簡易變壓器的設(shè)計(jì)與特性研究版

1、課程編號題目類型 基礎(chǔ)設(shè)計(jì)類實(shí)驗(yàn)得分教師簽名批改日期大學(xué)實(shí)驗(yàn)報(bào)告課程名稱：大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)（三）實(shí)驗(yàn)名稱：簡易變壓器的設(shè)計(jì)與特性研究理科學(xué)與技術(shù)學(xué)院學(xué)院:組號 23 指導(dǎo)教師報(bào)告人學(xué)號實(shí)驗(yàn)地點(diǎn) 科技樓b109 一實(shí)驗(yàn)時(shí)間:20140510實(shí)驗(yàn)報(bào)告提交時(shí)間：20140519一、實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)方案x實(shí)驗(yàn)?zāi)康?、了解變壓器的基木構(gòu)造；懂得變壓器的基木工作原理；2、對簡單的升壓變壓器進(jìn)行分析，初級電壓和次級電壓與線圈匝數(shù)之間的關(guān)系；3、通過對升壓變壓器進(jìn)行空載試驗(yàn)，測量空載損耗；4、與理論變壓器相比，了解實(shí)際變壓器的工作特點(diǎn)。二、實(shí)驗(yàn)原理1、變壓器只能工作在交流電路。鎳書2、互感現(xiàn)象是變壓器工作的基礎(chǔ)：&quo

2、t;變壓器通過閉合鐵芯，利用互感現(xiàn)象實(shí)現(xiàn)了電°p 能到磁場能再到電能的轉(zhuǎn)化。3、互感現(xiàn)象：在變壓器原、副線圈中由于有交變電流而發(fā)生互和感應(yīng)的現(xiàn)象，叫做互感現(xiàn)象。圖14、變壓器的工作原理變壓器是利用電磁感應(yīng)作用改變交流電壓、電流和復(fù)阻抗的一種電器設(shè)備，通常 包含兩個(gè)靜止線圈（繞組），也有含多個(gè)線圈的變壓器使用吋，兩個(gè)線圈分別接交變電 源和負(fù)載，通過交變磁場把電源輸出的能量傳送到負(fù)載中。加電源的線圈叫做一次繞 組，接負(fù)載的線圈叫做二次繞組。一、二次繞組所在電路分別叫做電路（原邊）及副 電路（副邊）。一、二次繞組的電壓（有效值）一般不等，變壓器即由此得名。5、變壓器可分為鐵芯變壓器及空心變

3、壓器兩大類。鐵芯變壓器是將一、二次繞組 繞在一個(gè)鐵芯上。鐵芯是電源變壓器的重要部件，對它的性能起著重要的作用。設(shè)計(jì) 電源變壓器的鐵芯，包括以下幾個(gè)主要內(nèi)容：（1）根據(jù)電流電路和工作頻率，轉(zhuǎn)換成鐵芯對軟磁材料的要求，選取適用軟磁材 料。（2）根據(jù)電源要求的性能指標(biāo)，選取適用的鐵芯結(jié)構(gòu)形式。（3）根據(jù)傳送功率和輸入阻抗（輸入電感），計(jì)算和選取鐵芯尺寸。（4）根據(jù)變壓器電磁場數(shù)學(xué)模型，進(jìn)行鐵芯和線圈參數(shù)計(jì)算。（5）根據(jù)使用要求，核算鐵芯散熱面積和工作溫度。可以通過使用密封性更好的鐵芯，使得磁感線通過量增加，電能磁能電能的過 程屮損耗更少，變壓器的原副線圈工作更接近理想變壓器（木次實(shí)驗(yàn)采用口型鐵芯、

