電機與變壓器教案3

襄樊市第二高級技工學校

全國中等職業(yè)技術學校電工類專業(yè)通用教材

《先機與變壓器》教案

適用專業(yè)：機電技術應用

執(zhí)筆：何云

《電機與變壓器》教案首頁

第1次課授課時間：2010年月日教案完成時間：2010年月日

《電機與變

課程名稱年級專業(yè)、層次中職

壓器》

教jk/貝d何云學時2

授課題目緒論

基本教材或《電機與變壓器》中國勞動社會保障出版社、全國中等職業(yè)技術學校、

參考書電工類專業(yè)通用教材

一、通過教學使學生掌握電機在國民經(jīng)濟中的地位；電機的主要

教學目的與類型；我國電機工業(yè)發(fā)展概況

要求二、了解學習本課程的方法及需要的基礎知識

教學重點與電機在國民經(jīng)濟中的地位

難點學習本課程所需要的基礎知識

技能及知識

電機的定義、學習本課程所需的基礎知識。

點

教學方法理論講解

作業(yè)和課后

記

教學附頁

教學環(huán)節(jié)教學過程及主要內(nèi)容備注

教學環(huán)節(jié)教學過程及主要內(nèi)容備注

一、電機在國民經(jīng)濟中的作用

電能是現(xiàn)代主要的能源，而電機是與電能的生產(chǎn)、傳輸和

使用緊密相關的能量轉換裝置，它不僅是工業(yè)、農(nóng)業(yè)、交通運輸

業(yè)、國防工業(yè)、IT技術產(chǎn)業(yè)的重要設備，而且在日常生活中的

應用也越來越廣泛。

人類早期使用的原動力是畜力、水力和風力，后來發(fā)明了蒸汽機、

柴油機、汽油機，十九世紀發(fā)明了電動機，由于電動機有以下優(yōu)

