 答案：B. 原边和副边绕组的匝数比 解析： 变压器的变压比是由原边绕组和副边绕组的匝数比决定的。匝数比越大，电压转换比也越大。 4.以下哪个因素不会影响变压器的效率？ A. 铁芯的损耗 B. 绕组的电阻损耗 C. 负载的大小 D. 冷却系统的效果 课堂练习 答案：C. 负载的大小 解析： 变压器的效率主要受铁芯损耗、绕组的电阻损耗和冷却系统效果的影响。虽然负载的大小会影响变压器的输出功率，但它并不直接影响变压器的效率。 5.变压器的空载电流主要是由什么引起的？ A. 负载电流 B. 铁芯的磁化电流 C. 绕组的漏电流 D. 电源的谐波电流 课堂练习 答案：B. 铁芯的磁化电流 解析： 变压器的空载电流主要是由铁芯的磁化电流引起的，这是为了在铁芯中建立必要的磁通量，即使在没有负载的情况下也会存在。 6.变压器的工作原理是基于以下哪个物理现象？ A. 光电效应 B. 电磁感应 C. 霍尔效应 D. 法拉第电磁感应定律 课堂练习 答案：B. 电磁感应 解析： 变压器利用了电磁感应原理，即当原边绕组通过交流电时，会在铁芯中产生变化的磁通量，这个变化的磁通量会在副边绕组中感应出电动势。 7.变压器能够改变电压的原因是什么？ A. 通过改变电流大小 B. 通过改变电阻 C. 通过改变绕组的匝数比 D. 通过改变电源的频率 课堂练习 答案：C. 通过改变绕组的匝数比 解析： 变压器的原边和副边绕组匝数不同，根据电压与匝数成正比的关系，可以使得副边绕组产生不同的电压。 8.在变压器中，哪个部件负责传递磁通量？ A. 线圈 B. 铁芯 C. 绝缘体 D. 外壳 课堂练习 答案：B. 铁芯 解析： 铁芯是变压器中用于传递磁通量的关键部件，它通常由高导磁率的材料制成，如硅钢片，以增强磁通量并提高变压器的效率。 课堂小结 1、简述变压器的基本原理。 2、简述电磁感应定律。 3、简述电压与匝数的关系。 作业布置 感谢观看 $$