項(xiàng)目八

變壓器的認(rèn)知與使用

任務(wù)8—1互感線圈的了解與檢測(cè)任務(wù)8—2變壓器的認(rèn)知與測(cè)試目錄項(xiàng)目導(dǎo)入變壓器是以電磁感應(yīng)原理為工作基礎(chǔ)的，在電力電路中它實(shí)現(xiàn)了電能的傳遞，在電子電路中用于信號(hào)的變換、傳遞，是電工、電子電路中的重要設(shè)備和器件。我們需要了解變壓器的結(jié)構(gòu)與特性，能進(jìn)行互感線圈同名端的判別、互感的測(cè)量，會(huì)應(yīng)用變壓器的電壓變換、電流變換和阻抗變換作用解決實(shí)際問(wèn)題，本項(xiàng)目我們一起走近變壓器。

任務(wù)8—1

互感線圈的了解與檢測(cè)8·1互感與互感電壓

自感虛擬實(shí)驗(yàn)電路如圖所示0.自感現(xiàn)象

互感虛擬實(shí)驗(yàn)電路如圖所示1.互感現(xiàn)象

L1L2N1N2i1→φ11φ21u2互感：兩個(gè)線圈之間沒(méi)有導(dǎo)線相連，但當(dāng)一個(gè)線圈中的電流變化時(shí)，它所產(chǎn)生的變化的磁場(chǎng)會(huì)在另一個(gè)線圈中產(chǎn)生感應(yīng)電壓。自感磁通φ11自感磁鏈Ψ11=N1φ11互感磁通φ21互感磁鏈Ψ21=N2φ212.互感系數(shù)M

ψ21∝i1ψ21=M21╳i1M21=ψ21/i1

同理

M12=ψ12/i2實(shí)踐證明：M21=M12=MM的單位：亨利[H]

M不僅與兩線圈的匝數(shù)、形狀及尺寸有關(guān)，還與線圈間的相互位置及線圈所處位置媒質(zhì)的磁導(dǎo)率有關(guān)。3.耦合系數(shù)k物理意義：表征兩個(gè)線圈之間磁耦合的緊密程度定義式：

變化范圍：0≤k≤1k小松耦合減小電磁相互干擾k大緊耦合減少漏磁能量損失

兩線圈上的自感電壓：

兩線圈上的互感電壓：相量表示：

總電壓=自感電壓+互感電壓（1）自感電壓前面的正、負(fù)號(hào)要視線圈上電流和電壓參考方向關(guān)聯(lián)與否。

若取關(guān)聯(lián)參考方向，自感電壓前面為正號(hào)；反之，自感電壓前面取負(fù)號(hào)。（2）互感電壓前面的正、負(fù)號(hào)要依據(jù)兩線圈電流產(chǎn)生的磁場(chǎng)方向是否一致。

若一致，兩線圈中的磁場(chǎng)相互增強(qiáng)（磁通相助），這時(shí)它們產(chǎn)生的互感電壓前面取正號(hào)；反之（磁通相消），互感電壓前面應(yīng)取負(fù)號(hào)。疊加注意事項(xiàng)：+右手螺旋定則+u1-i1i2+u2-Φ21Φ12Φ21Φ12在下圖中，i1=10A，i2=5sin10tA，L1=2H,L2=3H,M=1H,求耦合電感的端電壓u1,u2。

同名端在同一變化磁通的作用下，兩互感線圈感應(yīng)電壓極性始終保持一致的端子稱為同名端,感應(yīng)電壓極性相反的端點(diǎn)叫異名端。同名端的特性：

電流同時(shí)由兩線圈上的同名端流入(或流出)時(shí)，兩互感線圈的磁場(chǎng)相互增強(qiáng)；否則相互消弱。

i1

i2**8·2線圈的同名端及判定

1.同名端的定義

2.線圈同名端的判別方法（1）已知線圈的繞向和相對(duì)位置用同名端概念和特性進(jìn)行判定Φ1iΦ11Φ21+u1-1、3兩端為同名端，用.

表示.

.

++u2—+（2）線圈繞向未知時(shí)

1）直流判別法：實(shí)驗(yàn)手段+-.

.

-+.

+-（2）線圈繞向未知時(shí)

2）交流判別法：U13U12U34U12U13U34=+.

.

+--++--.

【例】在下圖中，i1=10A，i2=5sin10tA，L1=2H,L2=3H,M=1H,求耦合電感的端電壓u1,u2。

【解】.

.

8·3耦合線圈的串聯(lián).