4、e型鐵芯、u型鐵芯、一字型鐵芯）。6、線圈匝數(shù)的作用至關(guān)重要：理論上，為升高變壓器二次側(cè)電壓，減少一次側(cè) 線圈數(shù)或增加二次側(cè)線圈均可，但實(shí)際上，減少匝數(shù)就增加了磁密，但是線圈磁通量 會增加。這一過程電磁感應(yīng)定律。三、選用儀器儀器名稱型號主要參數(shù)用途750 接口ci7650阻抗1 mq。最大的有效輸入電壓范圍±10 v數(shù)據(jù)采集處理計(jì)算機(jī)和datastudioci6874數(shù)據(jù)采集平臺、數(shù)據(jù)處理電壓傳感器ci6503電壓范圍：±10 v ac/dc數(shù)據(jù)采集u型鐵芯sf-8614u大小、材質(zhì)、形狀提供鐵芯pasco基木線圈sf-8616200 匝 1 個(gè)，400 匝 2 個(gè)，800

5、 匝1個(gè)自制變壓器其他元件電阻、電容、二極管、電位器四、實(shí)驗(yàn)內(nèi)容及具體步驟：1、如圖2所示，安裝好線圈和鐵芯，左邊的為初級線圈，右邊的為次級感應(yīng)線圈, 記下初級線圈屮輸入電壓的大小，讀岀感應(yīng)線圈 屮輸出電壓大小。2、用一個(gè)400匝線圈為初級線圈，另一個(gè) 400匝為次級線圈，輸入iv交流電壓，測出電壓 的輸出值。3、在兩線圈屮插入直鐵芯（即是u型鐵芯 上可拆卸的那一部分），然后重復(fù)步驟2,并 圖2驗(yàn)證變壓器工作與鐵芯、線圈的關(guān)系 記錄下結(jié)果。4、把線圈放入開口的u型鐵芯的兩邊，重復(fù)步驟2,記下結(jié)果。5、最后把直芯裝上，重復(fù)步驟2,記錄下結(jié)果。6、用冇最大輸出電壓的那種方式分別測所冇線圈組合，讓輸

6、入電壓恒為iv。480.01080441.0$0.«3.«900.100.11口*»)二、數(shù)據(jù)記錄與處理2.1驗(yàn)證變壓器工作與鐵芯的關(guān)系 輸入原線圈：1.00v、50hz的正弦 波交變電流，在原副線圈匝數(shù)比為 400:400的情況下,測得副線圈的輸出 電壓如圖3所示。圖3變壓器在不同鐵芯下的u-t圖（1）匝數(shù)比400:400 e型鐵芯冇：如=丄222 = 8.929£2 0.112（2）匝數(shù)比400:400 0型封頂（即ee型）鐵芯有：a = _l222 = 3.690e2 0.271（3）匝數(shù)比 400:400 u 型鐵芯有：a = 1222 = 3.

7、058e2 0.327（4）匝數(shù)比400:400 0型鐵芯（即uu型，口型）有：a = l222 = i,412e2 0.708理想升壓變壓器在匝數(shù)比400:400的條件-門垃二型 =1,分析比較（1廠（5）, e2 1.000只有口型鐵芯的情況最為接近理想變壓器，但因電流通過線圈電阻發(fā)熱時(shí)，一部分電 能就轉(zhuǎn)變?yōu)闊崮芏鴵p耗，因此實(shí)際匝數(shù)比大于1。通過實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，可以看岀在0型鐵芯下，副線圈輸出電壓最高，用u型鐵芯的次 z,然后用（）型鐵芯，最后是e型的鐵芯。比較（1）和（2）,發(fā)現(xiàn)多用另一根e型 鐵芯在上而會輸岀更高電壓；比較（1）、（3）和（4）,說明用u鐵芯輸出的電壓比e 型鐵心要高，但比0

