电路基础技术 4

——三、教学设计页（理论和实训结合课程，按4学时/单元设计） 一、授课信息第5单元磁路与铁芯线圈电路5.1磁路及磁性材料5.2变压器授课学时4学时授课对象***班授课形式PPT、仿真测试、硬件测试授课地点**授课时间第X周周X下午二、教学分析教学内容教学内容理论内容磁感应强度、磁通、磁导率、磁滞特性、磁路、磁路欧姆定律、电磁铁、变压器结构、变压/变流/变阻抗原理、三相变压器、特殊变压器（自耦变压器/电压互感器/电流互感器）实践内容虚拟仿真实训：仿真测试交流变压器的变压比和变阻比的关系虚拟仿真实训：仿真测试继电器功能测试硬件测试实训13：测量交流变压器的变压比硬件测试实训14：继电器功能测试岗位分析知识要求

掌握磁场基本物理量、磁性材料的磁性能、磁路欧姆定律、铁芯线圈电路特性、变压器的工作原理及三相变压器和特殊变压器的应用。

2.技能要求

能正确分析磁路和铁芯线圈电路，能计算变压器的变压比、变流比和变阻抗比，能识别和使用常用变压器，能判断绕组同名端。

3.素质要求

具备电磁兼容的系统思维，树立节能降耗的环保意识，养成规范使用电气设备的职业习惯。学情分析知识基础

学生已掌握电路基本定律和交流电路分析方法，但对磁路概念和电磁耦合关系较为陌生，缺乏磁场分析的基础。

2.能力基础

具备基本的电路分析和仪表使用能力，但对抽象的磁路概念和电磁感应原理理解有困难。

3.学习特点

动手兴趣较浓，偏向形象化学习，对抽象的磁场和磁路概念容易产生困惑，需结合实物、仿真和实验增强理解。教学目标知识目标

准确说出磁场基本物理量及其关系，正确理解磁性材料的磁性能和磁路欧姆定律，表述变压器的工作原理，写出变压、变流、变阻抗的公式。能力目标

能正确分析磁路和铁芯线圈电路，能熟练计算变压器的变比和阻抗匹配，能判断绕组同名端，能正确使用和连接常用变压器。素质目标

培养电磁统一的辩证思维，增强节能降耗和安全用电意识，提升系统分析和工程实践能力。思政目标

通过中国特高压输电技术和变压器装备的自主创新历程，认识核心技术自主可控的重要性，增强科技报国的使命感；通过磁路与电路的类比学习，体会举一反三、辩证统一的科学思维方法；通过变压器损耗与效率的学习，树立节能降耗的绿色发展理念。教学重点磁性材料磁性能、变压器工作原理及计算教学难点变压器变压比，变流比，变阻比、同名端判断三、教学策略教学理念线上线下、理论和虚拟仿真相结合教学方法PPT讲述、视频教学、课堂提问、仿真和硬件测试，小组讨论教学资源微课视频、PPT课件、测试题、作业题、配套教材的仿真案例四、教学过程课前导学1.为什么变压器能改变电压？它能改变直流电压吗？

2.磁路和电路有什么相似之处？又有什么本质区别？

3.远距离输电为什么要用高压？变压器在其中起什么作用？课中实施【课堂导入】

展示手机充电器、电源变压器、电力变压器等实物，提问"这些设备是怎么改变电压的？为什么远距离输电要用高压？"，以此引出磁路和变压器的学习。PPT、实物展示，5分钟。

【理论知识讲解】

5.1磁路及磁性材料（磁场物理量、磁性材料、磁路欧姆定律、铁芯线圈、电磁铁），PPT、视频，40分钟

5.2变压器（基本结构、变压/变流/变阻抗原理、特性与额定值、三相及特殊变压器、同名端），PPT、视频，40分钟

【总结与讨论】磁路与电路对比、变压器计算、同名端判断，小组讨论，10分钟

【虚拟仿真测试项目】

1.虚拟仿真实训：仿真测试交流变压器的变压比和变阻比的关系，仿真实训，15分钟

2.虚拟仿真实训：仿真测试继电器功能测试，仿真实训，10分钟

【实际硬件测试实训】

硬件测试实训13：变压器变压比测试与同名端判断，20分钟

【电路习题训练】

例题讲解和习题训练，15分钟

【穿插课程思政】

案例：从变压器到特高压——中国电力装备的自主创新之路

结合5.2节变压器的讲解，介绍我国特高压输电技术从引进消化到自主创新、再到世界领先的发展历程，讲述特高压变压器等核心装备的国产化突破，引导学生认识核心技术自主可控的重要性，体会节能降耗的绿色发展理念。PPT、视频、课堂讨论，5分钟课后延拓和作业1.实践观察任务

