任務(wù)2 單相變壓器的工作原理及極性判斷

學(xué)習(xí)目標(biāo)

（1）知道變壓器空載狀態(tài)的物理概念。

（2）解釋變壓器的原理。

（3）熟悉單相變壓器繞組極性的概念和判別的方法。

任務(wù)描述

變壓器能夠?qū)⒔涣麟妷哼M(jìn)行降壓和升壓的變換，那么，它是怎樣工作的呢？輸入電壓和輸出電壓、變壓器的高壓繞組和低壓繞組之間有什么關(guān)系呢？知道這些將對(duì)我們應(yīng)用變壓器有很大的幫助。

任務(wù)分析

要想掌握變壓器的原理，需要根據(jù)變壓器的連接特點(diǎn)將變壓器分成變壓器的空載運(yùn)行和負(fù)載運(yùn)行兩種情況，根據(jù)這兩種情況分別對(duì)變壓器進(jìn)行工作原理的分析。同樣要想學(xué)會(huì)單相變壓器繞組極性的測(cè)定方法，必須知道單相變壓器繞組極性的意義及重要性，使我們能正確判斷單相變壓器的同名端。

相關(guān)知識(shí)

一、變壓器的工作原理

變壓器是按電磁感應(yīng)原理工作的，一次繞組接在交流電源上，在鐵心中產(chǎn)生交變磁通，從而在一次、二次繞組產(chǎn)生感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)，如圖1-11所示。

1．變壓器的空載運(yùn)行和變壓比

如圖1-11所示，設(shè)一次繞組匝數(shù)為N1，端電壓為U1；二次繞組匝數(shù)為N2，端電壓為U2。則一次、二次繞組電壓之比等于匝數(shù)比，即

n叫作變壓器的變壓比。

注意：式（1-1）在推導(dǎo)過(guò)程中，忽略了變壓器一次、二次繞組的內(nèi)阻，所以式（1-1）為理想變壓器的電壓變換關(guān)系。

2．變壓器的負(fù)載運(yùn)行和變流比

在變壓器的二次繞組端加上負(fù)載|Z2|，如圖1-12所示，流過(guò)負(fù)載的電流為I2，分析理想變壓器一次、二次繞組的電流關(guān)系。

將變壓器視為理想變壓器，其內(nèi)部不消耗功率，輸入變壓器的功率全部消耗在負(fù)載上，即

U1I1=U2I2

將上式變形代入式（1-1），可得理想變壓器電流變換關(guān)系

3．變壓器的阻抗變換作用

設(shè)變壓器一次輸入阻抗為|Z1|，二次負(fù)載阻抗為|Z2|，則

將

代入，得

因?yàn)?/p>

所以

即

可見(jiàn)，二次繞組接上負(fù)載|Z2|時(shí)，相當(dāng)于電源接上阻抗為n2|Z2|的負(fù)載。變壓器的這種阻抗變換特性在電子線路中常用來(lái)實(shí)現(xiàn)阻抗匹配和信號(hào)源內(nèi)阻相等，使負(fù)載上獲得最大功率。

【例1-1】 有一電壓比為220V/110V的降壓變壓器，如果二次繞組接上55Ω的電阻，求變壓器初級(jí)的輸入阻抗。

解法1：次級(jí)電流

初級(jí)電流

輸入阻抗

解法2：變壓比

輸入阻抗

變壓器是利用電磁感應(yīng)原理對(duì)交流電壓、交流電流等進(jìn)行數(shù)值變換的一種常用電氣設(shè)備，它不能變換直流。變壓器雖能改變電壓、電流，但不能改變功率和頻率。對(duì)于理想變壓器，輸入功率總等于輸出的總功率，二次繞組交變電流的頻率總等于一次繞組交變電流的頻率。

雖然變壓器的輸入電壓和輸出電壓之比與原副繞組的匝數(shù)成正比，但原副繞組的匝數(shù)不能太少，否則磁路中產(chǎn)生磁飽和，在一次繞組中通過(guò)的電流過(guò)大，燒毀變壓器輸入回路。