點

(1)電機的效率高，運行經(jīng)濟；

(2)電能的傳輸和分配比較方便；

(3)電能容易控制。

所以電動機的應用越來越廣泛，現(xiàn)在絕大部分生產(chǎn)機械都采用電

動機進行拖動，即用電動機作為原動機。

讓電機運轉需要電能，電能主要來自發(fā)電機，為了經(jīng)濟的傳輸和

分配電能需要變壓器，另外隨著自動化程度的不斷提高，自動控

制技術得到空前的發(fā)展，出現(xiàn)了各種各樣的控制電機，此外在文

教、醫(yī)療衛(wèi)生、信息產(chǎn)業(yè)及日常生活中電機的應用將會愈加廣泛。

二、電機的主要類型

電機的型式和種類很多，但其工作原理都是基于電磁感應定

律和電磁力定律，電機的分類方法很多，按功能進行分類，可分

為：

(1)發(fā)電機將電能轉換為機械能

(2)電動機將機械能轉換為電能

(3)變壓器將電能變換為不同等級的電能

(4)控制電機作為控制系統(tǒng)中的元件

三、我國電機工業(yè)發(fā)展概況

解放前電機工業(yè)極端落后，僅幾個城市有電機制造廠。解放

后電機工業(yè)發(fā)展很快第一個五年計劃結束時，年產(chǎn)量和單機容

量都較解放前提高了幾十倍。改革開放以來我國電機工業(yè)在引

教學環(huán)節(jié)教學過程及主要內(nèi)容備注

進、吸收和消化國外先進技術的基礎上對原有電機進行了優(yōu)化設

計,使電機性能大大提高，并相繼研制和開發(fā)了多種新系列電機,

不僅滿足了國內(nèi)生產(chǎn)需要，而且向國外出口。目前我國已開發(fā)制

成125個系列，900多個品種，幾千種規(guī)格的各種電機。

電機工業(yè)發(fā)展趨勢是電子與電機工業(yè)結合，開展新原理、新

結構、新材料電機的研制工作。

四、緒論電機的分類

按功能用途分：有發(fā)電機、電動機、變壓器和控制電機4類。

按電機的結構或轉速分：分為靜止變壓器和旋轉電機。

按電源的不同分：分為直流電機和交流電機兩大類。交流電

機又分為同步電機和異步電機兩類。

綜上分類方法，可歸納如下：

變壓器（也屬交流電機的一種，但它靜止不動）

r直流發(fā)電機

直流電機

L直流電動機

「同步發(fā)電機

電機［r同步電機（同步電動機

交流電機Y

異專由和r異步發(fā)電機

I異步電機t異步電動機

I控制電機

五、課程性質、任務和內(nèi)容

性質:是一門專業(yè)基礎課。它是將“電機學”、“電力拖動”和

“控制電機”等課程有機結合而成的一門課。

任爰:掌握各電機的基本結構和工作原理以及電力拖動系統(tǒng)的

運行性能、基本分析計算、電機選擇方法。

內(nèi)容:直流電機、直流電動機的電力拖動、變壓器、三相交流

異步電動機、三相交流異步電動機的電力拖動、單相異步電動機、

教學環(huán)節(jié)教學過程及主要內(nèi)容備注

同步電機、電動機的選擇控制電機等。

六、課程特點

課程特點：理論性強，應用性強。涉及的基礎理論和實際知識

面廣，是電學、磁學、動力學、熱學等學科知識的綜合，所以理

論性較強。而用理論分析各種電機及拖動的實際問題時，必須結

合電機的具體結構、采用工程觀點和工程分析方法。在掌握基本

理論的同時，還要注意培養(yǎng)學生的實驗操作技能和計算能力，因

此實踐性也較強。

七、學習方法

學習時應注意以下幾點：

1）抓主要矛盾，抓本質，忽略次要因素。

2）抓基本概念、原理和主要特性。

3）良好的學習方法，如對比學習，找出各種電機的共性和特點,

加深理解。

4）理論聯(lián)系實際，重視實驗和到工廠實踐。

5）把電機視為拖動系統(tǒng)中的一個器件來學習，不宜過多地耗時

于電機的內(nèi)部電磁關系。

《電機與變壓器》教案首頁

第2次課授課時間：2010年月日教案完成時間：2010年月日

《電機與變

課程名稱年級專業(yè)、層次中職

壓器》

教貝何云學時2

第一章變壓器的結構與工作原理

授課題目

§1—1變壓器的用途和分類、§1-2變壓器的結構

基本教材或參《電機與變壓器》中國勞動社會保障出版社、全國中等職業(yè)技術學校、

考書電工類專業(yè)通用教材

教學目的與要

通過教學使學生掌握變壓器的定義、變壓器的用途和分類

求

教學重點與難變壓器的用途和分類

點變壓器的用途和分類

技能及知識點變壓器的定義、用途和分類

教學方法理論聯(lián)系實際

作業(yè)和課后記

教學附頁

教學環(huán)節(jié)教學過程及主要內(nèi)容備注

教學環(huán)節(jié)教學過程及主要內(nèi)容備注

一、變壓器的主要用途

變壓器是一種通過電磁感應作用將一定數(shù)值的電壓、電流、阻

抗的交流電轉換成同頻率的另一數(shù)值的電壓、電流、阻抗的交流

電的靜止電器。在電力系統(tǒng)中，專門用于升高電壓和降低電壓的

變壓器統(tǒng)稱為電力變壓器。電力變壓器是使用最廣泛的變壓器。

變壓器是利用電磁感應原理制成的靜止電氣設備。它能將某一電

壓值的交流電變換成同頻率的所需電壓值的交流電，以滿足高壓

輸電、低壓供電及其他用途的需要。

在絕大多數(shù)情況下，交流電能來自于遠離用電地區(qū)的水力發(fā)電

站、火力發(fā)電站、核電站的交流發(fā)電機。由于絕緣材料和散熱等

方面的限制，交流發(fā)電機發(fā)出的電壓不可能太高，一般多為

10.5kV和18kV。如果以此等級的電壓直接向遠距離的用電地區(qū)

傳送大功率的電能，那么輸電線路必然流過很大的電流，大大增

加了輸電線路上的電能損耗和電壓損耗，這是很不經(jīng)濟的，甚至

于不能將電能送出去。如果采用升壓變壓器，把發(fā)電機發(fā)出的電

壓升高到幾十千伏或幾百千伏的電壓后，再向遠距離的用電地區(qū)

