专题三 变压器的基本原理（课件）-河北省对口升学《电机与变压器》（第5版）(高教社）专题复习讲练测

《电机与变压器》（第5版） 高教社 专题三 变压器的基本原理 目录 01 考纲解读 04 内容归纳小结 02 知识点梳理和重点概念复习 03 真题或常考题讲解 2 考纲解读—常见考点 03 02 01 明确原绕组通交变电流产生交变磁通，磁通穿过副绕组时感应出交变电动势，实现 “电能→磁能→电能” 的传递。 需理解 特殊场景的作用分析 —— 如 “为什么工业电焊设备需要专用变压器”。 两种状态的对比判断 —— 如 “判断‘变压器空载时副绕组无电流，原绕组也无电流’的正误”。 考纲解读—考试要求 能完整列出变压器的三大核心作用，并简要说明每种作用的本质，如变压基于绕组匝数比，变流基于磁动势平衡，隔离基于原副绕组无直接电连接。 能分别界定变压器空载运行、负载运行的定义，准确列举两种运行状态下的电路特征，并记住空载电流、负载电流、主磁通等关键物理量的基本概念。 能准确阐述变压器的基本工作原理，明确 “互感现象” 是能量传递的核心能说明 “交变电流” 是实现能量传递的关键条件。 4 考纲解读—易考题型 结合 “变压、变流、隔离” 三大作用，搭配变压比公式或电流比关系进行计算与场景匹配，多以计算题、综合应用题形式考查，体现 “学以致用” 的命题思路。 计算题 对比两种运行状态下 “电流、电压、能量传递” 的不同，多以简答题、填空题形式考查，要求学生能清晰梳理 “负载接入” 引发的连锁反应，是易错点集中的考点。 填空题 聚焦 “为什么变压器能实现能量传递”“交变电流的必要性”“变压比公式的本质”，多以选择题、判断题形式考查，占基础分比例较高，侧重对原理逻辑的理解而非复杂计算。 选择题 5 知识点梳理和重点概念复习—知识点思维导图 知识点梳理和重点概念复习 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N,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N, 表示,如图 1-15 所示。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。 一、变压器的基本工作原理 知识点梳理和重点概念复习 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。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。 一、变压器的基本工作原理 知识点梳理和重点概念复习 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。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,传递时电源率不变,这就是变压器的基本工作原理。 一、变压器的基本工作原理 知识点梳理和重点概念复习 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1-16 所示为单相变压器空载运行原理。 二、变压器的空载运行 知识点梳理和重点概念复习 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: 二、变压器的空载运行 (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。 (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。 知识点梳理和重点概念复习 二、变压器的空载运行 图1-16 中各有关量的正方向,就是根据上述规定作出的。图中分别是一次绕组和二次绕组的匝数。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后,一次绕组中就流过交流电流,由于二次绕组开路，=0,这时称为空载电流。在一次绕组中产生交变磁动势=,磁动势户,就产生交变磁通,,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。 知识点梳理和重点概念复习 2.变压器中各有关量间的关系 根据电磁感应定律,主磁通将在一次绕组、二次绕组中产生感应电动势。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与外加电压大小相等,方向相反。