1、 5.45.4变压器变压器 长江三峡大坝是世界上第一高水坝长江三峡大坝是世界上第一高水坝 交流电路中实现电压改变的重要 设备。 目标概览目标概览 学习目标学习目标： 1. 知道变压器的构造知道变压器的构造 2理解变压器的工作原理理解变压器的工作原理 3理解变压器的原理解变压器的原、副线圈中电压副线圈中电压 与匝数的关系与匝数的关系，能用它来分析解决基本问题能用它来分析解决基本问题 4知道互感器的原理及用处知道互感器的原理及用处 重点难点重点难点： 1.变压器的工作原理变压器的工作原理 2.推导变压器原、副线圈电流与匝数的关系推导变压器原、副线圈电流
2、与匝数的关系 一、变压器的构造一、变压器的构造 2.2.示意图示意图 一、变压器的构造一、变压器的构造 铁芯铁芯 原线圈原线圈 副线圈副线圈 3.3.电路图中符号电路图中符号 铁芯与线圈互相绝缘铁芯与线圈互相绝缘 n1 n2 1.1.构造：构造： （1 1）闭合铁芯）闭合铁芯 （2 2）原线圈）原线圈( (初级圈初级圈) ) 与电源相连与电源相连 （3 3）副线圈）副线圈( (次级圈次级圈) ) 与负载相连与负载相连 问题问题1 1：原、副线圈并没
3、有直接连接，那么在原、副线圈并没有直接连接，那么在 给原线圈接交变电压给原线圈接交变电压U U后，副线圈电后，副线圈电 压压U U是怎样产生的？是怎样产生的？ 2.2.套在变压器铁芯上的两只线圈起什么作用？套在变压器铁芯上的两只线圈起什么作用？ 3.根据分析，原、副线圈即使不套在闭合铁芯上，根据分析，原、副线圈即使不套在闭合铁芯上， 它们之间仍然存在电磁感应关系，那么为什么说它们之间仍然存在电磁感应关系，那么为什么说 铁芯是变压器的必要组成部分？铁芯是变压器的必要组成部分？ 思考与讨论思考与讨论 没有铁芯但靠得很近的原、副线圈的确存在
4、互感关没有铁芯但靠得很近的原、副线圈的确存在互感关 系，但它传输电能的效率太差，因为大部分磁感线系，但它传输电能的效率太差，因为大部分磁感线 都流失在线圈外，漏失的磁感线不会在原、副线圈都流失在线圈外，漏失的磁感线不会在原、副线圈 之间起传输电能作用。而铁芯由于被磁化，绝大部之间起传输电能作用。而铁芯由于被磁化，绝大部 分磁感线集中在铁芯上，大大增强了变压器传输电分磁感线集中在铁芯上，大大增强了变压器传输电 能的效率。能的效率。 原、副线圈有共同的铁芯，穿过它们的磁通量和磁原、副线圈有共同的铁芯，穿过它们的磁通量和磁 通量的变化时刻都相同，由于原、副线圈中有交变通量的变化时刻都相
5、同，由于原、副线圈中有交变 电流而发生了互感现象，使电能可以通过交变磁场电流而发生了互感现象，使电能可以通过交变磁场 从原线圈到达副线圈从原线圈到达副线圈 变压器通过闭合铁芯，利用互感现象实现了：变压器通过闭合铁芯，利用互感现象实现了： 电能电能 磁场能磁场能 电能电能转化转化 (U1、I1) (变化的磁场变化的磁场) ( U2、I2) 二、变压器的工作原理二、变压器的工作原理 思考：思考：若给原线圈接直流电压若给原线圈接直流电压U1,副线圈电压副线圈电压U2?