傳送大功率的電能，那么輸電線路上流過的電流自然就變小了，

這樣就能經(jīng)濟地把電能送出去。一般地，輸電電壓的高低與輸電

距離、輸電功率有關，若要求輸電距離較遠且輸電功率較大，則

要求較高的輸電電壓。而用電設備的電壓等級絕大多數(shù)為380V

或220V,用電設備不能直接與高壓輸電線路連接，必須采用降

壓變壓器，先將輸電電壓降低到合適的電壓等級，再供用戶使用。

二、變壓器的基本工作原理

它的基本工作原理可以用圖3.1說明。圖3.1是單相變壓器的工

作原理圖。這個單相變壓器由一個閉合的鐵心和套在其上的兩個

繞組構成。這兩個繞組彼此絕緣，同心套在一個鐵心柱上，但是

為了分析問題的方便，我們將這兩個繞組畫在鐵心柱兩側上，其

中，與電源連接的繞組稱為原繞組，也稱為一次繞組或原邊；與

負載連接的繞組稱為副繞組，也稱為二次繞組或副邊。我們在表

教學環(huán)節(jié)教學過程及主要內(nèi)容備注

示原繞組電磁量的符號右下角加標號“1”，在表示副繞組電磁量

的符號右下角加標號“2"，以便于區(qū)別。例如，"，匕，E分別

表示原繞組的電壓、感應電動勢、電流相量；02,'2,反，

分別表示副繞組的電壓、感應電動勢、電流相量。

將原繞組的兩個出線端與單相交流電源連接，原繞組中便流過交

流電流，該電流在鐵心中生成與電源頻率相同的交變磁通，此交

變磁通同時鏈過原、副繞組。據(jù)電磁感應原理，原、副繞組中將

分別感應出交變電動勢。將副繞組的兩個出線端與負載連接，負

載就有交流電流通過。對應某一瞬時，單相變壓器中各物理量的

方向標示于圖1—lo

圖1-1單相變壓器工作原理圖

設為"分別為原繞組的電壓、感應電動勢瞬時值，u2e2,

分別為副繞組的電壓、感應電動勢瞬時值，乂，愀分別為原繞

組、副繞組的匝數(shù)，。為鐵心中同時鏈過原、副繞組的磁通。

如果單相變壓器副繞組的兩個出線端不與負載連接并忽略數(shù)值

很小的原繞組電阻、電抗，可以得出下面的瞬時值方程式

—(1-1)

(1—2)

