变压器课件教案教学设计

变压器原理与应用第一章变压器基础知识与工作原理变压器简介变压器是利用电磁感应原理实现交流电压升降的静止电气设备，没有旋转部件，是电力系统中不可或缺的关键设备广泛应用领域从大型电力输送网络到日常电子设备，变压器无处不在，为电力系统提供电压转换和电气隔离功能科学与艺术结合变压器的基本结构磁芯初级绕组次级绕组通常采用硅钢片叠层构造，这种设计可有效减少涡流损耗高连接电源的一侧，将电能转化为磁能绕组一般使用漆包线，与初级绕组电气隔离，将磁能再转化为电能次级绕组的匝数质量的硅钢片含硅量约3%，经过特殊冷轧处理，具有优良的磁根据电流大小选择适当线径，精确缠绕在磁芯上以确保均匀分与初级绕组的比值决定了输出与输入电压的比例关系导率和低矫顽力布电磁感应与匝数比关系变压器工作的核心原理初级电压Vp施加于初级绕组的交流电压产生交变电流交变磁通Φ初级电流在磁芯中产生交变磁通次级电压Vs交变磁通在次级绕组中感应电动势理想变压器的电压比与匝数比成正比关系电流比与匝数比成反比关系曲线与磁饱和BHBH曲线（磁滞回线）是描述磁性材料特性的重要工具，它反映了磁化力H与磁通密度B之间的非线性关系磁饱和现象当磁化力增加到一定程度后，磁通密度不再显著增加，此时材料进入磁饱和区域变压器设计需避免工作在磁饱和区域，否则将导致效率下降、发热增加磁滞回线特征磁滞回线的面积代表了每个磁化循环中的能量损失，称为磁滞损耗良好的变压器铁芯材料应具有窄的磁滞回线，以减少能量损失磁滞损耗与涡流损耗变压器中的铁损主要由两部分组成磁滞损耗和涡流损耗这些损耗直接影响变压器的效率和温升磁滞损耗磁滞损耗产生于磁芯材料在交变磁场作用下，磁畴重新排列所消耗的能量这种损耗与材料的磁滞回线面积成正比，与频率成正比磁滞损耗计算公式其中Kh为材料常数，f为频率，Bm为最大磁通密度，n为斯坦梅兹系数通常为

1.6~

2.0涡流损耗涡流损耗是由交变磁通在导电铁芯中感应出环形电流而产生的焦耳热损耗这种损耗与频率的平方和磁通密度的平方成正比涡流损耗计算公式变压器等效电路简介变压器等效电路是分析变压器电气特性的重要工具，它将复杂的电磁关系简化为电路模等效电路的应用型，便于计算和分析•计算变压器在不同负载下的电压降01•分析短路和开路情况下的电流和损耗理想变压器模型•评估变压器的效率和功率因数•进行故障诊断和性能优化假设无损耗、完美耦合，仅包含理想变压器元件，满足匝数比与电压电流关系02一次侧参数包括绕组电阻R₁、漏感L₁，反映一次侧绕组的实际特性03铁芯参数包括励磁电感Lm和铁损电阻Rc，分别表示磁化特性和铁损04二次侧参数包括绕组电阻R₂、漏感L₂，反映二次侧绕组的实际特性变压器等效电路图下图展示了变压器的完整等效电路模型，包含了所有重要参数等效电路参数说明一次、二次侧绕组电阻，反映铜损R₁,R₂一次、二次侧漏抗，反映漏磁通影响X₁,X₂铁损电阻，表示铁芯中的能量损耗Rc励磁电抗，表示主磁通建立所需的无功功率Xm空载电流，包含励磁分量和损耗分量I₀理想变压器的匝数比N₁:N₂第二章变压器性能参数与分类变压器的额定参数kVA10kV50Hz额定容量额定电压额定频率表示变压器的负载能力，通常以千伏安kVA或变压器各绕组的设计工作电压，如10kV/400V变压器的设计工作频率，中国电网标准为兆伏安为单位，而非千瓦或兆瓦，因为要表示高压侧为，低压侧为，美国为，频率偏离将影响变压器性MVA10kV400V50Hz60Hz考虑功率因数能额定电流计算重要性能指标额定电流可由额定容量和额定电压计算得出空载电流变压器空载时流过一次侧的电流，通常为额定电流的3%~8%短路阻抗表示变压器内阻大小，影响短路电流和电压调整率空载损耗变压器空载运行时的损耗，主要为铁损其中为额定电流，为额定容量，为额定线电压，三相变压I AS VAU V器需乘以√3变压器的分类按用途分类按绕组数分类•电力变压器用于电力系统中传输和分配电能•单绕组变压器自耦变压器•特种变压器如电炉变、整流变、试验变等•双绕组变压器最常见类型•仪用变压器如电压互感器、电流互感器•三绕组变压器有三个电气隔离的绕组•电子变压器用于电子设备中的小功率变压器•多绕组变压器特殊用途，具有四个或更多绕组按结构分类按冷却方式分类•心式变压器绕组围绕铁芯柱放置•干式变压器直接空气冷却，防火性能好•壳式变压器铁芯围绕绕组放置•油浸式变压器浸在绝缘油中冷却，散热效果好•卷铁芯变压器采用连续卷绕铁芯结构•气体绝缘变压器SF₆等气体作绝缘介质•树脂浇注变压器绕组浇注在环氧树脂中变压器的并联运行条件变压器并联运行是电力系统中常见的运行方式，可以提高供电可靠性和系统灵活性但并联运行需要满足严格的条件，否则会导致环流和负载分配不均必要条件联结组别相同确保相位一致，防止短路变比相近变比差异应不超过±