.

.

.

順向串聯(lián)反向串聯(lián)兩線圈的同名端相連接兩線圈的異名端相連接.

.

順向串聯(lián)相量表示瞬時(shí)值表示等效電感：+-+-.

.

反向串聯(lián)相量表示瞬時(shí)值表示等效電感：+-+-【例8-1-2】?jī)神詈暇€圈的正向串聯(lián)等效電感L1=0.09H,反向串聯(lián)等效電感L2=0.01H，試求其互感系數(shù)M。

【解】4MM=(LF-LR)/4=(0.09-0.01)/4=0.02H互感系數(shù)M的測(cè)量（1）測(cè)量原理

兩個(gè)耦合線圈串聯(lián)接到正弦交流電源上，測(cè)出順接和反接兩種情況的電壓、電流和功率，依據(jù)公式推算出互感系數(shù)M。4M法測(cè)互感設(shè)線圈電阻為R1、R2同理，可測(cè)量推算出另一種串接時(shí)的等效電感：

M=(LF-LR)/4（2）動(dòng)手操作：20V、50Hz正弦信號(hào)源，變壓器初次級(jí)線圈串接按圖8-1-4（a）連接，按圖8-1-4（b）連接變壓器初次級(jí)線圈，測(cè)量數(shù)據(jù)記錄于表8-1-1。耦合線圈的并聯(lián)由

或

得

等效電感：同側(cè)并聯(lián)

兩線圈的同名端接在一起

去耦等效電路異側(cè)并聯(lián)異名端接在一起

等效電感去耦等效電路有公共端的一端連接

去耦等效電路簡(jiǎn)化分析任務(wù)8—2

變壓器的認(rèn)知與測(cè)試1.變壓器的基礎(chǔ)知識(shí)

8·4初識(shí)變壓器

變壓器有以下幾種分類方法：

（1）按相數(shù)分：?jiǎn)蜗嘧儔浩鳎河糜趩蜗嘭?fù)荷和三相變壓器組。三相變壓器：用于三相系統(tǒng)的升、降電壓。（2）按冷卻方式分：干式變壓器：依靠空氣對(duì)流進(jìn)行自然冷卻或增加風(fēng)機(jī)冷卻，多用于高層建筑、高速收費(fèi)站點(diǎn)用電及局部照明、電子線路等小容量變壓器。油浸式變壓器：依靠油作冷卻介質(zhì)、如油浸自冷、油浸風(fēng)冷、油浸水冷、強(qiáng)迫油循環(huán)等。（3）按用途分：電力變壓器：用于輸配電系統(tǒng)的升、降電壓。儀用變壓器：如電壓互感器、電流互感器、用于測(cè)量?jī)x表和繼電保護(hù)裝置。試驗(yàn)變壓器：能產(chǎn)生高壓，對(duì)電氣設(shè)備進(jìn)行高壓試驗(yàn)。特種變壓器：如電爐變壓器、整流變壓器、調(diào)整變壓器、電容式變壓器、移相變壓器等。（4）按繞組形式分：雙繞組變壓器：用于連接電力系統(tǒng)中的兩個(gè)電壓等級(jí)。三繞組變壓器：一般用于電力系統(tǒng)區(qū)域變電站中，連接三個(gè)電壓等級(jí)。自耦變電器：用于連接不同電壓的電力系統(tǒng)。也可做為普通的升壓或降后變壓器用。（5）按鐵芯形式分：芯式變壓器：用于高壓的電力變壓器。殼式變壓器：用于大電流的特殊變壓器，如電爐變壓器、電焊變壓器;或用于電子儀器及電視、收音機(jī)等的電源變壓器。非晶合金變壓器：非晶合金鐵芯變壓器是用新型導(dǎo)磁材料，空載電流下降約80%，是目前節(jié)能效果較理想的配電變壓器，特別適用于農(nóng)村電網(wǎng)和發(fā)展中地區(qū)等負(fù)載率較低的地方。幾種常見變壓器的外形（a）高頻變壓器（b）環(huán)形變壓器（c）電源變壓器

（d）自耦變壓器（e）油浸式配電變壓器變壓器符號(hào)變壓器結(jié)構(gòu)芯式殼式鐵芯繞組2.變壓器的功率和效率

變壓器的額定視在功率SN：

SN=U2NI2N變壓器實(shí)際輸出的有功功率P2：

P2=U2I2cosφ2輸出功率與輸入功率之比就是變壓器的效率，記為η。

一般變壓器的效率較高，可達(dá)80%以上。【例1】變壓器銘牌上標(biāo)明220V/36V、300VA，問(wèn)下面哪一種規(guī)格的電燈能接在此變壓器副邊使用？為什么？電燈規(guī)格：36V500W；36V60W；12V60W；220V25W。