其中，依據(jù)電磁感應定律有

教學環(huán)節(jié)教學過程及主要內(nèi)容備注

?,d<P

e,--N.——

”（1—3）

e2=-N2與（1—4）

_zd0

將該式代入上式，得％=乂而7

（1—5）

u2=-N2與（1—6）

有同_間_凹

■-------------------------K

Ml舊N?（1—7）

由此可見，通過選用不同于原繞組匝數(shù)M的副繞組匝數(shù)N2,

便可使副繞組的電壓也不等于原繞組的電壓A稱為變壓器的

變壓比，其大小是由變壓器的結構參數(shù)M,他所決定的。

綜上所述，變壓器以原、副繞組能同時鏈過鐵心中同一變化

磁通的特有結構，利用電磁感應原理，將原繞組吸收電源的電能

傳送給副繞組所連接的負載一一實現(xiàn)能量的傳送,使匝數(shù)不同的

原、副繞組中感應出大小不等的電動勢一一實現(xiàn)電壓等級變換,

這就是變壓器的基本工作原理。

三、變壓器的分類

變壓器可以按照用途、繞組數(shù)目、相數(shù)、冷卻方式、調(diào)壓方式分

類。

按照用途分，主要有電力變壓器、調(diào)壓變壓器、儀用互感器（如

測量用電流互感器和電壓互感器）、供特殊電源用的變壓器（如

整流變壓器、電爐變壓器、電焊變壓器、脈沖變壓器）。

按照繞組數(shù)目分，主要有雙繞組變壓器、三繞組變壓器、多

繞組變壓器、自耦變壓器。

按照相數(shù)分，主要有單相變壓器、三相變壓器、多相變壓器。

按照冷卻方式分，主要有干式變壓器、充氣式變壓器、油浸

式變壓器（按照冷卻條件，又可細分為自冷、風冷、水冷、強迫

教學環(huán)節(jié)教學過程及主要內(nèi)容備注

油循環(huán)風冷、強迫油循環(huán)水冷變壓器）。

按照調(diào)壓方式分，主要有無載調(diào)壓變壓器、有載調(diào)壓變壓器、

自動調(diào)壓變壓器。容量大?。盒⌒妥儔浩?、中型變壓器、大型

變壓器和特大型變壓器。

四、變壓器的基本結構

圖1.2為三相油浸式電力變壓器的結構示意圖。

圖L2三相油浸式電力變壓器

1—油箱2一鐵心及繞組3—儲油柜4一散熱筋5—高、低

壓繞組6—分接開關7—氣體繼電器8—信號溫度計

三相油浸式電力變壓器主要由鐵心、繞組及其他部件組成?，F(xiàn)簡

單敘述各部件的結構、作用。

1.鐵心

鐵心作為變壓器的閉合磁路和固定繞組及其他部件的骨架。

為了減小磁阻、減小交變磁通在鐵心內(nèi)產(chǎn)生的磁滯損耗和渦流損

耗，變壓器的鐵心大多采用薄硅鋼片疊裝而成。變壓器的鐵心有

心式和殼式兩種基本形式。

教學環(huán)節(jié)教學過程及主要內(nèi)容備注

心式變壓器的鐵心由鐵心柱、鐵軻和夾緊器件組成，繞組套

在鐵心柱上，如圖3.3所示。心式變壓器的結構簡單，繞組的裝

配工藝、絕緣工藝相對于殼式變壓器簡單，國產(chǎn)三相油浸式電力

變壓器大多采用心式結構。

殼式變壓器的鐵心包圍了繞組的四面，就像是繞組的外殼，如圖

3.4所示。殼式變壓器的機械強度相對較高，但制造工藝復雜，

所用材料較多，一般的電力變壓器很少采用。

圖1.3三相心式變壓器

1一鐵心柱2—鐵軻3一高壓繞組4一低壓繞組

圖1.4單相殼式變壓器

1一鐵心柱2—鐵軌3一繞組

2.繞組

繞組是變壓器的電路部分，原繞組吸取供電電源的

能量，副繞組向負載提供電能。變壓器的繞組由包有絕緣材料的

扁導線或圓導線繞成，有銅導線和鋁導線兩種。按照高、低壓繞

組之間的安排方式，變壓器的繞組有同心式和交疊式兩種基本形

式。

教學環(huán)節(jié)教學過程及主要內(nèi)容備注

3.其他部件

(1)油箱

變壓器的器身放置在灌有高絕緣強度、高燃點變壓器油的

油箱內(nèi)。

變壓器運行時，鐵心和繞組都要發(fā)出熱量，使變壓器油發(fā)

熱。發(fā)熱的變壓器油在油箱內(nèi)發(fā)生對流，將熱量傳送至油箱壁及

其上的散熱器，再向周圍空氣或冷卻水輻射，達到散熱的目的,

從而使變壓器內(nèi)的溫度保持在合理的水平上。

(2)儲油柜(也稱為油枕)

儲油柜裝置在油箱上方，通過連通管與油箱連通，起到保

護變壓器油的作用。

變壓器油在較高溫度下長期與空氣接觸容易吸收空氣中

的水分和雜質，使變壓器油的絕緣強度和散熱能力相應降低。裝

置儲油柜的目的是為了減小油面與空氣的接觸面積、降低與空氣

接觸的油面溫度并使儲油柜上部的空氣通過吸濕劑與外界空氣

交換，從而減慢變壓器油的受潮和老化的速度。

(3)氣體繼電器(也稱為瓦斯繼電器)

氣體繼電器裝置在油箱與儲油柜的連通管道中，對變壓器

的短路、過載、漏油等故障起到保護的作用。

(4)安全氣道(也稱為防爆管)