在二次绕组中,由于开路,产生的感应电动势与端电压大小相等,方向相同,即 二、变压器的空载运行 知识点梳理和重点概念复习 以上二式表明,铁心中没有损耗,即铁心中没有磁滞损耗和涡流损耗,则只用于产牛主磁通一次绕组是一个没有电阻的纯电感电路,电流滞后电压90°,感应电动势与外加电压反相,相差 180°,故感应电动势滞后于电流90°,主磁通与同相位,因此超前感应电动势90°。 二、变压器的空载运行 知识点梳理和重点概念复习 二次绕组的感应电动势与同相位。 因此可画出理想变压器空载运行的相量图,如图1-17 所示。 二、变压器的空载运行 知识点梳理和重点概念复习 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 e 式中 e——感应电动势瞬时值,单位是 V(伏); N——绕组匝数; Ф——磁通变化量,单位是 Wb(韦); t--时间变化量,单位是s(秒)。 二、变压器的空载运行 知识点梳理和重点概念复习 1834年俄国物理学家楞次总结出感应电动势方向的规律(即楞次定律)如下:当穿过线圈的磁通量发生变化时,感应电流的方向总是力图使它产生的磁场阻碍线圈中原磁通的变化。式(1-3)是连同楞次定律在内的电磁感应定律数学表达式。有了这一负号,就能根据磁通量的变化率确定感应电动势的大小与方向。若只考虑其绝对值,则 二、变压器的空载运行 知识点梳理和重点概念复习 按正弦规律变化的电流,产生按正弦规律变化的磁通,其值由零增加到值 或由幅值减少到零,所需要的时间为 1/4 周期,在此期间磁通变化量为 二、变压器的空载运行 知识点梳理和重点概念复习 由此可求得 1/4 周期时间内的平均感应电动势值为 式中 磁通的幅值,单位是 Wb(韦)；7—交流电的周期,单位是s(秒); 交流电的频率,单位是 Hz(赫);—感应电动势的平均值,单位是 V(伏)。 二、变压器的空载运行 知识点梳理和重点概念复习 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。由电工基础知识可知:正弦交流电在正半个周期内的平均值等于其最大值的一倍或0.637 倍。即 二、变压器的空载运行 知识点梳理和重点概念复习 感应电动势的有效值与平均值的关系 即交流电正弦量的有效值是其平均值的1.11倍,因此,感应电动势的有效值为 所谓理想变压器是指铁心磁导率为无穷大,没有漏磁通,没有损耗,线圈没有电阻,全部磁通与一次、二次绕组同时交链。 二、变压器的空载运行 知识点梳理和重点概念复习 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。根据式(1-8)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 K 式(1-9)表明,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。 二、变压器的空载运行 知识点梳理和重点概念复习 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，空载电流产生的主磁通绝大部分交链一次、二次绕组,其幅值用表示。 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ì。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。 5.实际变压器空载运行时的相量关系 知识点梳理和重点概念复习 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,这就要求中包括与电源电压同相位的有功电流。因此,会超前一个很小的铁损耗角,如图1-18 所示。由于变压器一般都采取了减少铁损的措施,铁损耗角是很小的，所以有功电流也是很小的。 二、变压器的空载运行 知识点梳理和重点概念复习 二、变压器的空载运行 式中 ——电阻压降,和磁电动势的等效阻抗。 既然上述几个量都很小,实际变压器空载运行时 在一般电力变压器中,空载电流ì。只占负载时一次绕组电流的 2%~10%。 知识点梳理和重点概念复习 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 1-19 表示单相变压器负载运行原理图。 知识点梳理和重点概念复习 1.一次绕组的电压平衡方程式 在二次绕组接通负载以后,在的作用下,二次绕组流过负载电流,并产生相应的磁通势=产生新的磁通来削弱一次绕组电流产生的磁通,因此将会影响,使其有所减小。 三、变压器的负载运行 知识点梳理和重点概念复习 2.