6、 =0 互感现象 无漏磁无漏磁- 无铜损无铜损-r r为零为零 无铁损无铁损-无涡流无涡流 理想变压 器的特点： 理想变压器模型理想变压器模型 没有能量损失的变压器没有能量损失的变压器 实际上变压器的效率都是比较高的，特别是电力设实际上变压器的效率都是比较高的，特别是电力设 备中的巨大变压器，在满负荷工作时效率可以达到备中的巨大变压器，在满负荷工作时效率可以达到 97%97%99%99%，所以理论研究时我们把它当成，所以理论研究时我们把它当成100%100%（理想（理想 变压器）是没有问题的。变压器）是没有问题的。 理想变压器也是一个 理想化模型
7、。 12 思考：原、副线圈的电压与什么因素有 关系？请你根据所学过的知识进行猜想。 三、变压器的变压规律三、变压器的变压规律 理论探究：理论探究：探究变压器线圈两端电探究变压器线圈两端电压与匝数的关系压与匝数的关系 I1 I2 n1 n2 U1 U2 原、副线圈中产生的原、副线圈中产生的 感应电动势分别是：感应电动势分别是： E E1 1=n=n1 1/ / t t E E2 2=n=n2 2/ / t t E1 1/n/n1 1= = E2 2/n/n2 2 原线圈回路有：原线圈回路有： U U1 1 E E1 1=I
8、=I1 1r r1 1 0 0 则则U U1 1=E=E1 1 副线圈回路有：副线圈回路有： E E2 2=U=U2 2 +I+I2 2r r2 2 U U2 2 则则U U2 2=E=E2 2 若不考虑原副线圈的内阻，则若不考虑原副线圈的内阻，则U U1 1=E=E1 1；U U2 2=E=E2 2 则：则：U U1 1/U/U2 2= n= n1 1/n/n2 2 理想变压器原副线圈的理想变压器原副线圈的端电压之比端电压之比等于等于 这两个线圈的这两个线圈的匝数之比匝数之比 n n2 2 n n1 1
9、U U2 2 U U1 1 - -升压变压器升压变压器 n n2 2 n n1 1 U U2 2 U U1 1 - -降压变压器降压变压器 U U1 1/U/U2 2= n= n1 1/n/n2 2 电压关系电压关系 从电流与匝数的关系可知，变压器高压线从电流与匝数的关系可知，变压器高压线 圈匝数多而通过的电流小，可用较细的导线绕圈匝数多而通过的电流小，可用较细的导线绕 制，低压绕圈匝数少而通过的电流大，应用较制，低压绕圈匝数少而通过的电流大，应用较 粗的导线绕制
10、粗的导线绕制 电流关系电流关系 由于不存在各种能量损失，输入功率等于由于不存在各种能量损失，输入功率等于 输出功率，即输出功率，即 ，也就是，也就是 所以有所以有 12 PP 1 12 2 U IU I 122 211 IUn IUn 1对副线圈只有一个的变压器对副线圈只有一个的变压器 由由 U1I1U2I2 U1 U2 n1 n2 I1 I2 n2 n1 2对副线圈有多个的变压器对副线圈有多个的变压器 由由 U1I1U2I2U3I3 U1 n1 U2 n2 U3 n3 n1I1n2I2n3I3 (
11、1)电压制约 当变压器原、副线圈的匝数比(n1/n2)一定时， 输出电压U2由输入电压决定，即U2n2U1/n1. (2)电流制约 当变压器原、副线圈的匝数比(n1/n2)一定， 且输入电压U1确定时，原线圈的电流I1由副 线圈中的输出电流I2决定，即I1n2I2/n1. (3)负载制约 变压器副线圈中的功率P2由用户负载决定， P2P负1P负2； 变压器副线圈中的电流I2由用户负载及电 压U2确定，I2P2/U2； 总功率P入P线P2. 即变压器的输入功率是由输出功率决定的 (4)对理想变压器进行动态分析的两种常见情 况 原、副线圈匝数比不变，分析各物理量随 负载电阻变化而变化的情况，进行动