安全氣道是裝置在較大容量變壓器油箱頂上的一個鋼質長

筒，下筒口與油箱連通，上筒口以玻璃板封口。

當變壓器內(nèi)部發(fā)生嚴重故障又恰逢氣體繼電器失靈時，油

箱內(nèi)部的高壓氣體便會沿著安全氣道上沖，沖破玻璃板封口，以

避免油箱受力變形或爆炸。

(5)絕緣套管

絕緣套管是裝置在變壓器油箱蓋上面的絕緣套管，以確保

變壓器的引出線與油箱絕緣。

(6)分接開關

教學環(huán)節(jié)教學過程及主要內(nèi)容備注

分接開關裝置在變壓器油箱蓋上面，通過調(diào)節(jié)分接開關來

改變原繞組的匝數(shù)，從而使副繞組的輸出電壓可以調(diào)節(jié)，以避免

副繞組的輸出電壓因負載變化而過分偏離額定值。

分接開關有無載分接開關和有載分接開關兩種。一般的分

接開關有三個擋位，+5%擋、0擋和-5%擋。若要副繞組的輸出電

壓降低，則將分接開關調(diào)至原繞組匝數(shù)多的一擋，即+5%擋；若

要副繞組的輸出電壓升高，則將分接開關調(diào)至原繞組匝數(shù)少的一

擋，即-5%擋。

《電機與變壓器》教案首頁

第3次課授課時間：2010年月日教案完成時間：2010年月日

《電機與變

課程名稱年級專業(yè)、層次中職

壓器》

教-kL.貝E3何云學時2

授課題目§1-3變壓器的空載運行及負載運行

基本教材或《電機與變壓器》中國勞動社會保障出版社、全國中等職業(yè)技術學校、

參考書電工類專業(yè)通用教材

教學目的與

通過教學使學生掌握變壓器的基本結構、變壓器的空載運行及負載運行

要求

變壓器的基本結構、變壓器的空載運行及負載運行

教學重點與

變壓器的空載運行及負載運行

難點

技能及知識變壓器的結構、變壓器空載運行及負載運行時的方程式、相量圖、等效

點電路等

教學方法理論講解

作業(yè)和課后

記

教學附頁

教學環(huán)節(jié)備注

一、、變壓器的空載運行

什么是空載運行：

(-)空載運行時的物理情況

原繞組接交流電源時有電流通過，稱空載電流Zo交變的

流過原繞組，產(chǎn)生磁動勢產(chǎn)生通過繞組中心的交變的磁

通，此磁通由￡單獨激勵，所以也稱為勵磁電流或激磁電流。

圖1.5單相變壓器空載運行原理圖

主磁通：絕大部分的磁通經(jīng)由鐵心閉合，稱為主磁通，用

表不。

作用：主磁通與原、副繞組同時交鏈而傳遞能量。在原、副繞組

中產(chǎn)生感應電動勢4,02。漏磁通：很少一部分磁通經(jīng)由原繞組

周圍的空氣或變壓器油閉合，它不是傳遞能量的載體，稱漏磁通,

用表示。漏磁通在原繞組中感應電動勢

(二)感應電動勢

1.各電、磁量正方向的規(guī)定

有利于討論各電、磁量的量值關系和相位關系。

原邊：視變壓器原邊為電源的負載，原邊電流的正方與電源電壓

的正方向一致。

教學環(huán)節(jié)備注

副邊：將副邊視為負載的電源，副邊電流的正方向由副邊電勢的

正方向確定，副邊電壓的正方向依據(jù)副邊電流流過負載的壓降方

向確定。

磁通：正方向與電流的正方向符合右手螺旋定則。

感應電動勢：正方向與磁通的正方向符合右手螺旋定則，實際方

向由楞次定律確定。各電、磁量正方向見圖L5。

2.感應電動勢

交流電壓產(chǎn)生交流磁通，有0=O,"sinof

則e,=-N,

df

d@,“sinor）.

