2.3 单相变压器的空载运行及负载运行（课件）-《电机与拖动》同步精品课堂（人邮版）

项目2 变压器 2.3 单相变压器的空载运行及负载运行 《电机与拖动》人邮版（第4版） 同步精品课堂 1 学习目标 知识目标 1.理解单相变压器的基本工作原理，能阐述电磁感应在变压器能量转换和电压变换中的作用机制。 2.深入理解磁动势平衡方程的内涵，熟练运用该方程计算变流比，并解释一次侧和二次侧磁动势在负载运行时的相互关系。 能力目标 1.能够根据已知的变压器参数（如匝数、电压、电流、负载阻抗等），运用所学的公式准确计算感应电动势、变比、空载电流、变流比、电压变化率、损耗、效率以及一次侧和二次侧等效阻抗等相关物理量。 2.能够正确绘制单相变压器空载运行和负载运行时的相量图、外特性曲线等重要图形。 情感目标 1.通过对单相变压器运行原理的深入学习，引导发现电力设备背后的物理奥秘，激发对电气工程领域的好奇心和探索欲望。 2.通过小组协作，能够学会与他人沟通交流、分工合作，共同解决遇到的问题，培养团队协作精神，提高团队合作能力。 项目2 变压器 导入情景 01 手机充电器 笔记本电脑电源适配器 电力变压器 新知学习 02 一、单相变压器的空载运行 1.单相变压器的基本工作原理 单相变压器是指接在单相交流电源上用来改变单相交流电压的变压器。 其容量一般都比较小，主要用作控制及照明。实际上变压器是利用电磁感应原理来工作的，图2-9所示为其工作原理。 新知学习 02 一、单相变压器的空载运行 变压器的主要部件是铁芯和绕组，两个互相绝缘且匝数不同的绕组分别套装在铁芯上，两绕组间只有磁的耦合而没有电的联系。 其中接电源的绕组称为一次绕组(曾称为原绕组、初级绕组)， 用于接负载的绕组称为二次绕组(曾称为副绕组、次级绕组)。 新知学习 02 一、单相变压器的空载运行 一次绕组加上交流电压后，绕组中便有电流通过，在铁芯中产生与同频率的交变磁通Φ。 根据电磁感应原理，两个绕组中感应出的电动势为： 新知学习 02 一、单相变压器的空载运行 式中，“—”号表示感应电动势总是阻碍磁通的变化。若把负载接在二次绕组上，则在电动势的作用下，有电流流过负载，实现了电能的传递。 由上式可知，一次绕组、二次绕组感立电动势的大小(近似于各自的电压及）与绕组数成正比。 变压器的基本工作原理： 只要改变一次绕组、二次绕组的匝数，就可达到改变电压的目的 新知学习 02 一、单相变压器的空载运行 2.空载运行时各物理量正方向的规定 变压器的空载运行是指变压器一次绕组接在额定频率和额定电压的电网上，而二次绕组开路。 单相变压器空载运行示意图 新知学习 02 一、单相变压器的空载运行 正方向规定 (1)电压的参考方向。在同一支路中，电压的参考方向与电流的参考方向一致。 (2)磁通的参考方向。磁通的参考方向与电流的参考方向之间符合右手螺旋定则。 (3)感应电动势的参考方向。由交变磁通Φ产生的感应电动势 e，其参考方向与产生该磁通的电流参考方向一致( 即感应电动势e与产生它的磁通Φ之间符合右手螺旋定则)，如图 2-11 所示。 由此可得电磁感应定律方程为： 新知学习 02 一、单相变压器的空载运行 3.感应电动势和变比 空载时，在外加交流电压的作用下，一次绕组中通过的电流称为空载电流。 在电流 的作用下，铁芯中产生交变磁通Φ(称为主磁通)，主磁通Φ同时穿过一次绕组、二次绕组，分别在其中产生感应电动势和，其大小正比于。 