0.5%短路阻抗匹配短路阻抗差异不宜超过±10%额定容量比例适当容量比不宜超过3:1并联运行优势提高供电可靠性一台故障时另一台可继续供电提高系统经济性可根据负载变化调整投入变压器台数便于检修维护可轮流检修而不中断供电提高总容量满足负荷增长需求并联变压器的负载分配遵循以下关系变压器的分接头与调压分接头是变压器绕组上的引出端，通过改变有效匝数来调节输出电压在电网电压波动时，分接头调节可以保持用户侧电压稳定分接头特点•通常设置在高压绕组上，可减小调节引线的电流•典型调节范围为额定电压的±5%，分为2~5个档位•例如±2×

2.5%表示有5个档位-5%、-

2.5%、

0、+

2.5%、+5%调压方式分类无励磁调压需要断开变压器电源后操作，适用于负载和电网电压变化不频繁的场合操作简单，成本低，但不能在线调节有载调压变压器的联结组标号与三相接线三相变压器的绕组可以采用不同的连接方式，这些连接方式影响变压器的电气特性和应用场合0102星形联结Y三角形联结Δ三个绕组的一端连接在一起形成中性点，另一端引出相三个绕组首尾相连形成闭合三角形优点是没有中性点线优点是可引出中性线，相电压为线电压的1/√3，适漂移问题，可抑制三次谐波，适合低压场合合高压场合03联结组标号采用字母和数字组合表示，如Yyn