观察身边的变压器设备（手机充电器、电源适配器、小区配电变压器等），记录其额定电压和额定功率，估算其变比。

2.拓展探究项目

查找资料，了解我国特高压输电技术的发展成就和特高压变压器的技术难点，思考变压器效率提升对节能减排的意义。

3.理论作业

教材思考与练习题5.1.3，5.2.3，5.2.7。

五、教学评价本单元教学评价分包括：平台签到分：教师发布签到，系统自动计分，占10%课堂回答分：当时给分，占20%仿真实训作业分：课后批改给分，占70%六、教学反思本次课已经结束，反思如下：（每次课后补充）

1.学生对磁路概念和电磁耦合关系理解需要加强，下次可增加更多动画演示帮助理解。

2.变压器的阻抗变换是难点，部分学生容易混淆变比的平方关系，需增加课堂练习及时巩固。

3.通过实物展示和仿真实验，学生学习兴趣较高，但对变压器内部电磁过程的深度理解还需加强。

教学内容和课程思政案例5.1磁路及磁性材料电器设备中,如电动机、变压器、电磁铁等,这些设备或元器件是利用电磁感应原理而制成的,不仅有电路的问题,同时还有磁路的问题。5.1.1磁场的基本物理量1.磁感应强度磁感应强度(B)表示磁场内某点磁场强弱和方向的物理量。它是一个矢量。磁感应强度B与产生磁场的电流之间的方向符合右手螺旋定则。磁感应强度B的大小为B=FlI(如果磁场内各点磁感应强度大小相等,方向相同,这样的磁场称为均匀磁场。2.磁通磁感应强度(如果不是均匀磁场,则取B的平均值)与垂直于磁场方向的面积A的乘积,称为通过该面积的磁通,用Φ表示,即Φ=BA或B=Φ/A(5.2)由上式可知,磁通的大小可理解为穿过垂直于B方向的面积A中的磁力线总数。磁感应强度在数值上可以看成与磁场方向垂直的单位面积所通过的磁通,故又称磁通密度。磁通Φ的单位:韦[伯](Wb),1Wb=1V·s。3.磁导率μ线圈中磁场的强弱与磁场中物质的导磁性能有关,表征各种物质的导磁性能的物理量称为磁导率,用μ表示,单位为亨/米(H/m)。不同物质磁导率不同,μ越大,其导磁性能越好,产生的磁场也就越强;μ越小,导磁性能越差,产生的磁场也就越弱。真空中的磁导率为一常数,用μ0表示,μ0=4π×10-7H/m任意一种物质的磁导率μ和真空的磁导率μ0的比值,称为该物质相对磁导率,用μr表示自然界中大多数物质的导磁性能较差,如空气、塑料、木材、铜、铝等,其μr≈1,称为非导磁物质;铁、钴、镍及其合金等,其μr≫1,称为导磁物质。常用材料的相对磁导率如表5-1所示。4.磁场强度磁场强度是计算磁场时所引用的一个物理量,其定义为磁场中某点的磁感应强度B与介质的磁导率μ之比,称为该点的磁场强度,用H表示,即H=Bμ或B=μH磁场强度H的单位为安培/米(A/m)。5.1.2磁性材料的磁性能磁性材料主要指铁、镍、钴及其合金等,由于磁性材料的磁导率很大,所以是制造电动机和变压器等铁芯的主要材料,它们具有下列磁性能。1.高导磁性磁性材料具有很强的导磁能力,μr≫1。在没有外磁场作用的普通磁性物质中,各个磁畴排列杂乱无章,磁场互相抵消,整体对外不显磁性,如图5-1(a)所示。当有外磁场时,在磁场力的作用下磁畴将按照外磁场的方向顺序排列,产生一个很强的附加磁场,物质整体显示出磁性,称为磁化,如图5-1(b)所示。即磁性物质能被磁化。图5-1磁畴示意图由于高导磁性在具有铁芯的线圈中通入不太大的励磁电流,便可以产生较大的磁通和磁感应强度,这就解决了既要磁通大,又要励磁电流小的矛盾。利用优质的磁性材料可使同一容量的电机的重量大大减轻和体积的减小。