二、單相變壓器繞組的極性

變壓器繞組的極性反映變壓器一次、二次繞組中的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)之間的相位關(guān)系。當(dāng)一臺(tái)單相變壓器單獨(dú)運(yùn)行時(shí)，它的極性對(duì)于運(yùn)行情況沒(méi)有任何影響。但一臺(tái)三相變壓器運(yùn)行時(shí)，就要考慮變壓器繞組的極性問(wèn)題了。繞組的極性通常用同極性端（也稱同名端）來(lái)標(biāo)記。

1．變壓器同名端的概念

在同一交流交變磁通Φ的作用下，幾個(gè)繞組中產(chǎn)生的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)在任何時(shí)刻都具有相同電勢(shì)極性的端子稱為同極性端或同名端。

如圖1-13所示，變壓器鐵心上繞制的兩個(gè)線圈1U1-1U2和2U1-2U2都被鐵心中交變的主磁通Φ所穿過(guò)。在Φ增大的某個(gè)瞬間，根據(jù)楞次定律，線圈1U1-1U2的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)E1U的方向是由1U2指向1U1，根據(jù)感應(yīng)電流的方向，可判斷出1U1端為正極性，即高電位端，1U2端為負(fù)極端，即低電位端。線圈2U1-2U2的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)E2U的方向是由2U2指向2U1，得出2U1端為正極性，即高電位端，2U2端為負(fù)極端，即低電位端。可見(jiàn)，在Φ增大時(shí)，1U1和2U1具有相同的極性，1U2和2U2也具有相同的極性。用同樣的方法可判斷，在Φ減小時(shí)，1U1和2U1具有相同的極性，1U2和2U2也具有相同的極性。所以，對(duì)于圖1-13所示的變壓器繞組，1U1和2U1是一對(duì)同名端，1U2和2U2是另一對(duì)同名端。

為了正確連接變壓器的繞組，通常變壓器的同名端設(shè)有標(biāo)記。同名端通常用“*”或“·”表示，還可以用“+”或“-”表示。

2．變壓器極性的判別

（1）直觀法

如圖1-14所示，如果從繞組的某端通入直流電，產(chǎn)生的磁通方向一致的這些端點(diǎn)就是同名端（右手螺旋法則判別）。

① 電動(dòng)勢(shì)越串越大，則說(shuō)明是兩個(gè)線圈的異名端連接。

② 電動(dòng)勢(shì)越串越小，則說(shuō)明是兩個(gè)線圈的同名端連接。

（2）測(cè)試法

① 電壓表法。如圖1-15所示，測(cè)出電壓U2和U3。

如果U3=U1+U2，則是異名端相連，即1U1和2U1是異名端。

如果U3=U1-U2，則是同名端相連，即1U1和2U1是同名端。

② 直流電流法。如圖1-16所示，當(dāng)合上開(kāi)關(guān)S，如果直流毫安表量程調(diào)試，指針?lè)磻?yīng)明顯，說(shuō)明1U1和2U1都處于高電位，則1U1與2U1是同名端。

思考題

一、選擇題

1．變壓器是利用（）原理制成的靜止的電器設(shè)備。

A．電磁感應(yīng)

B．楞次定律

C．歐姆定律

2．變壓器不能改變交流電的（）。

A．電壓大小

B．頻率

C．電流大小

二、問(wèn)答題

1．變壓器的工作原理是什么？

2．變壓器能否改變直流電壓？變壓器能否改變交流電的頻率？

三、計(jì)算題

1．某一單相變壓器，初級(jí)電壓為220V，一次繞組是250匝，次級(jí)電壓為5V，求變壓器的變比K，二次繞組的匝數(shù)。

2．已知一單相變壓器的初級(jí)電壓U1=220V，一次繞組匝數(shù)N1=1100匝，次級(jí)電流I2=2 A，負(fù)載電阻上的功率為40 W，求負(fù)載電阻R及二次側(cè)匝數(shù)N2。