0、Dyn11等大写字母表示高压侧联结方式，小写字母表示低压侧，n表示引出中性点，数字表示相位角差相位差标号说明用时钟位置表示低压侧电压相对于高压侧的相位差•0相位完全一致（0°）•5低压侧超前高压侧150°•6相位相差180°•11低压侧滞后高压侧30°（最常见）第三章变压器教学设计与实验探究教学目标12知识目标能力目标理解变压器的工作原理与基本结构，掌握电磁感应和匝数比的关掌握变压器的主要性能参数及分类，能够根据应用需求选择合适的系学生应能解释磁通如何在变压器中传递能量，并能描述铁芯和变压器类型学生应能分析变压器的额定参数，理解并计算变压绕组的作用比、效率等重要指标34实验目标素养目标通过实验验证匝数比与电压比的关系，观察变压器在不同负载下的认识变压器的能量损耗及其控制方法，培养节能环保意识学生应表现学生应能正确连接实验电路，测量相关电气参数，并分析实理解变压器的效率概念，了解现代变压器设计如何最小化能量损验结果耗教学重点与难点教学重点教学难点电磁感应原理磁饱和现象着重讲解法拉第电磁感应定律在变压器中难点在于理解非线性磁化曲线及饱和对变的应用，强调交变磁通是能量传递的媒压器性能的影响，可通过演示实验直观展介示磁滞损耗机理匝数比与电压电流关系学生较难理解微观磁畴运动与宏观能量损重点讲解变压器的基本方程，使学生牢固失的关系，可通过动画和类比法加深理掌握匝数比与电压比的正比关系，以及电解流比的反比关系等效电路分析变压器参数计算通过例题讲解变压器额定参数、效率、电压调整率等指标的计算方法教学方法建议创新教学策略理论讲授翻转课堂预先分配学习资料，课堂时间用于问题解答和深入讨论采用讲授与多媒体演示相结合的方式，利用动画和图表直观展示变压器工作原理理论讲解应注重概念清晰，逻辑严密，同时联系实际应用项目式学习设计小型变压器制作项目，贯穿整个学习过程虚拟仿真利用电路仿真软件模拟变压器工作过程实验教学分组竞赛举办变压器设计竞赛，评比效率最高的设计设计系列实验环节，让学生亲手搭建电路，测量电压、电流等参数，验证理论知识实验过程中强调安全操作和数据记录的规范性案例讨论组织学生讨论变压器在实际电力系统中的应用案例，如大型变电站设计、电网故障分析等，培养学生的工程思维和问题解决能力实验设计匝数比与电压比关系验证实验目的实验步骤验证变压器的电压比与匝数比成正比的关系，加深对变压器工作原理的理解01实验器材按照实验接线图连接电路，确保所有连接牢固可靠•自制或实验室变压器（具有可变匝数的绕组）02•交流电源（220V，50Hz）在初级绕组固定匝数（如100匝）的情况下，调整次级绕组匝数（如

20、

40、

60、

80、100匝）•数字交流电压表（2-3个）•数字交流电流表（1-2个）03•连接导线对每种匝数比，测量并记录初级电压V₁和次级电压V₂•负载电阻（可调）04计算电压比V₂/V₁和匝数比N₂/N₁，分析两者关系05在次级接入不同负载，观察负载对电压比的影响实验数据记录与分析次级匝数N₂初级匝数N₁匝数比N₂/N₁初级电压V₁V次级电压V₂V电压比V₂/V₁误差%

201000.

222043.

50.

1981.

0401000.

422087.

20.

3961.

0601000.

6220130.

80.

5941.

0801000.

8220174.

20.

7921.

01001001.

0220217.

80.

9901.0绘制关系图实验结论根据实验数据绘制电压比与匝数比的关系图，分析两者之间的线性关系理想情况下，图像通过实验数据分析，可以得出以下结论应为一条通过原点的直线，斜率接近于

11.变压器的电压比与匝数比基本成正比，验证了变压器的基本原理误差分析

2.实际电压比略小于理论匝数比，主要由于变压器内部损耗

3.负载增大时，次级电压有轻微下降，说明负载会影响变压器的电压调整率计算实际测量值与理论值之间的误差，分析误差产生的原因改进建议•绕组电阻造成的电压降•漏磁通导致的能量损失为提高实验精度，可以考虑使用更高精度的测量仪器，减少连接线的电阻影响，确保铁芯工•仪器测量误差作在线性区域•铁芯磁饱和影响变压器能量损耗实验本实验旨在让学生直观理解变压器中的能量损耗机制，观察不同工作状态下的损耗表现空载损耗测量

