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1、变压器的工作原理常州刘国钧高等职业技术学校 杨欢一、地位和作用本节内容节选自周绍敏主编的电工基础第十一章第二节变压器的工作原理。此节内容在本章中占有举足轻重的地位和作用。本课既是对前面学过的电磁感应原理的综合实际运用,又是我们学习电力系统中,第一种常见的电气设备。学好本节知识,对今后学习各相关专业理论和技能课程,打下基础。二、学习对象分析1、学习现状:学生在前面的学习过程已经具备了直流电交流电以及电磁感应原理的相关知识。2、学习态度:学生对电工基础这门课程较感兴趣,学习态度好。3、学习能力:学生学习理论知识的能力较强,但实际应用能力以及动手实验能力有待提高。三、设计思想1.变压器工作原理的教学
2、应围绕变压器是按什么原理工作的?变压器次级绕组上为什么有电压?变压器为什么能变换交流电压和电流,而不能变换直流电压和电流?变压器又是怎样变换交流阻抗的?以及变压器的外特性和电压变化率等问题为线索展开教学过程 本书一开始从电磁感应原理出发,具体阐述了变压器的工作原理然后通过忽略变压器的铁损,铜损以及漏磁通的情况下,即从理想变压器出发,分别讨论了变压器的几个作用,如变换交流电压,变换交流电流以及变换交流阻抗针对学生现有的知识水平和认知特点,可以对上述教学思路进行改进,采用定性分析和定量推导相结合、实验探究和理论推导相结合的方法,使学生先在实验探究中发现变压器能变换交流电压以及交流电流并发现电压,电
3、流与线圈匝数之间存在的关系,然后从电磁感应原理出发解释和推导这一关系这样处理,学生对变压器的变换交流电压,以及变换交流电流的原理理解将更加深刻,学生的实验能力和理论分析能力将同时得以训练和培养2以能量的转化和传输为核心,突出变压器的理想化模型,是本节课教学内容所遵循的基本原则本书所讨论的变压器的几个作用,都是以理想变压器为基础的,即忽略变压器的损耗(包括铁损和铜损)以及漏磁通的情况下教学中通过引导学生分析变压器传输电能时因各种原因而产生的电能损耗,提出变压器的理想化条件,建立理想模型,在此基础上进一步分析导出理想变压器原副线圈的功率关系、电压关系和电流关系这样处理教学思路清晰,教学过程自然流畅
4、,不仅能使学生准确理解理想变压器的工作原理和工作特性,而且能使学生再次学习建立物理模型的方法,有利于提高他们的分析概括能力3定性实验与定量实验相结合,是实现突破本节课教学重点和难点的关键通过对理想变压器原副线圈之间电压、电流与匝数之间关系的定量实验的基础上,增加了动态定性实验的演示例如,在探究闭合铁芯在变压器中的作用时,增加了“变压器的铁芯从不闭合到闭合时,小灯泡的亮度逐渐增加”的实验;在探究原副线圈电流、功率与负载电阻的关系时,增加了“原副线圈的电流随与小灯泡并接支路的增加而不断增大”的实验等这些动态演示实验避开理想变压器与实际变压器的差异,突出展示了它们相同的物理本质和动态变化规律学生对这
5、些动态演示实验不但容易直接感知,印象深刻,而且加深了对变压器这一常见电气设备的全面理解和动态把握,训练了学生的观察能力和动态分析能力4重视问题情境的创设和学生思维动机的激发,引导学生主体积极参与教学,主动地探究和建构知识,是优化本课题教学过程的有效途径通过实验方法、理想化方法等培养学生思维能力、探究能力并采用师生共同参与的启发式问题探究课,在教学中以实验为载体展开过程,以问题为线索将课堂教学组织起来,通过积极创设问题情境,力求使实验与思维有机结合,层层递进,使学生始终处于积极参与探究的状态之中,充分展现教学的特点和魅力四、教学目标分析1知识目标 理解互感现象,了解变压器的工作原理 掌握理想变压