2.磁饱和性将磁性材料放入磁场强度为H的磁场内,会受到强烈的磁化。磁场通常由线圈的励磁电流产生,如图5-2所示,线圈中的励磁电流I变化,铁芯中的磁场强度H发生变化,磁感应强度B也随之发生变化。磁化曲线(B-H曲线)如图5-3所示。图5-2磁化实验装置图5-3磁化曲线如图5-3所示,磁化曲线分成3段:(1)Oa段:B与H差不多成正比地增加;(2)ab段:随着H的增加,B的增加缓慢,此段称为曲线的膝部;(3)bc段:随着H的增加,B几乎不增加,趋于饱和状态。B达到了饱和值Bm。如图5-3所示,可知磁材料的B与H不成正比,所以磁材料的μ值不是常数,随H的变化而变化。3.磁滞特性磁性材料的磁滞特性是在交变磁化过程中体现出来的,当铁芯线圈中通有交流电时,铁芯就受到交变磁场,在电流变化一次时,磁感应强度B随磁场强度H变化的关系如图5-4所示。由图5-4可见,当H已减到零时,B并未回到零值。这种磁感应强度B滞后于磁场强度H变化的性质称为磁性物质的磁滞性。图5-4曲线称为磁滞回线。图5-4磁滞回线从图5-4中可以看出,当H值从0增加到Hm,则B沿着Oa曲线上升到饱和值Bm;当H值从Hm逐渐减小时,B的值也随之减小,但B并不按照原来的曲线Oa曲线下降,而是沿着另一曲线ab下降,当H下降到零时,B下降到Br。这是由于磁性材料被磁化后,磁畴已经按顺序排列,即使撤掉外磁场也不能恢复原来杂乱无章的状态,对外仍显示出一定的磁性。这时所剩余的磁感应强度称剩余磁感应强度,也称为剩磁,如图中的Br。要想使剩磁消失,必须改变H的方向,当H反方向达到Hc时剩磁才消失,称为矫顽磁力。按磁性物质的磁性能,磁性材料可以分成3种类型(见图5-6)。图5-63种磁性材料软磁材料:具有较小的矫顽磁力,磁滞回线较窄。这种材料磁导率高,容易磁化,也容易退磁。一般用来制造电机、电器及变压器等的铁芯。硬磁材料:也称永磁材料,具有较大的矫顽磁力,磁滞回线较宽。一般用来制造永久磁铁。常用的有碳钢及铁镍铝钴合金等。近年来稀土永磁材料发展很快。(3)矩磁材料:具有较小的矫顽磁力和较大的剩磁,磁滞回线接近矩形,稳定性良好。在计算机和控制系统中用作记忆元件、开关元件和逻辑元件。常用的有镁、锰、铁氧体等。5.1.3磁路及磁路欧姆定律1.磁路磁通(磁力线)集中通过的闭合路径称为磁路。在变压器、电动机等电器设备中,为了把磁通约束在一定的空间范围内,均采用高磁导率的硅钢片等铁磁材料制造铁芯,将线圈绕在铁芯上,当线圈通入电流时,铁芯被磁化,使其中的磁场大大增强,故通电线圈所产生的磁通主要集中在铁芯内,使之形成闭合的磁路。图5-7是常见的几种电气设备的磁路。图5-7电气设备的磁路2.磁路欧姆定律Φ=NIlμA=式(5.8)与电路的欧姆定律在形式上相似,所以称为磁路的欧姆定律。两者对照如表5-2所示。表5-2磁路与电路对照磁路电路磁通势F=IN电动势E磁通Φ电流I磁感应强度B电流密度J磁阻Rm电阻R磁路欧姆定律Φ=F/Rm电路欧姆定律I=E/R在实际工程中,许多电器设备，都有空气隙,空气隙虽然很小,但对磁路的影响很大。在图5-8所示的磁路中,空气隙长度为l0,由于磁通连续性原理,磁通不会中断,所以通过空气隙的磁通与通过铁芯的磁通Φ相同。磁路的总磁阻等于铁芯磁阻和空气隙磁阻之和。图5-8具有空气隙的磁路例5.1磁路如图5-8所示。图中截面积为S=6×10-4m2,铁芯部分为铸钢,平均长度为l=0.392m,气隙长度为l0=0.001m。