12、态分析 的顺序是RI1P2P1I1. 负载电阻不变，分析各物理量随匝数比的 变化而变化的情况，进行动态分析的顺序是 n1、n2U2I2P2P1I1. 特别提醒： (1)理想变压器将电能由原线圈传给副线圈时 总是“量出为入”，即用户消耗多少，原线 圈就提供多少，因而输出功率决定输入功 率 (2)可以把理想变压器的副线圈看做给用户供 电的无内阻电源，对负载电路进行动态分析 时，可以参照直流电路动态分析的方法 U U1 1 I I1 1 I I2 2 n n1 1 n n2 2 U U2 2 R R 几个因果关系几个因果关系
13、1.输入功率输入功率P1由输出功率由输出功率P2决定；决定； P1P2 2.U1由电源决定；由电源决定； 3.U2由由U1和匝数比决定；和匝数比决定； U2n2/n1 U1 4.I2由由U2和负载决定；和负载决定； I2U2R 5.I1由由I2和匝数比决定；和匝数比决定； I1n2/n1 I2 几种常用变压器几种常用变压器 1.自耦变压器自耦变压器 升压变压器升压变压器 降压变压器降压变压器 问题问题: :有没有只用一组线圈来实现变压的变压器有没有只用一组线圈来实现变压的变压器? ? 自耦变压器的原自耦变压器的原 副线圈共
14、用一个线圈副线圈共用一个线圈 n1 n2 U1 U2 n1 n2 U1U1 U2U2U1 U2 n1 n2 U1U1 U2U2 n1 n2 学以致用，知识延伸学以致用，知识延伸 思考：交流电压表有一定的量度范围，它思考：交流电压表有一定的量度范围，它 的绝缘能力也有限，不能直接测量过高的的绝缘能力也有限，不能直接测量过高的 电压。如何测量高压线上的交流电压？电压。如何测量高压线上的交流电压？ 2.2.互感器互感器 A 电流互感器电流互感器 电压互感器电压互感器 V 使用时把原线圈与使用时把原线圈与 电路并联，原线圈匝电路并联，原线圈匝 数多于副线圈匝数数多于副线圈匝数
15、使用时把原线圈与使用时把原线圈与 电路串联，原线圈匝电路串联，原线圈匝 数少于副线圈匝数数少于副线圈匝数 钳式电流仪钳式电流仪 小结小结 理想变压的两个变：变电压、理想变压的两个变：变电压、 变电流变电流 理想变压器的两个不变：功率不变、理想变压器的两个不变：功率不变、 频率不变频率不变 原线圈对于电源而言，相当于用电器；原线圈对于电源而言，相当于用电器； 副线圈对于负载（用户）而言，相当于电源副线圈对于负载（用户）而言，相当于电源 理想变压器是一个既不消耗也不储存能量，理想变压器是一个既不消耗也不储存能量， 仅传输能量和信号仅传输能量和信号 电压高的线圈匝数多，电流小，用较细导线绕制； 电压
16、低的线圈匝数少，电流大，用较粗导线绕制 关于理想变压器的说法正确的是关于理想变压器的说法正确的是( ) A理想变压器不考虑铁芯漏磁与发热理想变压器不考虑铁芯漏磁与发热 B.U1 U2 n1 n2只适用于一个原线圈和一个副线圈组成的 只适用于一个原线圈和一个副线圈组成的 变压器变压器 C在理想变压器中，无论有几个线圈一定有输入功在理想变压器中，无论有几个线圈一定有输入功 率等于输出功率，即率等于输出功率，即 P入 入P出出 D在理想变压器中，如果有多个在理想变压器中，如果有多个(大于等于大于等于 3 个个)线线 圈同时工作圈同时工作I1 I2 n2 n1同样适用 同样适用 AC 关于
17、理想变压器在使用中的判断，其正确的 是 ( ) A当副线圈提供电能的用电器有一部分停 止工作时，原线圈两端电压保持不变 B当副线圈提供电能的电路中，并联更多 的用电器，原线圈输入的电流随之增大 C当副线圈与用电电路断开时，副线圈两 端无电压 D当副线圈与用电电路断开时，原线圈两 端无电压 答案：AB 课堂互动讲练课堂互动讲练 如图如图1743所示所示，原原、副线圈匝数比为副线圈匝数比为 21的理想变压器正常工作时的理想变压器正常工作时( ) 图图1743 对变压器原理的理解对变压器原理的理解 例例1 A原原、副线圈磁通量之比为副线圈磁通量之比为21 B原原、