e=一N1---------=一Ng①coscot

xdr

=乂（2兀sin（ot—90°）=E,?,sin（切—90°）

=V2E,sin（0f-90°）

原繞組感應電動勢有效值的數(shù)值為

耳二M=4.44陽中,“

且g在相位上以90°滯后于用相量表示，有

E[=-/4.44川色

同理，龍在相位上也以90°滯后于Om。用相量表示，有

瓦=-14.44川2氟

變壓器的原繞組有漏磁通鏈過，漏磁通也是按正弦規(guī)律變化

的，同理有

E,=-網(wǎng)①％/6=-NL/J垃

=-jxJo

由于漏磁路主要由非磁性介質構成，可近似地看成線性磁路，其

磁阻也可近似地看成常數(shù)，則漏電感Lio和漏電抗X1也可近似

教學環(huán)節(jié)備注

地看成常數(shù)，因此，漏感電勢可以看成是漏電抗上的壓降。

3.電壓平衡關系

據(jù)基爾霍夫電壓定律，得到原、副邊的電壓平衡方程式

。\=-皂\-Eb+，0八=-￡+jx/o+

=_￡+，0儲+詡）=-E+A）zi

St）—應2

由于漏磁路磁阻很大，漏磁通很小，因此反映漏磁通的漏電感和

漏電抗很小，AZ也很小，有“N—E=—j4.44/NQ,“

由此看出，主磁通的大小主要決定與電源電壓的大小，只要

電源電壓不變，主磁通維持不變，這是一個很重要的結論，對變

壓器負載運行時仍然成立。

（三）空載電流和空載損耗

空載運行時，只有原繞組流過空載電流，所以勵磁電流也就是空

載電流。由于鐵心采用高磁化能力、低渦流損耗和磁滯損耗的硅

鋼片疊壓而成，空載電流是很小的，只占原邊額定電流的4%~

10%,甚至更低。

空載運行時，交變的磁通一方面在鐵心中產(chǎn)生渦流，另一方面使

鐵磁材料中的磁疇隨磁場方向的交變而運動，其后果都會使鐵心

發(fā)熱，將變壓器原邊吸收電源能量的一部分消耗掉。分別稱為渦

流損耗和磁滯損耗，合稱為鐵損耗。

（四）等效電路

用電路形式反映其電磁關系稱之為等效電路。

漏感電勢可以看成是漏電抗上的壓降，即再與空

載電流在原繞組電阻上的壓降］o4合并為一項，即漏阻抗壓降

/oz,o原繞組通過空載電流，在鐵心中產(chǎn)生主磁通、產(chǎn)生鐵損耗,

才會產(chǎn)生感應電動勢￡,實際上E反映了主磁通和鐵損耗的大

小，也可以仿照漏阻抗壓降的處理方式，認為

教學環(huán)節(jié)備注

-E,=/oZ,?=Zo（A；?+An）

在力和/!不變時，的恒定，可將勿視為常數(shù)。得

〃=/。（〃+居）+/o&+必）

=/oZ,”+/oZ|=/o（Z?,+Z.）

由此得到空載運行時的等效電路。并進行空載運行時的定量分

析。

/Xi

o--------1---1-------\AA/—

A）

片6%

O

圖1.6單相變壓器空載運行等效電路

教學環(huán)節(jié)備注

《電機與變壓器》教案首頁

第4次課授課時間：2010年月日教案完成時間：210年月日

《電機與變

課程名稱年級專業(yè)、層次中職

壓器》

教貝何云學時2

授課題目§1-3變壓器的空載運行及負載運行

基本教材或《電機與變壓器》中國勞動社會保障出版社、全國中等職業(yè)技術學校、

參考書電工類專業(yè)通用教材

教學目的與

通過教學使學生掌握變壓器負載運行時的各種關系

要求

教學重點與變壓器負載運行時的物理情況、電壓平衡關系、等效電路等

難點變壓器繞組的折算

技能及知識

變壓器負載運行時的物理情況、等效電路、變壓器繞組的折算等

點

教學方法理論講解

作業(yè)和課后

記

教學附頁

教學環(huán)節(jié)教學過程及主要內(nèi)容備注

教學環(huán)節(jié)教學過程及主要內(nèi)容備注

二、變壓器的負載運行

（一）負載運行時的物理情況

負載運行時，副繞組中有電流流過，變壓器便可以同時與原、副

繞組相交鏈的主磁通為媒介，將原繞組從電源吸收的電能傳送到

副繞組，向負載供電。負載運行時，副繞組中有電流人流過，

副繞組中產(chǎn)生相應的磁動勢八乂，與原繞組中產(chǎn)生的磁動勢

彳乂共同作用，產(chǎn)生鐵心中的主磁通。

Ao-^―

.瓦

圖L7單相變壓器負載運行原理圖

（二）負載運行時的基本方程式

1.磁動勢平衡方程式

鐵心中的磁動勢由原邊磁動勢IM和副邊磁動勢4乂合成，為

，乂+%N2。由于電壓不變，主磁通不變，即磁動勢仍然為，0乂0

有

1附+，2愀=，0乂

iN=ioN+（-：2?。?/p>

由此看出，負載運行時的原邊磁動勢1M有兩部分作用：一是產(chǎn)

生鐵心中的勵磁磁動勢,以產(chǎn)生主磁通?“；二是產(chǎn)生一個

與副邊磁動勢4乂大小相等、方向相反的磁動勢（一4N2）,抵

消副邊磁動勢的作用，以維持鐵心中的主磁通不變。該式稱為磁

教學環(huán)節(jié)教學過程及主要內(nèi)容備注

動勢平衡方程式。將磁動勢平衡方程式改變?yōu)椋?io+(-竺：2)

1Ni

負載運行時的原邊電流彳大于變壓器空載運行時的原邊電流

的，它由反映主磁通大小的勵磁電流分量10和反映負載大小

的負載電流分量(一今組成。當負載增加時，人增加，副

N?

邊磁動勢AM增加，原邊電流的負載電流分量(一才八)也相

應增加，可見，雖然變壓器的原、副邊沒有直接的電路聯(lián)系，但

負載電流的變化也會使原邊電流相應地改變。

2.電壓平衡方程式

副邊電路流過電流八，產(chǎn)生副邊磁動勢副邊磁動勢一方

面與原邊磁動勢匕乂共同作用產(chǎn)生鐵心中的主磁通，另一方面還

產(chǎn)生僅與副繞組交鏈的漏磁通型。。漏磁通在副繞組中感應出漏

感電動勢員。，及。也可以以副邊漏電抗々上的壓降形式來表

示，有應2。=~jX212

據(jù)原、副邊電路，列出變壓器負載運行時的電壓平衡方程式

????

