任务2 单相变压器的工作原理及极性判断

学习目标

（1）知道变压器空载状态的物理概念。

（2）解释变压器的原理。

（3）熟悉单相变压器绕组极性的概念和判别的方法。

任务描述

变压器能够将交流电压进行降压和升压的变换，那么，它是怎样工作的呢？输入电压和输出电压、变压器的高压绕组和低压绕组之间有什么关系呢？知道这些将对我们应用变压器有很大的帮助。

任务分析

要想掌握变压器的原理，需要根据变压器的连接特点将变压器分成变压器的空载运行和负载运行两种情况，根据这两种情况分别对变压器进行工作原理的分析。同样要想学会单相变压器绕组极性的测定方法，必须知道单相变压器绕组极性的意义及重要性，使我们能正确判断单相变压器的同名端。

相关知识

一、变压器的工作原理

变压器是按电磁感应原理工作的，一次绕组接在交流电源上，在铁心中产生交变磁通，从而在一次、二次绕组产生感应电动势，如图1-11所示。

1．变压器的空载运行和变压比

如图1-11所示，设一次绕组匝数为N1，端电压为U1；二次绕组匝数为N2，端电压为U2。则一次、二次绕组电压之比等于匝数比，即

n叫作变压器的变压比。

注意：式（1-1）在推导过程中，忽略了变压器一次、二次绕组的内阻，所以式（1-1）为理想变压器的电压变换关系。

2．变压器的负载运行和变流比

在变压器的二次绕组端加上负载|Z2|，如图1-12所示，流过负载的电流为I2，分析理想变压器一次、二次绕组的电流关系。

将变压器视为理想变压器，其内部不消耗功率，输入变压器的功率全部消耗在负载上，即

U1I1=U2I2

将上式变形代入式（1-1），可得理想变压器电流变换关系

3．变压器的阻抗变换作用

设变压器一次输入阻抗为|Z1|，二次负载阻抗为|Z2|，则

将

代入，得

因为

所以

即

可见，二次绕组接上负载|Z2|时，相当于电源接上阻抗为n2|Z2|的负载。变压器的这种阻抗变换特性在电子线路中常用来实现阻抗匹配和信号源内阻相等，使负载上获得最大功率。

【例1-1】 有一电压比为220V/110V的降压变压器，如果二次绕组接上55Ω的电阻，求变压器初级的输入阻抗。

解法1：次级电流

初级电流

输入阻抗

解法2：变压比

输入阻抗

变压器是利用电磁感应原理对交流电压、交流电流等进行数值变换的一种常用电气设备，它不能变换直流。变压器虽能改变电压、电流，但不能改变功率和频率。对于理想变压器，输入功率总等于输出的总功率，二次绕组交变电流的频率总等于一次绕组交变电流的频率。

虽然变压器的输入电压和输出电压之比与原副绕组的匝数成正比，但原副绕组的匝数不能太少，否则磁路中产生磁饱和，在一次绕组中通过的电流过大，烧毁变压器输入回路。

二、单相变压器绕组的极性

变压器绕组的极性反映变压器一次、二次绕组中的感应电动势之间的相位关系。当一台单相变压器单独运行时，它的极性对于运行情况没有任何影响。但一台三相变压器运行时，就要考虑变压器绕组的极性问题了。绕组的极性通常用同极性端（也称同名端）来标记。

1．变压器同名端的概念

在同一交流交变磁通Φ的作用下，几个绕组中产生的感应电动势在任何时刻都具有相同电势极性的端子称为同极性端或同名端。

如图1-13所示，变压器铁心上绕制的两个线圈1U1-1U2和2U1-2U2都被铁心中交变的主磁通Φ所穿过。在Φ增大的某个瞬间，根据楞次定律，线圈1U1-1U2的感应电动势E1U的方向是由1U2指向1U1，根据感应电流的方向，可判断出1U1端为正极性，即高电位端，1U2端为负极端，即低电位端。线圈2U1-2U2的感应电动势E2U的方向是由2U2指向2U1，得出2U1端为正极性，即高电位端，2U2端为负极端，即低电位端。可见，在Φ增大时，1U1和2U1具有相同的极性，1U2和2U2也具有相同的极性。用同样的方法可判断，在Φ减小时，1U1和2U1具有相同的极性，1U2和2U2也具有相同的极性。所以，对于图1-13所示的变压器绕组，1U1和2U1是一对同名端，1U2和2U2是另一对同名端。

为了正确连接变压器的绕组，通常变压器的同名端设有标记。同名端通常用“*”或“·”表示，还可以用“+”或“-”表示。

2．变压器极性的判别

（1）直观法

如图1-14所示，如果从绕组的某端通入直流电，产生的磁通方向一致的这些端点就是同名端（右手螺旋法则判别）。

① 电动势越串越大，则说明是两个线圈的异名端连接。

② 电动势越串越小，则说明是两个线圈的同名端连接。

（2）测试法

① 电压表法。如图1-15所示，测出电压U2和U3。

如果U3=U1+U2，则是异名端相连，即1U1和2U1是异名端。

如果U3=U1-U2，则是同名端相连，即1U1和2U1是同名端。

② 直流电流法。如图1-16所示，当合上开关S，如果直流毫安表量程调试，指针反应明显，说明1U1和2U1都处于高电位，则1U1与2U1是同名端。

思考题

一、选择题

1．变压器是利用（）原理制成的静止的电器设备。

A．电磁感应

B．楞次定律

C．欧姆定律

2．变压器不能改变交流电的（）。

A．电压大小

B．频率

C．电流大小

二、问答题

1．变压器的工作原理是什么？

2．变压器能否改变直流电压？变压器能否改变交流电的频率？

三、计算题

1．某一单相变压器，初级电压为220V，一次绕组是250匝，次级电压为5V，求变压器的变比K，二次绕组的匝数。

2．已知一单相变压器的初级电压U1=220V，一次绕组匝数N1=1100匝，次级电流I2=2 A，负载电阻上的功率为40 W，求负载电阻R及二次侧匝数N2。