变压器磁通势平衡方程式及电流比 当一次绕组电流由增加至电流的增加量去抵消产生的磁通,以维持主磁通基本不变,即磁通势的变化量为零,这时一次绕组的磁通势 或 三、变压器的负载运行 知识点梳理和重点概念复习 3.二次绕组电路的电压平衡方程式及实际负载运行时的相量图 = 式中 为漏磁电动势和电阻压降的等效阻抗。 根据式(1-18)可画出实际变压器负载运行的相量图。 三、变压器的负载运行 知识点梳理和重点概念复习 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。 四、变压器的作用 由此可见,输电线路电压越高,线路损失占输送容量的百分比越少。当线路电压为 10 kV时,线路损失超过了输送容量,使上一级变压器超负荷工作,这是不允许的。也就是说,在输送容量(功率)一定的情况下,输电线路电压越高,输送的电流越小,线路损失越少。因此,在条件允许的情况下,尽可能采用高压输送电能。本案例选用 110 kV 电压等级的变压器合适。此外,导线中电流变小,导线截面积可小些,重量减轻,便于长距离架设。当然由于线路电压升高,必须解决绝缘问题。 知识点梳理和重点概念复习 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。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。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。 四、变压器的作用 常考习题练习与讲解—选择题 答案：B 解析：变压器通过原绕组交变电流产生交变磁通，磁通穿过副绕组感应电动势，本质是互感现象；A 用于电路计算，C 判断感应电流方向，D 描述热效应，均与能量传递无关。 1.变压器实现能量传递的核心原理是（ ） A. 欧姆定律 B. 电磁感应中的互感现象 C. 楞次定律 D. 焦耳定律 32 常考习题练习与讲解—选择题 答案：B 解析：变压器需交变电流产生交变磁通，才能触发互感；直流、恒定电流产生恒定磁通，无法在副绕组感应电动势，脉动直流磁通变化不规律，均不能正常工作。 2.下列哪种电流能使变压器正常工作（ ） A. 直流电流 B. 交变电流 C. 脉动直流电流 D. 恒定电流 33 常考习题练习与讲解—选择题 答案：B 解析：铁芯用高导磁材料制成，能将原绕组产生的磁通集中起来穿过副绕组，减少磁通泄漏；A 是结构设计作用，C 是冷却装置作用，D 是绝缘套管作用。 3.变压器铁芯的主要作用是（ ） A. 增加机械强度 B. 汇聚交变磁通，减少磁通损耗 C. 降低绕组温度 D. 绝缘绕组与油箱 34 常考习题练习与讲解—选择题 答案：B 解析：原绕组接电源，通交变电流后产生交变磁通，是能量传递的 “输入端”；A 是副绕组作用，C 是损耗部分（非作用），D 是原副绕组共同的隔离效果。 4.变压器原绕组的作用是（ ） A. 输出电能 B. 接入交流电源，产生交变磁通 C. 消耗电能 D. 隔离高压与低压 35 常考习题练习与讲解—选择题 答案：C 解析：根据电磁感应定律，交变磁通切割副绕组导线，会在副绕组两端感应出交变电动势，接入负载后形成输出电压。 5.变压器副绕组能输出电压的原因是（ ） A. 副绕组直接接电源 B. 原绕组电流直接流过副绕组 C. 交变磁通穿过副绕组，感应出交变电动势 D. 铁芯发热产生电压 36 常考习题练习与讲解—选择题 答案：B 解析：变压比核心是 “电压比”；A 是电流比（与匝数比成反比），C/D 与变压比无关。 6.变压器的变压比是指（ ） A. 原绕组电流与副绕组电流的比值 B. 原绕组电压与副绕组电压的比值 C. 原绕组电阻与副绕组电阻的比值D. 原绕组功率与副绕组功率的比值 37 常考习题练习与讲解—选择题 答案：A 解析：根据变压比公式，匝数越少，输出电压越低。 7.变已知变压器原绕组匝数 N1= 2200匝，接U1= 220V电源，副绕组匝数N2= 220 匝，则副绕组输出电压U2约为（ ） A. 22V B. 110V C. 220V D. 2200V 38 常考习题练习与讲解—选择题 答案：A 解析：变压比 ；B 是降压，C/D 与电压高低无直接关系。 8.若想让变压器副绕组输出电压高于原绕组电压，应使（ ） A. 副绕组匝数多于原绕组匝数 B. 副绕组匝数少于原绕组匝数 C. 副绕组电流多于原绕组电流 D. 副绕组电阻多于原绕组电阻 39 常考习题练习与讲解—填空题 答案：交变磁通；周期性（或交变） 解析：交变磁通是原副绕组能量传递的媒介，其周期性变化才能切割副绕组导线，满足电磁感应条件，产生感应电动势。 