简易变压器的设计与特性研究最新版.doc

此文档收集于网络，如有侵权，请联系网站删除得分教师签名批改日期课程编号 题目类型 基础设计类实验 深 圳 大 学 实 验 报 告课程名称： 大学物理实验（三） 实验名称： 简易变压器的设计与特性研究 学院： 物理科学与技术学院 组号 指导教师： 报告人： 学号： 实验地点 科技楼B109 实验时间： 实验报告提交时间： 一、实验设计方案一、实验目的 1、了解变压器的基本构造；懂得变压器的基本工作原理； 2、对简单的升压变压器进行分析，初级电压和次级电压与线圈匝数之间的关系 ； 3、通过对升压变压器进行空载试验，测量空载损耗；4、与理论变压器相比，了解实际变压器的工作特点。二、实验原理1、变压器只能工作在交流电路。图1铁芯副线圈原线圈U112nnU22、互感现象是变压器工作的基础：变压器通过闭合铁芯，利用互感现象实现了电能到磁场能再到电能的转化。3、互感现象： 在变压器原、副线圈中由于有交变电流而发生互相感应的现象，叫做互感现象。4、变压器的工作原理变压器是利用电磁感应作用改变交流电压、电流和复阻抗的一种电器设备，通常包含两个静止线圈（绕组），也有含多个线圈的变压器使用时，两个线圈分别接交变电源和负载，通过交变磁场把电源输出的能量传送到负载中。加电源的线圈叫做一次绕组，接负载的线圈叫做二次绕组。一、二次绕组所在电路分别叫做电路（原边）及副电路（副边）。一、二次绕组的电压（有效值）一般不等，变压器即由此得名。5、变压器可分为铁芯变压器及空心变压器两大类。铁芯变压器是将一、二次绕组绕在一个铁芯上。铁芯是电源变压器的重要部件，对它的性能起着重要的作用。设计电源变压器的铁芯，包括以下几个主要内容： (1) 根据电流电路和工作频率，转换成铁芯对软磁材料的要求，选取适用软磁材料。 (2) 根据电源要求的性能指标，选取适用的铁芯结构形式。 (3) 根据传送功率和输入阻抗（输入电感），计算和选取铁芯尺寸。 (4) 根据变压器电磁场数学模型，进行铁芯和线圈参数计算。 (5) 根据使用要求，核算铁芯散热面积和工作温度。可以通过使用密封性更好的铁芯，使得磁感线通过量增加，电能-磁能-电能的过程中损耗更少，变压器的原副线圈工作更接近理想变压器（本次实验采用口型铁芯、E型铁芯、U型铁芯、一字型铁芯）。 6、线圈匝数的作用至关重要：理论上，为升高变压器二次侧电压，减少一次侧线圈数或增加二次侧线圈均可，但实际上，减少匝数就增加了磁密，但是线圈磁通量会增加。这一过程电磁感应定律。三、选用仪器仪器名称型号主要参数用途750接口CI7650阻抗1 M。最大的有效输入电压范围10 V数据采集处理计算机和DataStudioCI6874数据采集平台、数据处理电压传感器CI6503电压范围：10 V AC/DC数据采集U型铁芯SF-8614U大小、材质、形状提供铁芯PASCO基本线圈SF-8616200匝1个，400匝2个，800匝1个自制变压器其他元件电阻、电容、二极管、电位器4、 实验内容及具体步骤：1、如图2所示，安装好线圈和铁芯，左边的为初级线圈，右边的为次级感应线圈，记下初级线圈中输入电压的大小，读出感应线圈中输出电压大小。2、用一个400匝线圈为初级线圈，另一个400匝为次级线圈，输入1V交流电压，测出电压的输出值。图2 验证变压器工作与铁芯、线圈的关系3、在两线圈中插入直铁芯（即是U型铁芯上可拆卸的那一部分），然后重复步骤2，并记录下结果。4、把线圈放入开口的U型铁芯的两边，重复步骤2，记下结果。5、最后把直芯装上，重复步骤2，记录下结果。6、用有最大输出电压的那种方式分别测所有线圈组合，让输入电压恒为1V。