1.将变压器次级开路，一次侧接入额定电压

2.测量一次侧输入功率P₀（瓦特表法或三表法）

3.记录空载电流I₀和功率因数cosφ₀

4.计算空载损耗P₀=V₁·I₀·cosφ₀负载损耗测量

1.将变压器一次侧短路，二次侧施加低电压

2.调节电压使二次侧电流达到额定值

3.测量输入功率Pk，即为负载损耗

4.记录温度变化，分析温度与损耗关系温度测量与观察使用红外测温仪或热成像仪监测变压器不同部位的温度变化•空载状态下，铁芯温度明显高于绕组，反映铁损主导•满载状态下，绕组温度显著升高，反映铜损增加•通过比较不同材料铁芯的温升，理解材料特性对损耗的影响实验中注意安全，避免长时间短路运行，防止变压器过热损坏变压器安全与维护绝缘性能检测冷却系统维护变压器的绝缘性能是安全运行的关键保障，定期检测至关重要绝缘电阻测量使用兆欧表测量绕组对地、绕组间的绝缘电阻，值应不低于规定标准老化变压器绝缘电阻下降是常见故障前兆介质损耗测量通过测量介质损耗角正切值tanδ评估绝缘老化程度，值越小说明绝缘状况越好油浸变压器的油tanδ应小于

0.005局部放电检测局部放电是绝缘缺陷的重要指标，可使用超声波或电气方法检测持续的局部放电会导致绝缘击穿，造成严重事故变压器的冷却系统对于散热至关重要，需要定期维护变压器在电力系统中的应用发电厂升压变压器输电网变压器将发电机10-30kV电压升至220-1000kV，便于远距离输电这些变压器容量巨大，通常为三相结构，采用强油连接不同电压等级的输电网络，如500kV至220kV通常采用自耦变压器结构，提高经济性和效率循环冷却配电变压器用户终端变压器将输电电压35-110kV降至配电电压10kV，再降至用户电压400V容量较小，分布广泛，是电网中数量最将电网电压转换为用户设备所需电压包括工业用特种变压器和民用小型变压器多的变压器隔离变压器的安全作用隔离变压器通过电磁感应实现一次侧和二次侧的电气隔离，提供以下安全保障•防止电击切断漏电电流回路，保护人身安全•消除共模干扰抑制电源线传导的共模噪声•阻断雷电冲击防止雷电通过电网传导到设备•适配电压在保证隔离的同时提供所需电压典型案例分享变压器发展里程碑变压器在新能源电网中的角色1885年1美国西屋公司制造首台实用变压器，采用闭合磁路设计，奠定了现代变压器的基础这一突破使交流电力系统成为可21920年代能，彻底改变了电力传输方式硅钢片作为铁芯材料得到广泛应用，显著降低了铁损，提高了变压器效率此时变压器设计开始趋于标准化1970年代3非晶合金材料开始用于变压器铁芯，相比传统硅钢片可降低70%的空载损耗，421世纪开创了超低损耗变压器时代现代大型电力变压器效率达98%以上，采用先进的绝缘材料和冷却技术，寿命可达30年以上智能变压器融合了数字监测和控制功能随着光伏发电、风力发电等新能源的大规模并网，变压器面临新的技术挑战适应波动性新能源输出功率波动大，变压器需具备较强的过载能力抑制谐波逆变器产生的谐波需要专门设计的变压器来抑制双向流动支持能量双向流动，适应分布式发电并网需求智能化具备通信和自诊断功能，实现智能电网的核心节点功能例如，中国青海省建设的光伏发电站采用特殊设计的升压变压器，能够适应昼夜温差大、海拔高、紫外线强等极端环境，保障新能源电力的可靠并网课堂互动建议思考提问小组讨论角色扮演为什么变压器初级与次级绕组不直接电连接，而要通过磁场耦合传递能量？这种设计有什么优势？如何有效减少变压器的能量损耗？从材料、结构、运行方式等多角度思考假设你是一名电力工程师，需要为偏远山区设计一台适合的配电变压器考虑当地环境、负载特性、维护条件等因素，提出设计方案引导方向使用优质硅钢片或非晶合金材料、增加导体截面、优化冷却系统、合理控制负载率引导方向电气隔离的安全性、电压变换的灵活性、阻抗匹配的可能性引导方向防雷设计、温度适应性、维护便利性、过载能力、经济性互动教学活动变压器拆解观察变压器故障诊断实践准备一个废旧的小型变压器，在安全指导下拆解，让学生观察实际结构，加深对理论知识的理解模拟变压器常见故障（如绝缘不良、短路等），让学生通过测量分析找出故障原因变压器设计竞赛现场参观学习提供相同的材料，让学生分组设计小型变压器，比较哪组设计的变压器效率最高、温升最低组织参观当地变电站，观察实际运行的变压器，了解电力系统中变压器的应用与维护教学资源推荐视频讲解资源•《电力轻松学》变压器工作原理系列（中国电力出版社）•国家电网公司培训中心制作的《变压器结构与维护》•中国大学MOOC平台《电力变压器技术》在线课程•B站专业UP主电气工程师小王的变压器讲解视频参考书籍•《电力变压器原理与设计》（中国电力出版社）•《变压器工程技术手册》（机械工业出版社）•《变压器试验技术》（西安交通大学出版社）•《电力变压器运行与维护》（中国电力出版社）数字教学工具在线模拟工具推荐使用Multisim或PSpice等电路仿真软件模拟变压器工作状态，可视化展示电压、电流波形和磁通变化国产软件电磁场仿真大师也具有良好的变压器模拟功能交互式学习平台推荐知学云平台的变压器虚拟实验室，学生可在线完成变压器特性测试、故障诊断等实验，支持移动设备访问，便于课后学习教师可根据学生特点和教学需求，选择适合的教学资源组合，提高教学效果鼓励学生利用这些资源进行自主学习和深入探究课后作业设计基础计算题理论分析题匝数比计算磁滞损耗分析一台变压器的初级电压为10kV，匝数为1000匝，如果次级匝数为100匝，计算次级空载电详细解释磁滞损耗的产生原因，分析影响磁滞损耗大小的主要因素，并说明减小磁滞损耗的压如果次级负载电流为20A，计算初级电流主要技术措施变压器短路分析损耗与效率计算分析变压器二次侧短路时的电流和阻抗特性，解释为什么短路电流主要由漏抗决定，以及短一台500kVA变压器，空载损耗为800W，满载铜损为5000W计算该变压器在75%负载、路试验的意义功率因数