18、副线圈电流之比为副线圈电流之比为12 C输入功率和输出功率之比为输入功率和输出功率之比为11 D原、副线圈磁通量变化率之比为原、副线圈磁通量变化率之比为11 【解析】【解析】 理想变压器原副线圈的磁通量总理想变压器原副线圈的磁通量总 相等相等(无漏磁无漏磁)，A 错错 D 对；输入功率总等于对；输入功率总等于 输出功率，输出功率，C 对；电流与匝数满足对；电流与匝数满足n1 n2 I2 I1， ，B 对对 【点评点评】 对于对于“口口”字形变压器，原、副线字形变压器，原、副线 圈中磁通量变化率相等，因此每匝产生的电动圈中磁通量变化率相等，因此
19、每匝产生的电动 势相等对于其他形状的铁芯，要具体分析势相等对于其他形状的铁芯，要具体分析 【解析】【解析】 理想变压器原副线圈的磁通量总理想变压器原副线圈的磁通量总 相等相等(无漏磁无漏磁)，A 错错 D 对；输入功率总等于对；输入功率总等于 输出功率，输出功率，C 对；电流与匝数满足对；电流与匝数满足n1 n2 I2 I1， ，B 对对 【答案答案】 BCD 【点评点评】 对于对于“口口”字形变压器，原、副线字形变压器，原、副线 圈中磁通量变化率相等，因此每匝产生的电动圈中磁通量变化率相等，因此每匝产生的电动 势相等对于其他形状的铁芯，要具体分析势相等对于其他形状的铁芯，要具体分
20、析 2.在图中，在图中，4个电灯的规格完全相同，而且都在正个电灯的规格完全相同，而且都在正 常发光，下述说法正确的有常发光，下述说法正确的有 An1n2=13 Bn1n2=31 C电源电压的有效值为一个电灯额定电压的电源电压的有效值为一个电灯额定电压的4倍倍 D电源的输出能量与变压器的输出能量相等电源的输出能量与变压器的输出能量相等 3.图中为一与电源相接的理想变压器。原线圈中 电流为，副线圈中的电流为。当副线圈中的负 载电阻减小时： 2121 2121 A IIB II C IID II 变小， 变小变小， 变大 变大， 变大变大， 变小 变式训练变式训练1 图图1744为某一变压器铁芯的示
21、为某一变压器铁芯的示 意图，已知原线圈匝数意图，已知原线圈匝数 n122 匝，副线圈匝数匝，副线圈匝数 n26 匝， 原线圈匝， 原线圈 ab 两端输入交流电压两端输入交流电压 u220 2 sint V，则副线圈，则副线圈 cd 端输出电压的有效值为端输出电压的有效值为 ( ) A200 V B110 V C30 V D220 V 解析：解析：选选 C.U1n1 t ，U2n2 t 2 . U1 U2 2n1 n2 ，U2 n2 2n1 U1 6 222 220 V30 V. 如图所示如图所示，变压器初次级线圈匝数分别为变压器初次级线圈匝数分别为 n11
22、000匝匝，n2500匝匝，n3200匝匝，次级线次级线 圈圈n2、n3分别接一个电阻分别接一个电阻R55 的灯泡的灯泡，初级初级 线圈上接入线圈上接入U220 V交流电交流电，求：求： (1)两次级线圈输出电功率之比两次级线圈输出电功率之比 (2)初级线圈中的电流初级线圈中的电流 变压器基本公式的应用变压器基本公式的应用 例例2 【解析】【解析】 (1)由由U1 U2 n1 n2， ，U1 U3 n1 n3 所以所以 U2U1n2 n1 U 2 ，U3n3U1 n1 U 5 又由又由 PU 2 R ，P2P3U2 2 U2 3 254. (2)I2U2 R 2 A，I3U3 R
23、0.8 A. 因因 P 入入P出出， 知， 知 n1I1n2I2n3I3， 解得， 解得 I11.16 A. 【答案答案】 (1)254 (2)1.16 A 【点评】【点评】 U1 U2 n1 n2既适用于一个副线圈的变压 既适用于一个副线圈的变压 器也适用于多个副线圈的变压器，而器也适用于多个副线圈的变压器，而I1 I2 n2 n1只 只 适用于一个副线圈的变压器，对于多级副线圈适用于一个副线圈的变压器，对于多级副线圈 工作的变压器工作的变压器求解的方法是：一定要从求解的方法是：一定要从 P 入入P 出出，PUI 入手求解入手求解 变式训练变式训练2 如图如图1746