若在铁芯中产生4.2×10-4Wb的磁通,试计算总磁通势和各段磁通的磁阻占总磁阻的百分比。解(1)磁路中平均磁感应强度B=ΦS=4.2×10(2)Rm0=l0μ0S=0.0014π×10(3)Rml≈lμS=HlBS=3.4×102×0.3920.7×6×10-4H-1=3.17×10(4)F=Φ(Rm0+Rml)=4.2×10-4×16.47×105A=692A(5)空气隙磁阻占总磁阻的百分比为Rm0Rm0(6)铁芯磁阻占总磁阻的百分比为100%-80%=20%由例题5.1可知,磁路中虽然只有1mm的空气隙,但磁阻却占到了总磁阻的80%,可见空气隙对磁路影响非常大。因此需要在低磁阻的磁路中(如变压器的铁芯)尽量减小空气隙。例5.2一个闭合的均匀铁芯线圈,其匝数为300,铁芯中的磁感应强度为0.9T,磁路的平均长度为45cm,试求:(1)铁芯材料为铸铁时线圈中的电流;(2)铁芯材料为硅钢片时线圈中的电流。解(1)铁芯材料为铸铁时,从图5-5中的磁化曲线查得H=9000A/m则I=HlN=9000×0.45300(2)铁芯材料为硅钢片时,从图5-5中的磁化曲线查得H=260A/m则I=HlN=260×0.45由例题5.2可知,所用铁芯材料不同,要得到同样的磁感应强度,则所需要的磁通势或励磁电流的大小相差很大,因此采用磁导率高的铁芯材料,可使线圈的用铜量大大降低。5.1.4铁芯线圈电路根据铁芯线圈励磁电流(磁路中用来产生磁通的电流)的不同,可分为直流铁芯线圈和交流铁芯线圈。1.直流铁芯线圈励磁电流是直流电流,铁芯中产生的磁通是恒定的,在线圈和铁芯中不会产生感应电动势,在一定的电压U下,线圈中的电流I只与线圈本身的电阻R有关,即I=UR功率损耗也只有线圈电阻消耗的功率,即P=UI=I2R(5.11)2.交流铁芯线圈励磁电流是交流电流,铁芯中产生的磁通是变化的,在线圈和铁芯中会产生感应电动势,存在着电磁关系、电压和电流关系及功率损耗等问题。(1)电磁关系。主磁通主要是经过铁芯,其磁导率不是常数,所以铁芯线圈中的电流i与主磁通Φ之间不存在线性关系。铁芯线圈的主磁电感L不是一个常数,因此铁芯线圈是一个非线性电感元件。(2)电压电流关系。由于线圈电阻R和漏磁通Φσ较小,其电压降也较小,与主磁电动势相比可忽略,故有U≈E=4.44fNΦm=4.44fNΦBmA(V)(5.18)式中:Bm——铁芯中磁感应强度的最大值,单位[T]; A——铁芯截面积,单位[m2]。(3)功率损耗。在交流铁芯线圈中,除线圈电阻R上有功率损耗RI2(称为铜损耗ΔPCu)外,处于交变磁化下的铁芯中也有功率损耗(称为铁损耗ΔPFe),铁损耗是由磁滞和涡流产生的。磁滞损耗ΔPh:它是由于磁畴的反复取向使铁芯发热所产生的功率损耗。引起铁芯发热,为了减小磁滞损耗,应选用磁滞回线狭小的磁性材料制作铁芯。例如,可用变压器和交流电机铁芯所用的硅钢片制作铁芯。涡流损耗ΔPe:当线圈中通有交流电时,所产生的磁通也是交变的。一方面在线圈中产生感应电动势;另一方面也在铁芯内产生感应电动势和感应电流,这种感应电流称为涡流。涡流损耗也要引起铁芯发热,为了减小涡流损耗,在顺磁场方向铁芯可由彼此绝缘的钢片叠成,。但某些场合下,也可以利用涡流的热效应来冶炼金属,利用涡流和磁场相互作用产生电磁力的原理来制造感应式仪器及涡流测距器等。5.1.5电磁铁电磁铁是利用通电的铁芯线圈吸引衔铁或保持某种机械零件、工件于固定位置的一种电器。当电源断开时电磁铁的磁性消失,衔铁或其他零件即被释放。电磁铁衔铁的动作可使其他机械装置发生联动。