【答】變壓器副邊能接的燈泡為36V60W。變壓器額定容量為300VA，即變壓器的最大輸出功率為300W，36V500W的燈泡超出容量不能使用；變壓器額定輸出電壓為36V，超出12V60W的燈泡耐壓；220V25W的燈泡如接入，會(huì)因?yàn)殡妷翰蛔銦o(wú)法正常點(diǎn)亮。8·5理想變壓器變壓器的理想化條件：（1）k=1全耦合，做芯的鐵磁性材料的磁導(dǎo)率μ=∞。（2）自感系數(shù)L1、L2無(wú)窮大，但L1/L2為常數(shù)。（3）無(wú)任何損耗，繞線圈的金屬導(dǎo)線無(wú)電阻。

1.變壓器的電壓比n

:1變比n=N1/N2相量形式：有效值：初級(jí)線圈次級(jí)線圈

n>1U1>U2降壓變壓器

n<1U1<U2

升壓變壓器2.變壓器的電流比

n

:1∵安培環(huán)路定律：∵μ=∞,Φ為有限值∴

有效值：

∴

相量形式：

磁場(chǎng)強(qiáng)度磁感應(yīng)強(qiáng)度磁導(dǎo)率磁通量橫截面積=03.功率大小上式推導(dǎo)說(shuō)明：理想變壓器不消耗能量也不儲(chǔ)存能量，它將能量從輸入端全部送至輸出負(fù)載上，理想變壓器是一種無(wú)記憶元件。4.變壓器的阻抗變換n

:1ZL從輸入端看等效輸入阻抗為：Z1n=N1/N2電壓變換電流變換阻抗變換【例2】一理想變壓器，初級(jí)線圈匝數(shù)N1=550，接電源電壓U1=220V，次級(jí)線圈開路電壓U2=12V，接純電阻負(fù)載12V/36W，試求次級(jí)線圈的匝數(shù)N2和初級(jí)線圈中的電流I1。

【解】由

得

由題意知

由

得

【例3】某晶體管收音機(jī)輸出變壓器的原繞組匝數(shù)N1=230匝，副繞組匝數(shù)N2=80匝，原配有音圈阻抗為8?的電動(dòng)揚(yáng)聲器，現(xiàn)要改接4?的揚(yáng)聲器，問(wèn)輸出變壓器副繞組的匝數(shù)應(yīng)如何變動(dòng)（原繞組匝數(shù)不變）。

【解】初級(jí)等效阻抗：負(fù)載變動(dòng)后，為保證與信號(hào)源的匹配，初級(jí)等效阻抗不變，須將次級(jí)繞組匝數(shù)變?yōu)椋河?/p>

得匝單相變壓器的參數(shù)測(cè)定1）測(cè)試變壓器的同名端之前已介紹過(guò)的直流、交流判別法仍然適用，再介紹幾種測(cè)試方法，以拓展實(shí)踐手段。（1）電感量判斷法（2）相位判斷法2）測(cè)定絕緣電阻用兆歐表分別檢查變壓器初、次級(jí)繞組之間和各繞組對(duì)地之間冷態(tài)絕緣電阻值。3）變換電壓、電流、阻抗實(shí)驗(yàn)測(cè)試

按圖連接線路燈泡數(shù)原邊（一次側(cè)）副邊（二次側(cè)）變壓比變流比U1/VI1/A|Z1|/ΩU2/VI2/A|ZL|/Ω0（空載）123變壓器變換電壓、電流、阻抗實(shí)驗(yàn)測(cè)試數(shù)據(jù)與分析【項(xiàng)目總結(jié)】

1．互感一個(gè)線圈通過(guò)電流所產(chǎn)生的磁通穿過(guò)另一個(gè)線圈的現(xiàn)象，稱為互感現(xiàn)象或磁耦合?；ジ邢禂?shù)為：

耦合系數(shù)k：表示兩個(gè)線圈耦合的緊密程度?；ジ须妷海哼x擇互感電壓和產(chǎn)生它的電流的參考方向?qū)ν艘恢聲r(shí)，有：

對(duì)于正弦交流電路有：2．同名端在同一變化磁通的作用下，兩互感線圈感應(yīng)電壓極性始終保持一致的端子稱