，=-+/1&+jxl)=-f?+/1Z)

??

-E,=/(>(/;?+jxm)=/oZ?,

????

U2=E2-1+jx2)—E2—12Z2

U2^h(rL+jxL)^hZL

綜上所述，可以列出變壓器負載運行時的基本方程式組如下

j=-EI+/IZ,

-￡=：oz,“

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U)=E2~12Z1

??

E\=kE?

3=%Zi

??1?

/l=/o+(——；2)

k

(三)等效電路

利用上面得出的變壓器基本方程式組，便可以對變壓器進行定

量計算了。但因原、副繞組的匝數(shù)不等，原、副邊只有磁耦合關

系而無直接的電聯(lián)系，實際求解起來是相當困難的。我們可以構

造一個能正確反映變壓器的電、磁關系和功率關系的純電路——

等效電路，以便找到一種簡便實用的計算方法。

1.折算

所謂折算，就是假設使原、副繞組的匝數(shù)相同，以簡化變壓器的

定量計算過程，但要保證變壓器折算前后的電、磁關系和功率關

系不變?，F(xiàn)以將副繞組折算成原繞組為例，確定副邊各物理量的

折算值。副邊各物理量的折算值用原有符號加表示。

(1)副邊電動勢的折算值

折算的目的就是使折算后的副繞組匝數(shù)等于原繞組的匝數(shù)，即

N；=N\,有g=也=1

回乂

(2)副邊電流的折算值

為保證折算前后副邊磁動勢的作用不變，有&7；=八憶

與,=0」2

22

N；2N12k

(3)副邊阻抗的折算值

為保證折算前、后的銅損耗不變，有］；2匕=］尢，4=女2々

為保證折算前、后的無功功率不變，有芯=公/

22

則z2=kz2同理有Z'L=kz.

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(4)副邊電壓的折算值

為保證折算前、后的視在功率不變，有

U[=^U2=kU2

折算后，變壓器負載運行時的基本方程式組可簡化為如下的方程

式組

〃=—E+i|Z],—

=iozm,U2=E2—i2z2>u2=i2zL,E2=E],

%+乙=

2.等效電路

在將變壓器副繞組的匝數(shù)折算為與原繞組的匝數(shù)相等后，原、副

繞組中的感應電動勢E和a是相等的。若將分別作用于原、副

邊電路的E，a看成是E(或耳)同時作用于原、副邊電路，

便得到形狀像“T”字的等效電路，如圖1.8所示。

變壓器負載運行時的T型等效電路是與實際變壓器的電、磁關系

和功率關系是完全等效的。但此T形等效電路屬于混聯(lián)電路，要

對其進行復數(shù)運算是比較麻煩的。在工程上，可根據(jù)要分析、計

算的具體問題，對T型等效電路做進一步的簡化，得到如圖1.9

所示的簡化等效電路。

圖1.9中，4=4+匕叫短路電阻，龍,=玉叫短路電抗，

4=《+優(yōu)叫短路阻抗，小兒區(qū)可由變壓器的短路試驗得

____A—

1―IlA)一^

>

出。尹--------------------------------------

圖1.8單相變壓器負載運行時的T型等效電路

教學環(huán)節(jié)教學過程及主要內(nèi)容備注

-u2Dz；

圖1.9單相變壓器負載運行時的簡化等效電路

例3.3.1已知一臺單相變壓器的數(shù)據(jù)為：S.=4.6kVA,

GN/U2N=380V/115V,r,=0.15Q,改=0.024Q,小=0.27Q,

A2=0.053Q,其負載阻抗為：&=4+j3Q。當外加電壓為額定值

時，用簡化等效電路計算原、副邊電流及副邊電壓。

解變比％=%叢=出=3.30

U2N115

原邊電流（f=——；7人——；~尸

5+4+"）+又玉+兄+工）

380/00

(0.15+3.302x0.024+3.302x4)+j(0.27+3.302x0.053+3.302x3)

380Z0

43.971+j33.51755.289/37.32°

副邊電流八=-3.3X6.87N-37.320=-22.67N-37.32°A

副邊電壓.=-22.67/-37.32。、(4+j3)