电磁铁由于用途不同其形状各异,但都由线圈、铁芯和衔铁3个主要部分组成。结构形式通常有以下几种,如图5-10所示。图5-10电磁铁的几种形式电磁铁在生产中获得了广泛应用。它可以用来起卸各种钢、铁材料;在各种电磁继电器和接触器中,利用电磁铁来吸合或分离触点。按铁芯线圈所通电流的性质,电磁铁分为直流电磁铁和交流电磁铁两大类。5.2变压器变压器在输电方面,采用升压变压器将电压升高,电压越高,线路电流越小,这不仅可以减小输电线的截面积,节省材料,同时大大减小了线路的功率损耗。在用电方面,为了保证用电的安全和设备电压的需要,还要利用降压变压器将电压降低。在电子线路方面,除电源变压器外,变压器还用来耦合电路、传递信号、实现阻抗匹配等。常见变压器实物,如图5-15所示。图5-15实际变压器5.2.1变压器的基本结构变压器主要由电路和磁路两部分组成,主要部件是铁芯和绕组。如图5-16(a)所示,芯式变压器的绕组包围铁芯,多用于容量较大的变压器。如图5-16(b)所示,壳式变压器部分绕组被铁芯包围,可以不需专门的变压器外壳,适用于容量较小的变压器。图5-16(c)为单相变压器的电气符号。图5-16变压器形式5.2.2变压器的工作原理图5-17所示为单相变压器的工作原理图。为讨论方便,一般规定:凡与一次绕组有关的量都在其下角标以“1”;而与二次绕组有关的各量都在其下角标以“2”。图5-17单相变压器的工作原理1.变压原理一次电压有效值与二次电压有效值之比为U1U20≈E式中K称为变比,即一次绕组与二次绕组的匝数之比。当K>1时,U1>U20,为降压变压器;当K<1时,U1<U20,为升压变压器;当K=1时,U1=U20,变压器起到隔离电源的作用。2.变流原理一次绕组与二次绕组的电流关系为I1I2=例5.4一变压器如图5-18所示,一次绕组的额定电压U1=380V,匝数N1=760。二次绕组有两个,其空载电压分别为U20=127V和U30=36V,匝数N2和N3各为多少匝?图5-18解二次绕组有两个仍可以分别按变压原理式(5.28)计算。N2=U20U1N1=127380N3=U30U1N1=36380例5.5在例5.4中,如果将两个二次绕组分别接电阻性负载,并测通电流I2=2.14A,I3=3A。求一次绕组电流和一次绕组、二次绕组、三次绕组的功率。解由式(5.30)可知N1I1≈N2I2+N3I3I1≈N2I2+N一次绕组、二次绕组、三次绕组的功率分别为P1=U1I1=380×1W=380WP2=U2I2=127×2.14W=271.2WP3=U3I3=36×3W=108W则P1≈P2+P33.变阻抗原理为了使功率输出和负载的阻抗之间更好地匹配,常采用变压器来获得所需要的等效阻抗,变压器的这种作用称为阻抗变换。变压器的阻抗变换可由图5-19说明,图5-19(a)中负载阻抗ZL接在变压器的二次绕组上,与变压器一起看作电源的负载,即图5-19(a)中虚线框内,然后再将虚线框内的总阻抗用Z'L来等效代替,直接接在电源上,如图5-19(b)所示。所谓等效是输入电路的电压、电流、功率保持不变。图5-19变压器阻抗变化由公式U1U2=KI1I得出|Z'|=U1I1=KU2I2由此可见,负载阻抗通过变压器变换后的等效阻抗大小与变压器的变比K有关,所以根据需要选择不同变比的变压器获得所需的阻抗,这种做法通常称为阻抗匹配。例5.6一只电阻为8Ω的扬声器(喇叭),需要把电阻提高到800Ω才可以接入半导体收音机的输出端。