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課題

變壓器與三相異步電動機（一）——認識變壓器

課時

2課時（90 min）

教學目標

知識技能目標：

（1）掌握磁路的基本物理量和基本定律

（2）掌握變壓器的工作原理和外特性

（3）能夠?qū)蜗嘧儔浩鞯淖儽燃巴馓匦赃M行測試

素質(zhì)目標：

（1）樹立科技成才、技能報國的人生理想

（2）樹立勇于探索、追求真理的職業(yè)精神

教學重難點

教學重點：磁路的基本物理量和基本定律，變壓器的工作原理和外特性

教學難點：對單相變壓器的變比及外特性進行測試

教學方法

案例分析法、問答法、討論法、講授法

教學用具

電腦、投影儀、多媒體課件、教材

教學過程

主要教學內(nèi)容及步驟

課前任務(wù)

【教師】布置課前任務(wù)，和學生負責人取得聯(lián)系，組織學生下載“任務(wù)工單——測試單相變壓器的變比和外特性”，并根據(jù)任務(wù)工單進行組內(nèi)分工，同時提醒同學通過文旌課堂APP或其他學習軟件，了解變壓器的相關(guān)知識

【學生】完成課前任務(wù)

考勤

【教師】簽到

【學生】班干部報請假人員及原因

任務(wù)導入

【教師】提出以下問題：

變壓器的作用是什么？其工作原理是怎樣的？

【學生】思考、舉手回答

傳授新知

【教師】通過學生的回答引入要講的知識，介紹磁路和變壓器的相關(guān)內(nèi)容

3.1.1 磁路

✈【教師】組織學生掃碼觀看“磁通與磁路的分類”視頻（詳見教材），讓學生對相關(guān)知識有一個大致了解

線圈通電后，其周圍和內(nèi)部會產(chǎn)生磁場�？招妮d流線圈產(chǎn)生的磁場較弱，為了得到較強的磁場并加以有效利用，工程上常用鐵磁性材料做成一定形狀的鐵芯，然后將線圈繞在鐵芯上組成鐵芯線圈電路。當線圈中通過電流時，鐵芯即被磁化，從而使電流產(chǎn)生的磁場大大增強。對于鐵芯線圈電路，通電線圈的磁通將集中通過鐵芯，這種磁通集中通過的路徑便稱為磁路。

1．磁路的基本物理量

1）磁感應(yīng)強度

磁感應(yīng)強度B是表示磁場中某點磁場的強弱和方向的物理量，它是一個矢量。若磁場中各點的磁感應(yīng)強度大小相等、方向相同，則這樣的磁場稱為均勻磁場。在均勻磁場中，磁感應(yīng)強度在數(shù)值上可看作是與磁場方向相垂直的單位面積內(nèi)所通過的磁通，因此磁感應(yīng)強度又稱磁通密度，即

（3-1）

在國際單位制中，磁感應(yīng)強度的單位為特（T）。磁感應(yīng)強度的方向與電流方向之間的關(guān)系可用右手螺旋定則來確定。

2）磁導率

磁導率μ是用于衡量物質(zhì)導磁能力大小的物理量，其單位為亨每米（H/m）。真空中的磁導率為一個常數(shù)，用表示，即。為了便于比較，通常用相對磁導率來表示不同物質(zhì)的導磁能力，即

（3-2）

3）磁場強度

磁場強度H是分析磁場時所引入的一個輔助物理量，空間中某點的磁場強度與該點磁感應(yīng)強度的關(guān)系為

（3-3）

磁場強度也是矢量，在均勻磁介質(zhì)中，磁場強度的方向與磁感應(yīng)強度的方向一致。在國際單位制中，磁場強度的單位為安每米（A/m）。

2．磁路的歐姆定律

實驗表明，在鐵芯線圈電路中，線圈的電流越大，線圈的匝數(shù)越多，產(chǎn)生的磁通就越多。通常把線圈匝數(shù)與線圈電流的乘積NI稱為磁通勢，用F表示，即

（3-4）

磁通勢相當于電路中的電動勢，它是一個標量，其單位為安（A）。

磁路中的磁通等于作用在該磁路上的磁通勢F除以磁路的磁阻，這就是磁路的歐姆定律，即

（3-5）

式中：

l ——磁路的平均長度，單位為米（m）；

S ——磁路的橫截面積，單位為平方米（m2）；

——磁路的磁阻，，單位為每亨（1/H）。

由于鐵磁性材料的磁導率不是常數(shù)，因此磁路的歐姆定律通常不能用于定量計算，只能用于定性分析。磁路與電路有著許多相似之處，兩者的比較如表3-5所示。

✈【教師】通過多媒體展示“磁路和電路的比較”表格，介紹相關(guān)知識

表3-5 磁路和電路的比較

磁路	電路

磁通勢F	電壓U
磁通Φ	電流I
磁感應(yīng)強度B	電流密度J
磁阻	電阻
磁路歐姆定律	電路歐姆定律

【點撥】

在表3-5中，γ為電導率，，單位為西每米（S/m）。其中，ρ為電阻率，它是用于表示各種物質(zhì)電阻特性的物理量。某種材料的導線，長度為1 m、橫截面積為1 mm2時，在常溫下（20 ℃）的電阻值稱為這種材料的電阻率。