二、数据记录与处理2.1 验证变压器工作与铁芯的关系 输入原线圈：1.00V、50Hz的正弦波交变电流，在原副线圈匝数比为400:400的情况下，测得副线圈的输出电压如图3所示。图3 变压器在不同铁芯下的U-t图 （1）匝数比400:400 E型铁芯有：（2）匝数比400:400 型封顶（即EE型）铁芯有：（3）匝数比400:400 U型铁芯有：（4）匝数比400:400 O型铁芯（即UU型，口型）有：理想升压变压器在匝数比400:400的条件下：，分析比较（1）（5），只有口型铁芯的情况最为接近理想变压器，但因电流通过线圈电阻发热时，一部分电能就转变为热能而损耗，因此实际匝数比大于1。通过实验数据，可以看出在O型铁芯下，副线圈输出电压最高，用U型铁芯的次之，然后用 型铁芯，最后是E型的铁芯。比较（1）和（2），发现多用另一根E型铁芯在上面会输出更高电压；比较（1）、（3）和（4），说明用U铁芯输出的电压比E型铁心要高，但比O型铁芯的要低好多。分析：结合法拉第电磁感应原理分析，当原线圈中通有交变电流时，铁芯中便产生交变磁通，使得副线圈中感应出电压（或者电流）。口型铁芯比U型、E型铁芯产生更大的交变磁通量，使得副线圈产生电压更高。 2.2 验证变压器工作与线圈的关系 输入原线圈：1.00V、50Hz的正弦波交变电流，测得副线圈的输出电压，如图4所示。 图4 变压器在不同线圈下的U-t图保持原线圈匝数为400和O型铁芯不变，对副线圈匝进行400、800、1600三次次实验，实验中测得副线圈匝数越多，升压变压器的副线圈输出电压越高。（为保证线路安全，不能将匝数比小于1/16）。输入原线圈1.00V、50Hz的正弦交变电流，在使用O型铁芯的情况不变。为原线圈电路电源到原线圈输出前的电压损耗，为O型铁芯的损耗，有：。(1)原副线圈匝数比为200:400时，有： 理想变压器相同条件下有： 相对误差 (2)原副线圈匝数比为200:800时，有： 理想变压器相同条件下有： 相对误差 (3)原副线圈匝数比为200:1600时，有： 理想变压器相同条件下，有： 相对误差根据以上数据，可分别得原副线圈理想电压比、实际电压比和相对误差与匝数比的拟合图y1、y2、y3，如图5所示。 图5变压器与线圈的关系由图5可知，原副线圈理想电压比、实际电压比均与线圈匝数比成线性正比关系；匝数比一定时，实际电压比比理想电压比高；原副线圈匝数比越大，其相对误差越小但仍不能忽略。因此，在保持O型线圈、原线圈匝数相同的情况下，升压变压器的副线圈匝数越多，输出电压越高。分析：副线圈匝数影响副线圈能通过的磁通量变化，进而影响升压变压器的输出电压。本次实验以法拉第电磁感应定律为基础，实验所得数据也符合电磁感应定律。3、 实验结果陈述与实验总结 3.1结果陈述通过验证各种变压器工作与铁芯的关系，得出口型铁芯的情况最为接近理想变压器；O型铁芯下，副线圈输出电压最高，用U型铁芯的次之，然后用 型铁芯，最后是E型的铁芯；多用另一根E型铁芯在上面会输出更高电压，U铁芯输出的电压比E型铁心要高，但比O型铁芯的要低好多的结论。这是因为口型铁芯比U型、E型铁芯产生更大的交变磁通量，使得副线圈产生电压更高。通过验证变压器工作与线圈的关系，得出原副线圈理想电压比、实际电压比均与线圈匝数比成线性正比关系；匝数比一定时，实际电压比比理想电压比高；原副线圈匝数比越大，其相对误差越小但仍不能忽略。在保持O型线圈、原线圈匝数相同的情况下，升压变压器的副线圈匝数越多，输出电压越高。这是因为副线圈匝数影响副线圈能通过的磁通量变化，进而影响升压变压器的输出电压。3.2实验总结 本次