变压器的应用与设计

教案三变压器的应用与设计

一．教学目标

终极目标：能够使用变压器与设计、制作小型电源变压器。

促成目标：1、能正确理解变压器的铭牌数据；

2、能根据要求列出变压器的主要参数；

3、能掌握小型电源变压器的铁芯结构、绕组结构及绝缘材料的使用；

4、能知道变压器的简单制作工序；

5、能根据要求掌握小型电源变压器的分析计算方法。

二．工作任务

1、根据电路的要求，确定变压器的主要参数并根据参数能正确选用变压器；

2、设计、制作一个小型电源变压器。

三．学时安排

模块１变压器的应用6学时

模块2 变压器的设计3学时

小型电源变压器制作与测试4学时

学生总结讨论发言及相互提问1学时

四．教学内容

模块１变压器的应用

变压器的主要作用是实现电压变换、电流变换和阻抗变换。

1、电压变换(降压变压器)：如图3-1，通过变压器可把网电压变为所需的低电压。

图3-1

2、电流变换：如图3-2，通过电流互感器可把大电流变为小电流，方便测量。

图3-2

3、阻抗变换：如图3-3，通过变压器能实现扬声器阻抗与电源内阻匹配，获得最大功率。

图3-3

其工作任务是：（1）读懂电路中标明的是哪类变压器，在电路中起什么作用？

（2）根据电路的要求，确定变压器的主要参数并根据参数能正确选用变压器；

（3）理解变压器为什么能实现电压变换、电流变换和阻抗变换，掌握变压器是怎么实现电压变换、电流变换和阻抗变换的。

（一）相关实践知识

1、变压器的认识

变压器是根据电磁感应原理制成的一种静止的电气设备，是将某一种电压、电流、相数的电能转变成另一种电压、电流、相数的电能。它具有电压变换、电流变换、阻抗变换

和电气隔离的功能，在工程的各个领域获得广泛的应用。

1.1变压器的基本结构：由铁芯与绕组两部分构成。（如图3-4所示）

1.2变压器的用途：（1）变换交流电压：电力系统传输电能的升压变压器、降压变压器、配电变

压器等电力变压器及各类电气设备电源变压器；

（2）变换交流电流：电流互感器及大电流发生器；

（3）变换阻抗：电子线路中的输入输出变压器。

（4）电气隔离：隔离变压器

图3-4

2、变压器的种类

（1）按用途分：电力变压器、电源变压器、整流变压器（整流电路用）、电炉变压器（给电炉供电，二次側电压较低，电能→热能）、电焊变压器（给电焊机供电）、矿用变压器（干式防爆）、

仪用变压器（用在测量设备中）、船用变压器、电子变压器（用在电子线路中）、电流互感器、电压互感器等；

（2）按相数分：单相变压器、三相变压器；

（3）按频率分：高频变压器（开关电源）、中频变压器（中频加热、淬火）、工频变压器；（4）按冷却介质分：油浸变压器、干式变压器（空气自冷）、水冷变压器；

（5）按铁心形式分：心式变压器、壳式变压器；

（6）按绕组数分：双绕组变压器、自耦变压器、三绕组变压器、多绕组变压器。

3、变压器的铭牌数据

变压器的铭牌主要标示变压器的额定值，变压器的额定值是制造厂对变压器正常使用所作的规定，变压器在规定的额定值状态下运行，可以保证长期可靠的工作，并且有良好的性能。变压器的铭牌标注的额定值主要包括以下几方面：

（1）额定容量：是变压器在额定状态下的输出能力的保证值，单位用伏安(VA)、千伏安(kVA)或兆伏安(MVA)表示，额定容量是视在功率, 是指变压器副边额定电压和额定电流的乘积. 它不是变压器运行时允许输出的最大有功功率, 后者和负载的功率因数有关. 所以输出功率在数值上比额定容量小.由于变压器有很高运行效率，通常原、副绕组的额定容量设计值相等。（2）额定电压：是指变压器空载时端电压的保证值，根据变压器的绝缘强度和允许温升而规定的电压值，单位用伏(V)、千伏(kV)表示。三相变压器原边和副边的额定电压系指线电压。原边额定电压U1是指原边绕组上应加的电源电压(或输入电压),副边额定输出电压U2通常是指原边加U1时副边绕组的开路电压. 使用时原边电压不允许超过额定值(一般规定电压额定值允许变化±5%).考虑有载运行时变压器有内阻抗压降, 所以副边额定输出电压U2应较负载所需的额定电压高5-10%. 对于负载是固定的电源变压器, 副边额定电压U2有时是指负载下的输出电压. （3）额定电流：额定电流是指变压器按规定的工作时间(长时连续工作或短时工作或间歇断续工作)运行时原副边绕组允许通过的最大电流, 是根据绝缘材料允许的温度定下来的. 由于铜耗, 电流会发热. 电流越大,发热越厉害, 温度就越高. 在额定电流下, 材料老化比较慢. 但如果实际的电流大大超过额定值, 变压器发热就很厉害, 绝缘迅速老化, 变压器的寿命就要大大缩短.

（4）额定频率：使用变压器时, 还要注意它对电源频率的要求. 因为在设计变压器时, 是根据给定的电源电压等级及频率来确定匝数及磁通最大值的. 如果乱用频率, 就有可能变压器损坏. 例如一台设计用50Hz, 220V电源的变压器, 若用25Hz, 220V电源, 则磁通将要增加一倍, 由于磁路饱和, 激磁电流剧增,变压器马上烧毁. 所以在降频使用时, 电源电压必须与频率成正比下降。另外, 在维持磁通不变的条件下, 也不能用到400Hz, 1600V的电源上. 此时虽不存在磁路的饱和问题, 但是升频使用时耐压和铁耗却变成了主要矛盾. 因为铁耗与频率成1.5-2次方的关系. 频率增大时, 铁耗增加很多. 由于这个原因, 一般对于铁心采用0.35mm厚的热轧硅钢片的变压器, 50Hz时的磁通密度可达0.9-1T, 而400Hz时的磁通密度只能取到0.4T. 此外变压器用的绝缘材料的耐压等级是一定的, 低压变压器允许的工作电压不超过300-500V. 所以在升频使用时, 电源电压不能与频率成正比的增加, 而只能适当地增加.

（5）额定温升：变压器的额定温升是以环境温度+40ºC作参考，规定在运行中允许变压器的温度超出参考环境的最大温升。

（6）空载电流：变压器空载运行时激磁电流占额定电流的百分数。

（7）空载损耗：是指变压器在空载运行时的有功功率损失，单位以瓦(W)或千瓦(kW)表示。（8）短路电压：也称阻抗电压，系指一侧绕组短路，另一侧绕组达到额定电流时所施加的电压与额定电压的百分比。

（9）短路损耗：一侧绕组短路，另一侧绕组施以电压使两侧绕组都达到额定电流时的有功损耗，单位以瓦(W)或千瓦(kW)表示。