3．電磁感應(yīng)定律

感應(yīng)電壓的大小與磁通變化的快慢（磁通變化率）有關(guān)，即

（3-6）

若線圈的匝數(shù)為N，則整個線圈的感應(yīng)電壓為

（3-7）

式中：

u ——線圈在時間內(nèi)產(chǎn)生的感應(yīng)電壓，單位為伏（V）；

N ——線圈的匝數(shù)；

——在時間內(nèi)磁通的變化量，單位為韋伯（Wb）；

——磁通的變化時間，單位為秒（s）。

上述感應(yīng)電壓與磁通變化率之間的關(guān)系稱為電磁感應(yīng)定律。

✈【教師】通過多媒體展示“右手定則”圖片（詳見教材），幫助學生對這些內(nèi)容有更直觀地認識

對于閉合導體在磁場中做切割磁感線運動時所產(chǎn)生的感應(yīng)電流，其方向可用右手定則判斷。如圖3-2所示，伸出右手，讓大拇指與其余四指垂直，并在同一平面內(nèi)，讓磁感線垂直穿過手心，大拇指指向?qū)w運動方向，那么其余四指所指的方向就是感應(yīng)電流的方向。

✈【教師】講解“砥節(jié)礪行”的內(nèi)容（詳見教材），引導學生了解奧斯特發(fā)現(xiàn)了電流的磁效應(yīng)

3.1.2 變壓器

1．變壓器的分類

根據(jù)用途的不同，變壓器可分為電力變壓器和特殊變壓器兩大類。其中，電力變壓器是一種在電力系統(tǒng)中進行輸配電的變壓器，常用的有升壓變壓器、降壓變壓器、配電變壓器等；特殊變壓器是針對特殊需要而制造的變壓器，如整流變壓器、工頻試驗變壓器、礦用變壓器、沖擊變壓器、電焊變壓器和電壓互感器等。

根據(jù)電源相數(shù)的不同，變壓器可分為單相變壓器、三相變壓器和多相變壓器三種。

2．變壓器的基本結(jié)構(gòu)

✈【教師】組織學生掃碼觀看“常用的變壓器”視頻（詳見教材），讓學生對相關(guān)知識有一個大致地了解

變壓器雖然種類繁多且用途各異，但都主要由鐵芯和繞組兩部分組成。

1）鐵芯

鐵芯是變壓器的磁路部分，它由鐵芯柱和鐵軛兩部分組成。其中，鐵芯柱上套有繞組；鐵軛上不套繞組，用于連接鐵芯柱以使磁路閉合。為了減小磁滯損耗及渦流損耗，鐵芯通常由表面涂有絕緣漆、厚度為0.35 mm或0.5 mm的硅鋼片疊裝而成。

2）繞組

繞組是指用于共同工作的互聯(lián)的線匝和（或）線圈的組合，它是變壓器的電路部分，可由一個或多個線圈串聯(lián)組成。其中，線圈通常由具有良好絕緣的漆包線、紗包線等繞制而成；線圈的層與層之間和匝與匝之間、線圈與鐵芯之間及不同線圈之間都要進行絕緣處理。

變壓器工作時，與電源連接的繞組稱為一次繞組（或初級繞組、原邊繞組），與負載連接的繞組稱為二次繞組（或次級繞組、副邊繞組）。通常，一、二次繞組的匝數(shù)不相等，匝數(shù)較多的繞組，其工作電壓較大，稱為高壓繞組；匝數(shù)較少的繞組，其工作電壓較小，稱為低壓繞組。為了便于在線圈和鐵芯之間進行絕緣處理，通常將低壓繞組安裝在靠近鐵芯的內(nèi)層，將高壓繞組套在低壓繞組的外面。

✈【教師】通過多媒體展示“芯式變壓器”和“殼式變壓器”圖片（詳見教材），幫助學生對這些內(nèi)容有更直觀地認識

根據(jù)鐵芯和繞組組合方式的不同，變壓器可分為芯式變壓器和殼式變壓器兩種。其中，芯式變壓器將繞組套在鐵芯柱上，結(jié)構(gòu)較為簡單，其多用于容量較大的變壓器；殼式變壓器的制造工藝復(fù)雜，其繞組被鐵芯包圍，通常用于容量較小的變壓器。