6、器工作规律并能运用解决实际问题 掌握理想变压器的原、副线圈中电压、电流与匝数的关系,能应用它分析解决基本问题 掌握理想变压器变换交流阻抗的关系 2能力目标 通过观察演示实验,培养学生的观察能力与动态分析能力。 从变压器三个作用得出过程中培养学生总结概括能力 从理想变压器概念引入使学生了解理想化模型建立的基础和建立的意义3情感目标 让学生充分体会能量守恒定律的普遍性及辩证统一思想 培养学生尊重事实,实事求是的科学精神和科学态度4教学重点:变压器工作原理及作用5教学难点:(1)理解次级绕组两端的电压为交变电压(2)推导变压器初级线圈和次级线圈的电压、电流与匝数关系(3)掌握公式中各物理量所表示对象
7、的含义。五.教学模式:探究式教学、启发式教学。六.教学方法:实验法、理想化方法。七.教学过程设计复习:前面我们主要学习了变压器的用途和种类以及它的基本构造,现在来回忆一下。放幻灯片 1.变压器的用途有哪些?种类有哪些? 2.变压器的图形符号,文字符号是什么? 3变压器的基本构成是怎样的? 讲授:变压器主要由铁心和线圈(也叫绕组)两部分组成。铁心是变压器的磁路通道,是用磁导率较高的而且互相绝缘的硅钢片叠装而成的。线圈是变压器的电路部分,在工作时,和电源相连的线圈叫做原线圈(初级绕组);而与负载相连的线圈叫做副线圈(次级绕组)。过渡:变压器是如何工作的呢?接下来我们研究变压器的工作原理板书:变压器
8、的工作原理实验:使变压器的原副线圈分别与照明电源和小灯泡连接,观察小灯泡的变化情况。讨论:通过实验我们发现,小灯泡能正常发光,请同学们用以前所学的知识解释产生这一现象的原因和过程。学生通过对变压器工作时电磁关系的分析,得出变压器的工作原理是利用了电磁感应中的互感现象。即原线圈接交流电源后,在原线圈中就有交流电流通过,交变电流将在铁心中产生交变磁通,这个变化的磁通经过闭合的磁路同时穿过原副线圈。交变的磁通将在线圈中产生感应电动势。原线圈中产生自感电动势,副线圈中产生互感电动势。讲授:这时的副线圈就可以作为电源使用,当把小灯泡接在副线圈两端时,副线圈电路中就出现电流,灯泡就变亮了。讨论:若从能量的
9、转化角度看,变压器是怎样转化和传输能量的呢?板书:原线圈输入的电能穿过原副线圈中的交变磁场能副线圈中输出的电能。讨论:若使变压器中的铁芯不闭合或撤去铁芯,原副线圈是否还会产生感应电动势?此时,原线圈中的交变磁通仍有部分通过副线圈,所以还会发生电磁感应。过渡:那么,为什么说铁芯是变压器的重要组成部分?实验:使变压器的铁心由不闭合到闭合,接在副线圈两端的小灯泡亮度从较小到正常发光 讨论:为什么会出现这种现象呢?讲授:若无铁芯或铁芯不闭合时,原线圈中只有一小部分交变磁通贯穿副线圈,大部分漏磁通在外,有了闭合铁芯,由于铁芯被磁化,绝大部分交变磁通通过铁心贯穿副线圈,大大增强了变压器传输电能的作用可见,
10、漏磁通不能起到传输电能的作用有了闭合铁芯后,漏磁通大大减少。提问:能完全避免漏磁通吗?不能,仍会有一小部分漏磁通在周围空间过渡:因此,变压器副线圈输出的电能要小于原线圈输入的电能提问:实际变压器工作时,除了因漏磁通而损耗电能外,还有哪些方面的原因也会引起电能损耗呢?铁心损耗,导线的铜损耗(铁损,铜损)过渡:一般情况下,变压器的损耗和漏磁通都是很小的,所以我们设想有一种完全没有能量损耗的变压器,称它为理想变压器,这种变压器应具备哪些条件?学生自己归纳后得出:无铁心损耗无导线铜损耗无漏磁通。理想化是科学研究中一种常用的重要方法,下面就以理想变压器为对象,进一步研究其工作特性。板书:理想变压器的工作