问应该利用变比为多大的变压器才能实现这一阻抗匹配。解由题意知Z'L=800Ω,ZL=8ΩZ'L=K2ZLK=Z'LZL例5.7在图5-20中,交流信号源的电动势E=160V,内阻R0=800Ω,负载电阻RL=8Ω。(1)当RL折算到一次的等效电阻R'L=R0时,求变压器的匝数比和信号源输出的功率。(2)当负载直接与信号源连接时,求信号源的输出功率。解(1)变压器的匝数比为N1N2=R'信号源输出功率为P=ER0+R'L2R'(2)当负载直接接在信号源时P=160800+82×8W=05.2.3变压器的特性和额定值1.变压器的外特性图5-20图5-21变压器的外特性曲线通常希望电压U2变动越小越好,从空载到额定负载,二次绕组的电压变化程度可以用电压变化率ΔU来表示。即ΔU%=U20式中:U20——空载时二次绕组电压。b'b一般供电系统,其电压变化率在5%左右。2.变压器损耗及效率和交流铁芯线圈一样,变压器的功率损耗包括铁芯中铁损耗ΔPFe和绕组上的铜损耗ΔPCu两部分。铁芯损耗的大小与铁芯内磁感应强度的最大值Bm有关,与负载大小无关,所以又称不变损耗。铜损耗则与负载大小(正比于电流的平方)有关,称为可变损耗。变压器的效率常用下式表示η=P2P1式中:P1——变压器输入功率; P2——变压器输出功率。变压器的功率损耗很小,效率很高,通常η在95%以上,负载为额定负载的50%~75%时,η达到最大值。3.变压器的容量(1)额定电压。根据变压器的绝缘强度和允许温升而规定的电压值称为额定电压,单位为V或kV。(2)额定电流。根据变压器绝缘材料允许的温升而规定的最大允许工作电流,称为变压器一次绕组、二次绕组的额定电流,分别用I1N、I2N表示,单位为A或kA。对三相变压器而言,额定电流都是指线电流。(3)额定频率。额定频率fN,我国规定标准工频频率为50Hz,有些国家规定为60Hz,使用时要注意。(4)额定容量。变压器的额定容量是指变压器二次绕组的额定视在功率SN。以V·A或kV·A为单位。它反映了变压器传送电功率的能力。对于单相变压器SN=U2NI2N对于三相变压器SN=3U2NI2N例5.8某单相变压器额定容量SN=5kV·A,一次绕组额定电压U1N=220V,二次绕组额定电压U2N=36V,求一次绕组、二次绕组的额定电流。解(1)由额定容量的定义可知I2N=SNU2N(2)由于U2N≈U1N/K,I2N≈KI1N,所以U2NI2N≈U1NI1N,变压器额定容量SN也可以近似表示为SN≈U1NI1N,所以一次绕组的额定电流为I1N≈SNU1N例5.9有一50kV·A的三相电力变压器,输出线电压为380V,变压器总负载为45kW,功率因数λ=0.8,试计算变压器是否过载。解S=Pcosφ=由计算可知变压器的视在功率超出了变压器的容量,想要变压器正常工作,必须提高负载电路的功率因数。5.2.4三相变压器和特殊变压器1.三相变压器三相变压器主要用在三相电力系统中,又称为电力变压器。此外三相整流电路、三相电炉设备等也采用三相变压器进行三相电压的变化。三相变压器的原理结构,如图5-22所示,铁芯上有3个铁芯柱,每个铁芯柱都套装着一次绕组、二次绕组。一次绕组(高压绕组)的始端和末端分别用U1、V1、W1和U2、V2、W2表示,二次绕组(低压绕组)的始端和末端分别用u1、v1、w1和u2、v2、w2表示。一次绕组与电源相连,二次绕组与负载相连。图5-22三相变压器的原理结构三相变压器的一次绕组、二次绕组都可以接成星形或三角形,连接方式可用连接组标号表示。