3．變壓器的銘牌數(shù)據(jù)

變壓器的額定值是指變壓器在規(guī)定使用環(huán)境和運行條件下的主要技術(shù)參數(shù)限定值。它通常標在銘牌上，故又稱為銘牌數(shù)據(jù)。變壓器的銘牌數(shù)據(jù)主要有額定電壓、額定電流、額定容量和額定頻率等，它們是選擇和使用變壓器的主要依據(jù)。

1）額定電壓

變壓器的額定電壓包括額定一次電壓和額定二次電壓。其中，額定一次電壓是指變壓器正常工作時一次繞組上指定施加的電壓，用表示；額定二次電壓是指當給一次繞組加上額定一次電壓時二次繞組空載所感應(yīng)出的指定電壓，用表示。例如，6 000 V/400 V表示額定一次電壓為6 000 V，額定二次電壓為400 V。

由于變壓器有內(nèi)阻抗電壓降，因此二次繞組的額定電壓一般比滿載（負載電壓為額定運行條件所規(guī)定的最高值）時的電壓大5%～10%。

2）額定電流

變壓器的額定電流是指當給變壓器施加額定一次電壓時，通過繞組兩端子之間的電流，其值等于繞組額定容量除以繞組額定電壓和相應(yīng)的相系數(shù)（單相變壓器的相系數(shù)為1；三相變壓器的相系數(shù)為）的乘積，它是根據(jù)絕緣材料允許的溫度來確定的。額定電流包括額定一次電流和額定二次電流。其中，額定一次電流是指當給變壓器施加額定一次電壓時，通過一次繞組端子的電流，用表示；額定二次電流是指當給變壓器施加額定一次電壓時，通過二次繞組端子的電流，用表示。

3）額定容量

額定容量是指二次繞組的額定電壓與額定電流的乘積，用表示。它是繞組的視在功率，單位為伏安（）。

單相變壓器的額定容量為

（3-8）

4）額定頻率

額定頻率是指變壓器在額定狀態(tài)下運行時一次繞組外加交流電壓的頻率。我國規(guī)定變壓器的額定頻率為50 Hz。

4．變壓器的工作原理

變壓器的工作原理即電磁感應(yīng)原理。若在變壓器的一次繞組中接入交流電，一次繞組的磁通勢產(chǎn)生的交變磁通將同時穿過一次繞組和二次繞組，并分別產(chǎn)生感應(yīng)電壓。下面以雙繞組的單相變壓器為例進行介紹。

✈【教師】通過多媒體展示“變壓器的結(jié)構(gòu)和圖形符號”圖片（詳見教材），幫助學生對這些內(nèi)容有更直觀地認識

其中，一次繞組的匝數(shù)為，輸入電壓為，輸入電流為，主磁通感應(yīng)電壓為，漏磁通感應(yīng)電壓為；二次繞組的匝數(shù)為，輸出電壓為，輸出電流為，主磁通感應(yīng)電壓為，漏磁通感應(yīng)電壓為。

1）電壓變換

對于一次繞組，由KVL可知

忽略繞組電壓降和漏磁通感應(yīng)電壓，則

因此

（3-9）

對于二次繞組，由KVL可知

若將圖3-5（a）中的開關(guān)S斷開，變壓器空載，，則二次繞組的電壓為

（3-10）

于是，一、二次繞組的電壓變換關(guān)系為

（3-11）

其中，K為變壓器的變比，即一、二次繞組的匝數(shù)之比。

由式（3-11）可以看出，當變壓器的輸入電壓一定時，只要改變一、二次繞組的匝數(shù)之比，就可得到不同的輸出電壓。當時，，，對應(yīng)的變壓器稱為降壓變壓器；反之，當時，，，對應(yīng)的變壓器稱為升壓變壓器。

2）電流變換

若將圖中的開關(guān)S閉合，即變壓器連接負載，則在感應(yīng)電壓的作用下，二次繞組中將有電流通過。二次繞組的磁通勢也會產(chǎn)生磁通，一次繞組中將產(chǎn)生感應(yīng)電流，這會使得一次繞組中的電流發(fā)生變化。將變壓器空載時一次繞組的電流記作，將接入負載后一次繞組的電流記作。于是，在變壓器空載時，主磁通由一次繞組的磁通勢決定；變壓器接入負載后，主磁通由一、二次繞組的合成磁通勢決定。