單相變壓器實(shí)驗(yàn)式教學(xué)方法研究

方潔 歐陽艷蓉 李本雄

【摘 要】單相變壓器是《電工技術(shù)》理論知識(shí)的實(shí)際應(yīng)用，但是其知識(shí)較為抽象，若從純理論的角度講授，學(xué)員很難透徹理解相關(guān)知識(shí)。本文改變傳統(tǒng)的“滿堂灌”的授課方式，以理論與實(shí)踐相結(jié)合的方式進(jìn)行講授，對單相變壓器實(shí)驗(yàn)式教學(xué)方式進(jìn)行了研究。

【關(guān)鍵詞】單相變壓器 變電壓 變電流 變阻抗

變壓器的種類有很多，常見的有電力變壓器、電壓互感器、整流變壓器、調(diào)壓變壓器等等，雖然它們的外部結(jié)構(gòu)各不相同，但它們的內(nèi)部結(jié)構(gòu)和基本原理卻大致相同。下面讓我們以最基礎(chǔ)的單相變壓器為例，一起來分析變壓器內(nèi)部的主要組成部分。

一、內(nèi)部結(jié)構(gòu)

如圖1所示，這是一臺(tái)單相芯式變壓器，將其拆分，可以發(fā)現(xiàn)它主要由鐵芯和繞組兩大部分組成。常用的鐵芯在工頻條件下一般采用具有絕緣層的0.35—0.5mm厚的硅鋼片疊成，采用硅鋼是因?yàn)樗膶?dǎo)磁性能較好。那為什么不直接用一整塊硅鋼而要用硅鋼片疊加而成呢？在學(xué)習(xí)了鐵磁性材料的相關(guān)知識(shí)后，我們知道經(jīng)過這樣的處理能夠減小鐵芯中的渦流損耗。繞組為變壓器的電路部分，通常用絕緣的銅線或鋁線繞制而成，與電源相連的繞組為原邊繞組，也叫作初級繞組;與負(fù)載相連的繞組為副邊繞組，也叫作次級繞組。

如果在變壓器的原邊側(cè)接入交流電源，用開關(guān)控制原邊電路的通斷，副邊接入額定值適當(dāng)?shù)臒襞?，請大家想一想，如果閉合開關(guān)，燈泡會(huì)出現(xiàn)怎樣的現(xiàn)象？有學(xué)員認(rèn)為燈會(huì)一直熄滅，因?yàn)樵崩@組之間并沒有直接的電路連接，能量無法從原邊傳至副邊，事實(shí)真是如此嗎？我們通過實(shí)驗(yàn)來觀察現(xiàn)象。根據(jù)原理圖連接電路，閉合開關(guān)，燈會(huì)發(fā)光，說明副邊側(cè)有電流流過，事實(shí)上雙繞組變壓器繞組與繞組之間、繞組與鐵芯之間相互絕緣，能量如何從原邊傳至副邊呢？變壓器的工作原理又是什么呢？

二、工作原理

在一個(gè)變壓器的原邊側(cè)接入交流電源，閉合開關(guān)，有電壓、有閉合的回路，原邊出現(xiàn)交流電流，電會(huì)生磁，原邊電流所產(chǎn)生的磁通經(jīng)過鐵芯來到副邊繞組構(gòu)成一個(gè)閉合的磁路。電流是變化的，所以磁通量也會(huì)發(fā)生變化，而變化磁又能夠生電，副邊繞組兩端將產(chǎn)生感應(yīng)電動(dòng)勢，這樣負(fù)載兩端也會(huì)有電壓，副邊構(gòu)成閉合回路后，副邊也會(huì)有電流出現(xiàn)，原邊電流對副邊有影響，副邊同樣對原邊也有影響，在互感和自感的共同作用下，原邊也會(huì)出現(xiàn)感應(yīng)電動(dòng)勢。根據(jù)以上的分析過程，大家再思考一下，變壓器是通過什么在進(jìn)行傳遞能量？是鐵芯嗎？其實(shí)更確切地說，它是借助鐵芯通過磁場在傳遞能量，所以變壓器的工作原理是電磁感應(yīng)。

三、主要功能

（一）變電壓

圖2為空載電壓原理圖，通過實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)來說明。已知原邊繞組匝數(shù)N1為2510匝，副邊繞組匝數(shù)N2為108匝，所以N1/N2等于23.2?，F(xiàn)在讓副邊處于空載狀態(tài)，不接入負(fù)載，原邊接入市電，檢查無誤后閉合開關(guān)K1，用萬用表測量此時(shí)原副兩邊的電壓值。請大家比較這組數(shù)據(jù)，看一下有什么規(guī)律？規(guī)律即是：繞組匝數(shù)多的這一側(cè)電壓高，繞組匝數(shù)少的這一側(cè)電壓低，并且在忽略損耗和誤差的情況下，N1除以N2值與U1除以U2的值大致相等。那這個(gè)結(jié)論僅僅只是偶然現(xiàn)象嗎？

圖3為變壓器有載工作原理示意圖分析。變壓器在有載工作時(shí)，原邊繞組中有電流i1通過，副繞組和負(fù)載中有電流i2通過，忽略繞組電阻和漏磁通等產(chǎn)生損耗，則可認(rèn)為變壓器的輸入功率等于輸出功率，因此或

同樣可以通過實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證該結(jié)論。

（三）變阻抗

電路中的電壓和電流都能發(fā)生改變，那阻抗值又會(huì)發(fā)生怎樣的變化呢？定性分析：原邊電壓等于副邊電壓的K倍，原邊電流等于副邊的1/K，所以原邊的阻抗值等于副邊阻抗值的K2，在電子線路中經(jīng)常利用變壓器阻抗變換的功能達(dá)到阻抗匹配，實(shí)現(xiàn)最大功率傳輸。

【參考文獻(xiàn)】

[1]沈裕鐘.電工學(xué)[M].北京：高等教育出版社，2007：179-182.

[2]竇光友.電工電子技術(shù)基礎(chǔ)[M].上海：上海交通大學(xué)出版社，2008：118-126.