1.变压器原绕组通入交变电流后，在铁芯中产生的______是实现能量传递的桥梁，该物理量的______变化是副绕组感应电动势的关键。 40 常考习题练习与讲解—填空题 答案：产生主磁通；2%~10% 解析：空载电流的核心功能是 “励磁”（产生主磁通），而非驱动负载，因此数值很小，通常在额定电流的 2%~10% 之间，体现 “小电流励磁” 的特点。 2.变压器空载运行时，原绕组的空载电流主要用于______，该电流的数值通常仅为额定电流的______（填百分比范围）。 41 常考习题练习与讲解—填空题 答案：增大；增大 解析：原绕组电压增大→副绕组电压按匝数比增大→负载电阻不变时，副绕组电流增大→根据磁动势平衡，原绕组电流随之增大。 3.变压器负载运行时，若负载电阻不变，仅增大原绕组电压，副绕组电流会______，原绕组电流会随之______。 42 常考习题练习与讲解—填空题 答案：平方；减小 解析：线路损耗公式证明与电流平方成正比；输电功率固定时，升压会使电流减小，从而显著降低损耗。 4.远距离输电线路的功率损耗与输电电流的______成正比，因此通过升压变压器______输电电流，可有效降低损耗。 43 常考习题练习与讲解—判断题 答案：√ 解析：原绕组交变电流产生交变磁通，磁通穿过副绕组感应电动势，实现能量传递，本质是互感现象。 1.变压器的基本工作原理是电磁感应中的互感现象。（ ） 44 常考习题练习与讲解—判断题 答案：× 解析：直流电流产生恒定磁通，无法在副绕组感应电动势，因此变压器不能改变直流电压。 2.变压器既可以改变交流电压，也可以改变直流电压。（ ） 45 常考习题练习与讲解—判断题 答案：× 解析：空载时原绕组需流过空载电流，用于产生维持主磁通的磁动势，空载电流虽小但存在。 3.变压器空载运行时，原绕组没有电流流过。（ ） 46 常考习题练习与讲解—判断题 答案：× 解析：主磁通主要由原绕组电源电压和频率决定，负载变化时，原绕组电流会调整以维持主磁通基本不变。 4.变压器负载运行时，主磁通的大小会随负载的变化而显著变化。（ ） 47 常考习题练习与讲解—简答题 答案： 变压器基于电磁感应中的互感现象工作；原绕组接入交流电源后，通有交变电流，该电流在铁芯中产生交变主磁通；交变主磁通穿过副绕组，根据电磁感应定律，副绕组中感应出与磁通变化频率相同的交变电动势；若副绕组接负载，会产生负载电流，实现 “电能→磁能→电能” 的能量传递，从而将原绕组的交流电压转换为副绕组所需的交流电压。 1.简述变压器的基本工作原理。 48 常考习题练习与讲解—简答题 答案： 变压器的空载运行是指原绕组接交流电源，副绕组开路（无负载接入）的运行状态；电流特点：原绕组仅流过很小的空载电流（用于产生主磁通），副绕组开路无电流；电压特点：原绕组电压等于电源电压，副绕组电压近似等于其感应电动势，数值稳定。 2.什么是变压器的空载运行？空载运行时原、副绕组的电流和电压有什么特点？ 49 常考习题练习与讲解—简答题 答案： ① 电路结构：空载运行副绕组开路，负载运行副绕组接负载；② 电流：空载时原绕组有小的空载电流、副绕组无电流；负载时原绕组电流随负载增大而增大，副绕组有负载电流；③ 电压：空载时副绕组电压≈感应电动势（稳定）；负载时副绕组电压随负载增大略有下降；④ 能量：空载时仅消耗铁损，无能量传递到副侧；负载时消耗铁损和铜损，能量从原侧传递到副侧供给负载。 3.对比变压器空载运行与负载运行的主要区别。 50 常考习题练习与讲解—简答题 答案： 变压器的核心作用有三种：变压、变流、隔离；示例 1：变压作用 — 远距离输电起点使用升压变压器，将发电厂的 10kV 升为 220kV，减少输电电流和线路损耗；示例 2：隔离作用 — 医用设备使用隔离变压器，避免高压侧漏电传递到低压侧，保障医护人员和患者安全。（任选一种作用举例即可） 4.变压器有哪些核心作用？请举例说明其中一种作用的应用场景。 51 重点复习知识点： 1.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。 2.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,传递时电源率不变,这就是变压器的基本工作原理。 3.所谓理想变压器是指铁心磁导率为无穷大,没有漏磁通,没有损耗,线圈没有电阻,全部磁通与一次、二次绕组同时交链。 阅读相关教材和课堂笔记，梳理重点知识点和关键概念。制作复习提纲或思维导图，以帮助理清知识框架和内部逻辑。进行练习题和例题的练习，加深对知识的理解和应用。 课堂小结 52 $