新知学习 02 一、单相变压器的空载运行 假定Φ= 根据电磁感应定律和对正方向规定，一、二次绕组中感应电动势为: 可见在相位上，e滞后于，在数值上，其有效值为 新知学习 02 一、单相变压器的空载运行 如一次绕组中的阻抗忽略不计，则外加电源电压 与一次绕组中的感应电动势可近似看作相等，即 ,而 与的参考方向正好相反，即电动势与外加电压相平衡。 在空载情况下，由于二次绕组开路，故端电压与电动势正好相等，即= 因此 新知学习 02 一、单相变压器的空载运行 式中称为变压器的变压比，简称变比，也可用来表示，这是变压器中最重要的参数之一。 通常将K>1(即>的变压器称为降压变压器，K<1的变压器称为升压变压器。 由式可见: 变压器一次绕组、二次绕组的电压与一次绕组、二次绕组的匝数成正比,即变压器有变换电压的作用。 对某台变压器而言f及均为常数，因此当加在变压器上的交流电压有效值恒定时，变压器铁芯中的磁通基本上保持不变。这个恒磁通的概念很重要，在以后的分析中经常会用到。 新知学习 02 一、单相变压器的空载运行 4.空载电流和空载损耗 变压器空载运行时，空载电流一方面用来产生主磁通，另一方面用来补偿变压器空载时的损耗。为此，将分解成两部分，一部分为无功分量，用来建立磁场，起励磁作用，与主磁通同相位，另一部分为有功分量，用来供给变压器铁损耗，相位超前主磁通90˚，即 新知学习 02 一、单相变压器的空载运行 空载电流一般只占额定电流的2%~10%，而<10%,因此，所以空载电流主要用来建立主磁通，故近似称作励磁电流。变压器空载时没有输出功率，它从电源获取的全部功率都消耗在其内部，称为空载损耗。 空载损耗绝大部分是铁损耗，即磁滞损耗与涡流损耗只有极少部分是一次绕组电阻上的铜损耗，它只占空载损耗的2%，故可认为变压器的空载损耗就是变压器的铁损耗。 新知学习 02 一、单相变压器的空载运行 5.空载运行时的相量图 单相变压器电路原理如图 2-12 所示，其中一次绕组的两个接线端用、表示，二次绕组的两个接线端用、表示。 在不计一次绕组的阻抗及变压器中的损耗时，空载电流只用来产生磁通，一次绕组电路为纯电感电路，空载电流滞后于电压，又由于感应电动势滞后于电压,故滞后于电流。另外，由前面分析知道也滞后于，故与同相位，由此可以做出理想变压器(不计损耗的变压器)空载运行时的相量图，如图2-13所示。 新知学习 02 一、单相变压器的空载运行 新知学习 02 二、单相变压器的负载运行 1. 磁动势平衡方程及变流比 此时二次绕组中有电流通过,由于该电流是依据电磁感应原理由一次绕组感应而产生的，因此一次绕组中的电流也由空载电流变为负载电流。 变压器的负载运行是指变压器一次绕组接额定电压，二次绕组与负载相连。 新知学习 02 二、单相变压器的负载运行 次绕组中的电流所产生的磁动势将在铁芯中产生磁通,它力图改变铁芯中的.但由前面分析的恒磁通的概念可知，由于加在一次绕组上的电压有效值不变，因此主磁通基本不变，故随着的出现,一次绕组中通过的电流将从，一次绕组的磁动势也将 增加到 ，它所增加的部分正好与二次绕组的磁动势 相抵消，从而维持铁芯中的主磁通的大小不变。 由此可得变压器负载运行时的磁动势平衡方程式为 = 新知学习 02 二、单相变压器的负载运行 得变压器负载运行时的磁动势平衡方程式为 = 由于变压器的空载电流很小，特别是在变压器接近满载时，相对于或而言基本上可以忽略不计，于是可得变压器一次绕组、二次绕组磁动势的有效值关系为 == ——变压器的变流比 变器一次绕组、二次绕组中的电流与一次绕组、二次绕组的匝数成反比即变压器也有变换电流的作用，且电流的大小与匝数成反比。 