11、特性 提问:理想变压器原线圈的输入功率1和副线圈的输出功率2存在何种关系? 输出功率等于输入功率,即21讨论:理想变压器原副线圈两端的电压又存在怎样的关系?实验:如图所示,原线圈匝数400匝,接交流电压112,用交流电压表测量副线圈匝数分别为200匝和00匝时的电压,读数分别为6和24左右 讲授:从实验中可发现变压器原、副线圈上的电压与其匝数存在怎样的关系?原副线圈上的电压与其匝数成正比,即1212过渡:能否从理论上推导出理想变压器的这种关系?引导学生进行如下推导:因无漏磁通,通过原、副线圈的磁通量及其变化量都相等,即12,12 原、副线圈产生的感应电动势分别为E11(1),E22(2) 因原
12、、副线圈没有电阻,原副线圈两端电压与电动势的关系分别为1E1,2E2 由此可得出原副线圈的电压与匝数的关系为1212=K(变压比) 讨论:什么情况下变压器可以用作升压使用?什么情况下变压器可以用作降压使用? 当12时,12作降压变压器使用;当12,12作升压变压器使用过渡:现在我们已经研究了理想变压器输入功率与输出功率、输入电压与输出电压的关系, 那么变压器的输入电流与输出电流的关系又是怎样的呢? 学生推导:由12得 1122, 故有122121 =1/K,即原副线圈通过的电流与其匝数成反比提问:变压器原副线圈的匝数不同,原副线圈的电压和电流也不相同,这对绕制线圈的导线有何要求?学生讨论后得出
13、:变压器的高压线圈匝数多而通过的电流小,应该用较细的导线绕制;低压线圈匝数少而通过的电流大,应该用较粗的导线绕制放幻灯片:变压器知识的巩固与深化的习题1.如图所示,原、副线圈的匝数分别是1800匝,21600匝,蓄电池的输出电压为12,则电压表的示数多大? 学生大都会范错误,计算出电压表的读数为24V。 实验:将上述电路进行模拟实验,当开关S闭合瞬间,发现电压表指针明显摆动,最后指针稳稳地指在零位置上接着将开关S断开瞬间,同样也是如此。然后再把通电持续断电完整地展示一次,加深学生对变压器的工作原理及“恒定电流不能通过变压器变压”的理解2.有一理想变压器,原、副线圈匝数比12101,当它正常工作
14、时,求:(1)原副线圈的输入、输出电压之比;(2)原、副线圈中的电流之比;(3)原副线圈的输入、输出功率之比;(4)穿过原副线圈的磁通变化率之比;(5)原副线圈上的电流、电压频率之比;(6)当副线圈上的负载电阻减小时,原副线圈上的电流、电压、功率将如何变化?第(6)小题先让学生讨论、猜想,然后用下面的实验验证结论实验:如图所示电路,将电键逐个闭合,使小灯泡依次接入电路,负载总电阻不断变小,观察到电流表示数不断变大 分析实验现象,引导学生得出第(6)小题的结论 过渡:变压器除了用来变换交流电压电流之外,在电子线路中,常用来变换交流阻抗。讲授:在实际工作中,负载的电阻往往与信号源的内阻是不相等的,
15、所以负载不能获得最大功率,达不到阻抗匹配,如何解决呢?为此,就需要利用变压器来进行阻抗匹配,使负载获得最大功率。 教师引导学生作如下推导:设变压器初级输入阻抗为|Z1|,次级负载阻抗为|Z2| |Z1|=U1/I1 而 U1=N1U2/N2 I1=N2I2/N1代入上式 |Z1|=(N1/N2)U2/I2 又因为 |Z2|=U2/I2 所以 |Z1|=(N1/N2)|Z2|=K |Z2|综上所述,在次级接上负载阻抗|Z2|时,就相当于使电源直接接上一个阻抗|Z1|=K |Z2|放幻灯片:1有一电压比为220/110V的降压变压器,如果在次级接上55欧姆的电阻时,求变压器的初级输入阻抗。2有一信号源的电动势为1V、内阻为600欧姆,负载电阻为150欧姆。欲使负载获得最大功率,必须在信号源和负载之间接一匹配变压器,使变压器的输入电阻等于信号源的内阻,问变压器的变压比,初、次级电流各为多大?总结:变压器能变换交流电压电流,能进行阻抗的变换。布置作业:P183 /1 2 3 4八、板书设计下一页
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