8、型鐵芯的要低好多。分析：結(jié)合法拉第電磁感應(yīng)原理分析，當(dāng)原線圈屮通冇交變電流時(shí)，鐵芯屮便產(chǎn) 生交變磁通，使得副線圈屮感應(yīng)出電壓（或者電流）。口型鐵芯比u型、e型鐵芯產(chǎn)生 更大的交變磁通量，使得副線圈產(chǎn)生電壓更高。2.2驗(yàn)證變壓器工作與線圈的關(guān)系圖4變壓器在不同線圈下的u-t圖輸入原線圈:1.00v. 50hz的正弦i波交變電流，測得副線圈的輸出電壓，1 如圖4所示。保持原線圈匝數(shù)為400和0型鐵芯:' 不變，對副線圈匝進(jìn)行400、800、1600弓 三次次實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)屮測得副線圈匝數(shù)越 多，升壓變壓器的副線圈輸出電壓越： 高。（為保證線路安全，不能將匝數(shù)比 小于l/16）o輸入原線圈1.0

9、0v、50hz的正弦交變電流，在使用0型鐵芯的情況不變。垃為原 線圈電路電源到原線圈輸出前的電壓損耗，場為0型鐵芯的損耗，有：e = el+e2原副線圈匝數(shù)比為200:400時(shí)，冇:f理想變壓器相同條件下有：邑= 0.5e.e邑-0.5相對誤差p =空* 100% = 35%0.5(2)原副線圈匝數(shù)比為200:800時(shí)，冇:f理想變壓器相同條件下有：邑= 0.25e.相對誤差p =e邑-0.25雖0.25*100% = 36%原副線圈匝數(shù)比為綱誠時(shí)，儀|= = 0.171f理想變壓器相同條件下，有：邑= 0.125 e.相對誤差p 二一0125旦0.125*100% = 36.8%根據(jù)以上數(shù)據(jù)

10、，可分別得原副線圈理想 電壓比、實(shí)際電壓比和相對誤差與匝數(shù)比的 擬合圖yl、y2、y3,如圖5所示。由圖5可知，原副線圈理想電壓比、實(shí) ， 際電壓比均與線圈匝數(shù)比成線性正比關(guān)系；”匝數(shù)比一定時(shí)，實(shí)際電壓比比理想電壓比 高；原副線圈匝數(shù)比越大，其相對誤差越小 但仍不能忽略。5因此，在保持0型線圈、原線圈匝數(shù)相圖5變壓器與線圈的關(guān)系同的情況下，升壓變壓器的副線圈匝數(shù)越多，輸出電壓越高。分析：副線圈匝數(shù)影響副線圈能通過的磁通量變化，進(jìn)而影響升壓變壓器的輸出 電壓。本次實(shí)驗(yàn)以法拉第電磁感應(yīng)定律為基礎(chǔ)，實(shí)驗(yàn)所得數(shù)據(jù)也符合電磁感應(yīng)定律。圖5變壓器與線圈的關(guān)系三、實(shí)驗(yàn)結(jié)果陳述與實(shí)驗(yàn)總結(jié)3. 1結(jié)果陳述通過驗(yàn)

11、證各種變壓器工作與鐵芯的關(guān)系，得出口型鐵芯的情況最為接近理想變壓 器；0型鐵芯下，副線圈輸出電壓最高，用u型鐵芯的次z,然后用0型鐵芯，最后 是e型的鐵芯；多用另一根e型鐵芯在上面會輸岀更高電壓，u鐵芯輸出的電壓比e 型鐵心要高，但比0型鐵芯的要低好多的結(jié)論。這是因?yàn)榭谛丸F芯比u型、e型鐵芯 產(chǎn)生更大的交變磁通量，使得副線圈產(chǎn)生電壓更高。通過驗(yàn)證變壓器工作與線圈的關(guān)系，得出原副線圈理想屯壓比、實(shí)際電壓比均與 線圈匝數(shù)比成線性止比關(guān)系；匝數(shù)比一定時(shí)，實(shí)際電壓比比理想電壓比高；原副線圈 匝數(shù)比越大，其相對誤差越小但仍不能忽略。在保持0型線圈、原線圈匝數(shù)相同的情 況下，升壓變壓器的副線圈匝數(shù)越多，輸出電壓越高。這是因?yàn)楦本€圈匝數(shù)影響副線 圈能通過的磁通量變化，進(jìn)而影響升壓變壓器的