表明 新知学习 02 二、单相变压器的负载运行 由式可得出: 变压器的高压绕组匝数多，通过的电流就小，因此绕组所用的导线细反之，低压绕组匝数少，通过的电流大，所用的导线较粗。 新知学习 02 二、单相变压器的负载运行 2.变压器的外特性及电压变化率 配电站中的变压器将高压(10 000V)变为用户电气设备使用的电压等级，一般其变压器二次侧的额定电压为 400V，而我们知道，低压动力负荷的三相额定电压一般为 380V，照明的单相电压为220V。 变压器空载运行时，若一次绕组电压不变，则二次绕组电压 也是不变的。变压器加上负载之后，随着负载电流的增加，在二次绕组内部的阻抗压降也会增加，使二次绕组输出的电压随之发生变化。另外，由于一次绕组电流随 增加，因此增加时，使一次绕组漏阻抗上的压降也增加，一次绕组电动势和二次绕组电动势也会有所下降，这也会影响 新知学习 02 二、单相变压器的负载运行 二次绕组的输出电压。变压器的外特性用来描述输出电压 随负载电流的变化而变化的情况。 当一次绕组电压和负载的功率因数一定时，二次绕组电压 与负电流的关系，称为变压器的外特性，它可以通过试验求得。变压器外特性如图 2-15 所示，图中给出了功率因数不同时的几条外特性曲线，当=1时， 随的增加而下降得并不多，当降低时，即在感性负载时，随增加而下降的程度加大，这是因为滞后的无功电流对变压器磁路中的主磁通的去磁作用更为显著，而使和有所下降的缘故;但当为cosP=1负值时，即在 新知学习 02 二、单相变压器的负载运行 容性负载时，超前的无功电流0.9有助磁作用，主磁通会 有所增加，和亦相应加大，使得随的增加而提高。 以上叙述表明，负载的功率因数对变压器外特性的影响是很大的。 在图2-15中，纵坐标用/表示，而横坐标用/表示，这使得在标轴上的数值都在0~1，或稍大于1，这样做是为了便于不同容量和不同电压的变压器相互比较。 新知学习 02 二、单相变压器的负载运行 一般情况下，变压器的负载大多数是感性负载，因而当负载增加时，输出电压总是下降的，其下降的程度常用电压变化率来描述。 当变压器从空载到额定负载(=)运行时，二次绕组输出电压的变化值与空载电压(额定电压)之比的百分值就称为变压器的电压变化率，用%来表示，公式为 新知学习 02 二、单相变压器的负载运行 3.变压器的损耗及效率 变压器从电源输入的有功功率和向负载输出的有功功率可分别用下式计算 两者之差为变压器的损耗，它包括铜损耗和铁损耗两部分，即 = 新知学习 02 三、变压器的阻抗变换作用 变压器不但具有电压变换和电流变换的作用，还具有阻抗变换的作用。如图2-17 所示，当变压器二次绕组接上阻抗为Z的负载后，可得 小试牛刀 03 尝试解答下面习题 题目 1： 单相变压器空载电流的性质主要是（ ） A. 纯电阻性 B. 纯电感性 C. 电阻和电感混合性，且电感占主导 D. 电阻和电感混合性，且电阻占主导 答案：C 解析：空载电流用来建立主磁通，它包含有功分量和无功分量。由于铁芯的磁滞和涡流损耗，存在有功分量；而建立磁场需要无功分量，且无功分量占主导，所以是电阻和电感混合性，且电感占主导。 小试牛刀 03 尝试解答下面习题 题目 2： 单相变压器空载损耗主要包括（ ） A. 铜损耗 B. 铁损耗 C. 机械损耗 D. 铜损耗和铁损耗 答案：B 解析：变压器空载时，二次侧电流为零，一次侧电流很小（即空载电流），所以铜损耗（I²R）很小可忽略，空载损耗主要是铁损耗，包括磁滞损耗和涡流损耗。 