課題

變壓器與三相異步電動機（一）——認(rèn)識變壓器

課時

2課時（90 min）

教學(xué)目標(biāo)

知識技能目標(biāo)：

（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)�單相變壓器的變比及外特性進行測試

素質(zhì)目標(biāo)：

（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(xué)重難點

教學(xué)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(xué)難點：對單相變壓器的變比及外特性進行測試

教學(xué)方法

案例分析法、問答法、討論法、講授法

教學(xué)用具

電腦、投影儀、多媒體課件、教材

教學(xué)過程

主要教學(xué)內(nèi)容及步驟

課前任務(wù)

【教師】布置課前任務(wù)，和學(xué)生負責(zé)人取得聯(lián)系，組織學(xué)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(xué)通過文旌課堂APP或其他學(xué)習(xí)軟件，了解變壓器的相關(guān)知識

【學(xué)生】完成課前任務(wù)

考勤

【教師】簽到

【學(xué)生】班干部報請假人員及原因

任務(wù)導(dǎo)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(xué)生】思考、舉手回答

傳授新知

【教師】通過學(xué)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(xué)生掃碼觀看“磁通與磁路的分類”視頻（詳見教材），讓學(xué)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。空心載流線圈產(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(dāng)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(dǎo)率

磁導(dǎo)率μ是用于衡量物質(zhì)導(dǎo)磁能力大小的物理量，其單位為亨每米（H/m）。真空中的磁導(dǎo)率為一個常數(shù)，用表示，即。為了便于比較，通常用相對磁導(dǎo)率來表示不同物質(zhì)的導(dǎo)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(dāng)于電路中的電動勢，它是一個標(biāo)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(dǎo)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

【點撥】

在表3-5中，γ為電導(dǎo)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(dǎo)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(xué)生對這些內(nèi)容有更直觀地認(rèn)識

對于閉合導(dǎo)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)�體運動方向，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(dǎo)學(xué)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(xué)生掃碼觀看“常用的變壓器”視頻（詳見教材），讓學(xué)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(xué)生對這些內(nèi)容有更直觀地認(rèn)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(biāo)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(dāng)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(dāng)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(dāng)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(dāng)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(xué)生對這些內(nèi)容有更直觀地認(rèn)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(dāng)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(dāng)時，，，對應(yīng)的變壓器稱為降壓變壓器；反之，當(dāng)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。

從式（3-9）可以看出，當(dāng)和f不變時，和也基本不變。也就是說，無論空載還是負載，鐵芯中主磁通的最大值都基本不變，因此

由于空載電流很小，其有效值為一次繞組額定電流的2%～10%，可忽略不計，因此

                                                             （3-12）

于是，一、二次繞組的電流變換關(guān)系為

                                                            （3-13）

式（3-13）表明變壓器一、二次繞組的電流之比與它們的匝數(shù)成反比。其中，一次繞組的電流由變壓器所接負載的電流決定。

3）阻抗變換

變壓器不但能變換電壓和電流，還能變換阻抗。在變壓器中，設(shè)一、二次繞組的內(nèi)阻、漏磁通及空載電流均忽略不計，則負載的阻抗模為

✈【教師】通過多媒體展示“負載阻抗的等效變換”圖片（詳見教材），幫助學(xué)生對這些內(nèi)容有更直觀地認(rèn)識

如圖所示的方框部分可以用一個阻抗模來等效代替。則有

由式（3-11）和式（3-13）可得

因此

                                                            （3-14）

式（3-14）表明，負載阻抗模經(jīng)過變壓器的阻抗變換后，擴大了倍。為了達到電路的匹配狀態(tài)，使負載獲得最大輸出功率，可采用具有合適變比的變壓器，把負載阻抗模變換為所需要的數(shù)值，這種方法稱為阻抗匹配。

5．變壓器的外特性

✈【教師】組織學(xué)生掃碼觀看“變壓器的應(yīng)用”視頻（詳見教材），讓學(xué)生對相關(guān)知識有一個大致地了解

變壓器帶負載運行時，二次繞組上存在阻抗，可產(chǎn)生電壓降，這就使得二次繞組的電壓隨負載電流的變化而變化。變壓器的外特性是指在電源電壓和負載功率因數(shù)不變的條件下，二次繞組的電壓隨電流變化的規(guī)律，即。對電阻性和電感性負載而言，電壓隨電流的增大而減小，而電容性負載則相反。

✈【教師】通過多媒體展示“變壓器的外特性曲線”圖片（詳見教材），幫助學(xué)生對這些內(nèi)容有更直觀地認(rèn)識

通常情況下，電壓的變化越小越好。從空載到額定負載，二次繞組電壓的變化程度用電壓變化率ΔU表示，即

                                                    （3-15）

電壓變化率是變壓器的主要性能指標(biāo)之一，它反映了變壓器輸出電壓的穩(wěn)定性。在一般的變壓器中，由于其電阻和漏磁通均很小，因此電壓變化率也較小，約為5%。

【學(xué)生】聆聽、思考、理解、記錄

課堂實踐

【教師】準(zhǔn)備器材，帶領(lǐng)學(xué)生到實驗室進行試驗操作

連接電路

1）測試單相變壓器的變比

單相變壓器的一次繞組接入額定電壓，二次繞組不接負載，測量一次繞組電壓和二次繞組空載電壓，計算變比。計算結(jié)果為           。

2）測試單相變壓器的外特性

保持額定電壓不變，然后在二次繞組中逐個接通白熾燈，每次分別測量、、，并將測量結(jié)果填入表3-3中。根據(jù)測量結(jié)果繪制曲線，并計算單相變壓器的電壓變化率ΔU。計算結(jié)果為             。

表3-3  單相變壓器外特性測量結(jié)果

【學(xué)生】以小組為單位進行試驗，根據(jù)分工填寫“任務(wù)工單——測試單相變壓器的變比和外特性”

【教師】巡堂輔導(dǎo)，及時解決學(xué)生遇到的問題，根據(jù)學(xué)生表現(xiàn)填寫考核評價表

探索活動

【教師】組織學(xué)生以小組為單位完成以下任務(wù)：

變壓器廣泛應(yīng)用于各行各業(yè)。請查找身邊的變壓器應(yīng)用實例，查閱有關(guān)資料，分析其工作原理和技術(shù)數(shù)據(jù)。

【學(xué)生】查閱、分析、討論，由小組代表上臺發(fā)表討論結(jié)果

【教師】與學(xué)生一起評價各組的發(fā)言，并進行總結(jié)

課堂小結(jié)

【教師】簡要總結(jié)本節(jié)課的要點

磁路的基本物理量、歐姆定律和電磁感應(yīng)定律

變壓器的分類、基本結(jié)構(gòu)、銘牌數(shù)據(jù)、銘牌數(shù)據(jù)和外特性

測試單相變壓器的變比和外特性

【學(xué)生】總結(jié)回顧知識點