例如Y、yn,其中第一个字母Y表示一次绕组接成星形,第二个字母y表示二次绕组接成星形,n表示一次线电压与二次线电压之间相位差相当于30°的倍数。(Y,dn)中的d表示二次绕组接成三角形。如图5-23所示,可得U1U2=3U图5-23三相变压器(Y,y0)连接如图5-24所示,可得U1U2=3UP1图5-24三相变压器(Y,d)连接2.三相变压器的铭牌数据每台变压器都有一铭牌,上面标注着型号、额定值及其他数据,便于用户了解变压器的运行性能。图5-25变压器铭牌3.特殊变压器(1)自耦变压器。自耦变压器的结构特点是铁芯上只有一个绕组连接电源。而二次绕组是从一次绕组上直接抽头出来的,如图5-26所示。实验室中常用的调压器是一种小容量自耦变压器,其二次绕组抽头往往做成能沿线圈自由滑动的触点形式,以达到平滑均匀地调节电压的目的,其结构和电路图如图5-27所示。图5-26自耦变压器图5-27调压器外形结构和电路图综上,自耦变压器具有结构简单,节省铜线,效率比普通变压器高的优点。其缺点是由于高低绕组在电路上是相通的,对使用者构成潜在的危险,因此变比一般不超过1.5~2。所以自耦变压器不能作为安全变压器使用,安全变压器一定采用一次绕组和二次绕组互相分开的双绕组变压器。(2)电压互感器。工作原理如图5-28所示:一次绕组直接接到被测高压电路,二次绕组接电压表或功率表的电压线圈。利用一次绕组、二次绕组不同的匝数比可将线路上的高电压变为低电压来测量。所测电压可由下式得出被测电压=电压表读数×(N1/N2)使用注意事项:电压互感器二次绕组不能短路,否则会产生很大的短路电流;为安全起见,电压互感器的金属外壳、二次绕组必须可靠地接地。图5-28电压互感器工作原理(3)电流互感器。工作原理如图5-29所示:它的一次绕组由一匝或几匝截面较大的导线构成,并串入需要测量电流的电路。二次绕组的匝数较多且与电流表相连,可将线路上的大电流变为小电流来测量。所测电流可由下式得出被测电流=电流表读数×(N2/N1)图5-29电流互感器工作原理使用注意事项:为了使用安全,电流互感器的二次绕组必须可靠地接地,以防止由于绝缘损坏后,一次绕组的高压传到副边,发生人身事故。电流互感器的二次绕组绝对不允许开路。因为二次绕组开路时,一方面将使二次绕组感应出很高的电压,可能使绝缘击穿,同时对测量人员也很危险;另一方面,铁芯内磁密增大以后,铁耗会大大增加,使铁芯过热,影响电流互感器的性能,甚至把它烧坏。图5-30所示为实际电流互感器。图5-30实际电流互感器5.2.5变压器同名端的判断1.同名端的定义当电流流入(或流出)两个线圈时,若产生的磁通方向相同,则两个流入(或流出)端称为同名端。或者说,当铁芯中磁通变化时,在两线圈中产生的感应电动势极性相同的两端为同名端。同名端用“·”表示。如果1和3两端称为同名端,当然2和4两端也是同名端,如图5-31所示。图5-31变压器绕组的同名端2.同名端的测定方法方法一:交流法。如图5-32所示,1和2为变压器的一个绕组,3和4为另一个绕组。将两个绕组的任意两端连接在一起(如2和4);在其中一个绕组(如1和2)两端加一个较低的电压。用电压表分别测量U13、U12、U34。如果U13是两绕组电压之差,则1和3是同极性端。如果U13是两绕组电压之和,则1和4是同极性端。方法二:直流法。如图5-33所示,在线圈一相绕组端接一直流电源,另一相绕组端接一检流计。当开关S闭合瞬时,则线圈1中电流增大,自感电压实际极性为a