小试牛刀 03 尝试解答下面习题 题目 3： 对于单相变压器，变流比等于（ ） A. 一次侧电流与二次侧电流之比 B. 二次侧电流与一次侧电流之比 C. 一次侧匝数与二次侧匝数之比 D. 二次侧匝数与一次侧匝数之比 答案：A 解析：变流比定义为一次侧电流与二次侧电流之比，根据磁动势平衡方程和变压器的原理，I1/I2 = N2/N1。 小试牛刀 03 尝试解答下面习题 题目 4： 单相变压器的外特性是指（ ） A. U2 = f (I2) B. U1 = f (I1) C. Φ = f (I1) D. E2 = f (I2) 答案：A 解析：外特性描述的是二次侧电压 U2 随二次侧负载电流 I2 变化的关系，即 U2 = f (I2)。 小试牛刀 03 尝试解答下面习题 题目 5： 单相变压器效率最高时（ ） A. 铁损耗 = 铜损耗 B. 铁损耗 > 铜损耗 C. 铁损耗 < 铜损耗 D. 与铁损耗和铜损耗的大小关系无关 答案：A 解析：变压器的效率 η=P2/P1=(P1 - ΔP)/P1 = 1 - ΔP/P1，其中 ΔP 为总损耗（铁损耗 + 铜损耗）。通过分析可知，当铁损耗等于铜损耗时，效率最高。 小试牛刀 03 尝试解答下面习题 题目 6： 变压器的阻抗变换作用在电路中的主要目的是（ ） A. 增大电压 B. 增大电流 C. 实现阻抗匹配 D. 减小损耗 答案：C 解析：变压器的阻抗变换作用主要是为了实现电路中的阻抗匹配，使负载获得最大功率传输等目的。 小试牛刀 03 尝试解答下面习题 题目 7： 如果要将负载阻抗 ZL 变换为 ZL'，已知变压器变比为 k，那么 ZL' = （ ） A. k²ZL B. ZL/k² C. kZL D. ZL/k 答案：A 解析：根据变压器的阻抗变换公式，ZL' = k²ZL。 小试牛刀 03 尝试解答下面习题 题目 8： 当变压器用于阻抗变换时，变比的选择取决于（ ） A. 电源电压 B. 负载阻抗和要求变换后的阻抗 C. 变压器的额定容量 D. 环境温度 答案：B 解析：变比的选择是为了根据负载阻抗和期望得到的变换后的阻抗来进行正确的阻抗匹配，与电源电压、额定容量和环境温度无关。 小试牛刀 03 尝试解答下面习题 题目 9： 单相变压器额定容量二次侧额定电压。当二次侧接负载，电流=80A时，求一次侧电流（忽略损耗） 答案：根据= 先求出 = A 由== = 小试牛刀 03 尝试解答下面习题 题目 10： 某晶体管收音机输出电路的输出阻抗为,接入的扬声器阻抗为Z=8，现加接一个输出变压器使两者实现阻抗匹配，求该变压器的变比 K；若该变压器一次绕组匝数问二次绕组匝数为多少? 答案： K===7 ==80(匝） 1.单相变压器的空载运行基本工作原理：基于电磁感应定律，一次绕组通入交流电流产生交变磁通，该磁通通过铁芯交链二次绕组，在二次绕组中感应出电动势，实现电能的传递。 2.各物理量正方向规定：遵循发电机惯例规定了电压、电流、磁通和感应电动势等物理量的正方向，为后续的分析计算奠定基础。 3.空载电流和空载损耗：空载电流包含有功分量（补偿铁损耗）和无功分量（建立主磁通）。空载损耗主要是铁损耗（磁滞损耗和涡流损耗）。 4.空载运行时的相量图以主磁通为参考相量，根据感应电动势滞后磁通90˚、空载电流与主磁通的相位关系等，绘制相量图，直观呈现各物理量之间的相位和大小关系。 课堂小结 04 作业布置 05 分析变压器负载运行时，负载变化对变压器外特性的影响，并说明原因。 阐述变压器的阻抗变换作用在电子电路中的应用实例及其原理。 感谢观看 $$