=-U3.35Z-0.45°V

《電機與變壓器》教案首頁

第5次課授課時間：2010年月日教案完成時間：2010年月日

《電機與變

課程名稱年級專業(yè)、層次中職

壓器》

教-kL.貝E3何云學時2

§1-4變壓器的阻抗變換

授課題目

§1-5變壓器的外特性

基本教材或《電機與變壓器》中國勞動社會保障出版社、全國中等職業(yè)技術學校、

參考書電工類專業(yè)通用教材

教學目的與

通過教學使學生掌握變壓器阻抗變換的應用、變壓器的外特性

要求

教學重點與變壓器阻抗變換的應用、變壓器的外特性

難點變壓器的外特性

技能及知識

阻抗變換的公式及應用、變壓器外特性

點

教學方法理論講解

作業(yè)和課后

記

教學附頁

教學環(huán)節(jié)教學過程及主要內(nèi)容備注

一、變壓器的外特性

運行特性：L外特性

2.效率特性

作用：反映變壓器帶負載運行時的性能。

（-）外特性與電壓變化率

當電源電壓及負載功率因數(shù)一定時，反映副邊端電壓隨副邊電

流變化而變化的曲線位=f（72）,稱為變壓器的外特性。

外特性直觀反映了變壓器輸出電壓隨負載電流變化的趨勢。

圖1.12變壓器的外特性

電容性負載：〃隨△的增大而增大（容性負載減小了無功電流分

量）；電阻和電感性負載：〃隨心的增大而減小。變化程度用電

壓變化率來表示。

定義：△.%二%也I。。%=%也I。。%

UINU*

一般情況下，在cos6=0.8（感性）左右時，額定負載的電壓變

化率約為4%?5.5%o

（二）變壓器的損耗與效率

損耗：銅損、鐵損，每一種又包括基本損耗和附加損耗。

基本銅損：原、副繞組中的直流電阻損耗。

附加銅損：漏磁通在原、副繞組中產(chǎn)生集膚效應、使其電阻增大

而增加的銅損，通常很小。銅損的大小與負載電流的平方成正比,

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是可變損耗。

基本鐵損：鐵心中的磁滯和渦流損耗。

附加鐵損:主磁通在變壓器的結構件及鐵心的某些局部引起的渦

流損耗。

基本鐵損是鐵損耗的主要部分。鐵損為不變損耗。

效率特性：

負載小時，效率隨負載的增加而增加；

負載大時，效率隨負載的的增加而減小。效率有一個最大值，用

〃max表示。一般當夕=0.5?0.7范圍內(nèi)時達到〃?好。

00.20.40.60.81.0P

圖1.13變壓器的效率特性

變壓器一次側接交流電源，對電源來說是一個負載。其輸入

阻抗可用輸入電壓、輸入電流來計算，即變壓器的輸入阻抗為

Zl=^，而變壓器的二次側輸出又接了負載，電壓、電流、負

1\

載之間存在Z2=〃2=Zfz關系?？梢钥闯鼋?jīng)過變壓器把Z2接

IC

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到電源上和不要變壓器直接把Z2接到電源上，兩者是完全不一

樣的，這里變壓器起到改變阻抗的作用，把Z2變成Z,可以在

%的電壓下工作。

變換公式

這說明負載Z2經(jīng)過變壓器以后阻抗擴大了I倍。如果已知負載

阻抗Z2的大小，要把它變成另一個一定大小的阻抗ZL只需接

一個變壓器，該變壓器的變比心戶名

在電子線路中，這種阻抗變換很常用，如擴音設備中揚聲器的.阻

抗很小(4~16),直接接到功放的輸出，則揚聲器得到的功率很小,

聲音就很小。只有經(jīng)輸出變壓器把揚聲器阻抗變成和功放內(nèi)阻一

樣大，揚聲器才能得到最大輸出功率。這也稱為阻抗匹配。

例1-1某晶體管收音機的輸出變壓器的一次側匝數(shù)

Ni=230匝，二次側匝數(shù)2=80匝，原來配接8。的揚聲器，現(xiàn)

要改用同樣功率而阻抗為4Q的揚聲器，則二次側匝數(shù)N2應改

繞成多少？

解：先求出一次側的因為不論N2和Z2怎么變，必須保證

Zi不變，才能保證功率輸出最大。

230

Z'=K2Z2=(80)2X8=66.13Q

再由ZI和新的揚聲器阻抗Z2=4Q,求出新的K’和N2

K，=JZj/Z?_766.13/4=4.07

N；230

\2=K-4.07弋57匝

則二次側匝數(shù)N2應改繞成57匝。

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第6次課授課