24、所示，一理想变压器原副线圈的所示，一理想变压器原副线圈的 匝数比为匝数比为12；副线圈电路中接有灯泡，灯泡；副线圈电路中接有灯泡，灯泡 的额定电压为的额定电压为220 V，额定功率为，额定功率为22 W；原线圈；原线圈 电路中接有电压表和电流表现闭合开关，灯电路中接有电压表和电流表现闭合开关，灯 泡正常发光若用泡正常发光若用U和和I分别表示此时电压表和分别表示此时电压表和 电流表的读数，则电流表的读数，则( ) AU110 V，I0.2 A BU110 V，I0.05 A CU110 2 V，I0.2 A DU110 2 V，I0.2 2 A 解析：解析：
25、选选 A.由于灯泡正常发光，故灯泡两端电压由于灯泡正常发光，故灯泡两端电压 即副线圈两端电压为即副线圈两端电压为 U2220 V，通过灯泡的电，通过灯泡的电 流即副线圈中的电流为流即副线圈中的电流为 I2 22 220 A 0.1 A根据根据 理想变压器电压关系理想变压器电压关系 U1U2n1n2，得，得 U1 110 V，电流关系，电流关系 I1I2n2n1，得，得 I10.2 A， 则则 UU1110 V， II10.2 A 故选项 故选项 A 正确，正确， 选项选项 B、C、D 错误错误 中为一理想变压器，其原线圈与一电压有效值中为一理想变压器，其原线圈与一电压有效值 不变的交流电源相连
26、：不变的交流电源相连：P为滑动头现令为滑动头现令P从均从均 匀密绕的副线圈最底端开始，沿副线圈匀速上匀密绕的副线圈最底端开始，沿副线圈匀速上 滑，直至白炽灯泡滑，直至白炽灯泡L两端的电压等于其额定电压两端的电压等于其额定电压 为止用为止用I1表示流过原线圈的电流，表示流过原线圈的电流， 理想变压器各物理量的动态分析理想变压器各物理量的动态分析 例例3 I2表示流过灯泡的电流表示流过灯泡的电流，U2表示灯泡两端的电压表示灯泡两端的电压， N2表示灯泡消耗的电功率表示灯泡消耗的电功率(这里的电流这里的电流、电压均电压均 指有效值；电功率指平均值指有效值；电功率指平均值)下列下列4个图中
27、个图中，能能 够正确反映相应物理量的变化趋势的是够正确反映相应物理量的变化趋势的是( ) 图图1748 【自主解答】【自主解答】 滑动头向上匀速滑动， 副线圈匝数滑动头向上匀速滑动， 副线圈匝数 均匀增加与时间均匀增加与时间t成正比， 由成正比， 由U1 U2 n1 n2， 得： ， 得： U2n2U1 n1 ， 则则 U2与与 t 也成正比，选项也成正比，选项 C 正确；随着白炽灯变正确；随着白炽灯变 亮，其本身电阻也逐渐增大，灯泡的亮，其本身电阻也逐渐增大，灯泡的 It 图线斜图线斜 率逐渐减小，率逐渐减小，B 项正确；项正确； 由于副线圈输出功率增大， 原线圈的输
28、入功率也 增大，由 PUI 知，输入电流也要增大，故 A 错；灯泡消耗的功率 N2U22 R ，所以 N2与 U2 不成正比， 即 Nt 图象不满足正比例函数关系， 故 D 错 【答案答案】 BC 4对理想变压器进行动态分析的两种常见情况对理想变压器进行动态分析的两种常见情况 (1)原原、副线圈匝数比不变副线圈匝数比不变，分析各物理量随负载分析各物理量随负载 电阻变化而变化的情况电阻变化而变化的情况，进行动态分析的顺序是进行动态分析的顺序是 RI2P2P1I1. (2)负载电阻不变负载电阻不变，分析各物理量随匝数比的变化分析各物理量随匝数比的变化 而变化的情况而变化的情况，进行动态分析的顺序是进行动态分析的顺序是n1、 n2U2I2P2P1I1. 特别提醒：理想变压器的副线圈可看做给用户供特别提醒：理想变压器的副线圈可看做给用户供 电的无阻电源电的无阻电源，对负载电路进行动态分析时对负载电路进行动态分析时，可可 以参照直流电路动态分析的方法以参照直流电路动态分析的方法