0.8时的效率实验报告要求三相变压器计算完成匝数比与电压比关系验证实验，撰写规范实验报告，内容包括一台三相变压器，高压侧为10kV，低压侧为400V，采用Y/Δ接法如果低压侧线电流为100A，计算高压侧线电流

1.实验目的与原理

2.实验仪器与方法

3.实验数据记录与处理

4.误差分析与讨论

5.结论与体会作业设计遵循由易到难、理论结合实践的原则，兼顾基础知识巩固和深入思考能力培养鼓励学生在完成作业过程中查阅资料，拓展知识面教学总结变压器是电力系统的核心设备，掌握其原理与性能至关重要实验能力提升理论基础牢固通过精心设计的实验环节，培养工程素养培养学生的动手能力和实验技能实通过系统讲解电磁感应原理、匝关注变压器的节能与安全，培养验过程中的观察、测量、记录和数比关系、磁路分析等基础理学生的工程意识和社会责任感分析，帮助学生将抽象概念具象论，建立学生对变压器工作机理通过案例分析和实际问题讨论，化，深化对理论知识的理解的清晰认识理论是实践的指引导学生认识到工程技术与社会导，只有理解了基本原理，才能发展的紧密联系，树立科学严谨灵活应对实际问题的专业态度本课程教学设计注重理论与实践结合，基础与前沿并重，旨在培养学生的综合素质和创新能力变压器作为电气工程领域的基础设备，其原理和应用的学习将为学生后续专业课程和职业发展奠定坚实基础谢谢聆听！期待您的精彩教学实践变压器教学是电气工程教育的重要组成部分，希望本教案能为您的教学工作提供有益参考通过理论讲解与实验操作相结合，引导学生探索电磁转换的奥秘，培养未来电力系统的建设者和创新者创新思维实践能力团队协作。