得分 教师签名 批改日期 1800460003 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 六 指导教师：刘英
报告人：李兴南 学号： 2012180028
实验地点 科技楼B109 实验时间： 2012.3.24
实验报告提交时间： 2012.3.31
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课程编号 题目类型
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． 2.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7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，选取适用的软磁材料。 (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。 （本次实验采用口型铁芯、E型铁芯、U型铁芯、一字型铁芯） 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。 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。
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图1 铁芯 原线圈 副线圈 U 1 n 1 n 2 U 2 3选用仪器 仪器名称 750接口 计算机和DataStudio 电压传感器 铁芯 铜丝线圈 型号 CI7650 主要参数 阻抗1 MΩ。最大的有效输入电压范围±10 V 用途 数据采集处理 CI6874 —— CI6503 电压范围：±10 V AC/DC —— —— 大小、材质、形状 匝数 数据采集平台、数据处理 数据采集 提供铁芯 自制变压器 200匝1个，400匝2个；800匝1个；1600匝一个；3200匝1个；E型铁芯1个，电阻、电容、二极管、电位器若干。 三.实验装置及实验电路图： 1.验证升压变压器与铁芯，线圈的关系： 如图3所示，为实验时电路图，其中原副线圈的输入、输出电压由750接口代替，而电阻R由变阻箱代替。 4、实验内容及具体步骤： 4.1、实验一：不同结构的变压器的输出特性 4.1.1如图1示连接电路。 4.1.2在DataStudio 软件的窗口中设置750接口的传感器连接，并设置采样率。 4.1.3调整输入信号不变，即输入信号频率（50Hz）和电压（±1V）不变。 4.1.4选用合适的线圈组合（400:400），利用不同的铁芯结构构成简易变压器。 4.1.5打开电源，点击启动，收集简易变压器输出电压的数据。 4.1.6使用之前测量最大输出电压的铁芯，保持输入信号不变。 4.1.7调整简易变压器的一二级匝数比，测试至少三组以上的线圈组合。 4.1.8打开电源，点击启动，收集简易变压器输出电压的数据。
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图2 验证变压器工作与铁芯，线圈的关系 ~ V U1 N1 U2 N2 V ~ 4.2实验二：变压器输入输出电压及电流的关系的研究 4.2.1在上一个实验的输出电路中加上负载电阻，以及电流表。 4.2.2继续保持输入信号源不变。 4.2.3选定一组线圈（400：400），连接不同负载（1000Ω、100Ω、10Ω）。 4.2.4打开电源，点击启动，收集不同的输入输出电压和输入输出电流数据。 4.2.5改变次级线圈的匝数，连接不同的负载（1000Ω、100Ω、10Ω）收集不同的输入输出电压和输入输出电流数据。直至测完所有的线圈组合。 二、数据记录与处理 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4所示。 (1)匝数比400:400 E型铁芯不封顶有： E1 1.000 = 7.576 = E2 0.132 （2）匝数比400:400 口型铁芯有： E1 1.000 = 1.339 = E2 0.747 图4 验证变压器工作与铁芯 （3）匝数比400:400 一型铁芯有： 1.000 E1 = 2.278 = E2 0.439 （4）匝数比400:400 E型铁芯封顶有： （5）匝数比400:400 U型铁芯封顶有： 1.000 E1 1.000 E1 = 2.841 = = 3.861 = E2 E2 0.352 0.259 理想升压变压器在匝数比400:400的条件下：E1/E2=1；分析：比较（1）、（2）、（3）、（4）、（5） 只有口型铁芯的情况最为接近理想变压器。可以看出在口型铁芯下，副线圈输出电压最高，用一型铁芯的次之，然后用E型铁芯，发现用另一根E型铁芯在上面会输出更高电压，而用U铁芯输出的电压比E型铁心要高，但比口型铁芯的要低好多。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（或磁芯）中便产生交变磁通，使得副线圈中感应出电压（或者电流）。
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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5示。 保持原线圈匝数为400和口型铁芯不变，对副线圈匝进行400、800、1600、3200四次实验，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NI/N2小于1/16）。 输入原线圈1.00V、50Hz的正弦交变电流，在使用口型铁芯的情况不变。e1为原线圈电路电源到原线圈输出前的电压损耗，e2为口型铁芯的损耗，有： e=e1+e2 (1)原副线圈匝数比为400:400时，有： 1.000 E1 = 1.339 = E2 0.747 理想变压器相同条件下有：E1/E2=1; 相对误差： N1%=（1.339-1）/1=33.9% 由以上数据，在此实验条件下，损耗e的比重大。 (2) 原副线圈匝数比为400:800时，有： 图5 验证变压器工作与线 E1 E2 = 1.000 = 0.690 1.450 理想变压器相同条件下有： E1/E2=0.5; 相对误差： N2%=(0.690-0.5)/0.5=38.0% 由以上数据，在此实验条件下，损耗e的比重大。 (3) 原副线圈匝数比为400:1600时，有： E1 E2 = 1.000 = 0.348 2.871 理想变压器相同条件下，有：E1/E2=0.250 相对误差 N3%=（0.348-0.250）/0.250=39.2% 由以上数据，在此实验条件下，损耗e的比重大。 (4) 原副线圈匝数比为400:3200时，有： E1 E2 = 1.000 = 0.175 5.723 理想变压器相同条件下，有：E1/E2=0.125 相对误差N4%=（0.175-0.125）/0.125=40.0% 由以上数据，在此实验条件下，损耗e的比重大。 得出结论：在保持口型线圈，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。而损耗e也会增大。
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三、实验结果陈述与总结 本次实验结论如下： 1. 验证变压器工作与铁芯的关系： 在保持原副线圈匝数不变的情况下，实验使用口型铁芯，副线圈输出电压最高。U型铁芯次之，E型铁芯最小。 分析原因可知：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. 验证变压器工作与线圈的关系： 在保持口型铁芯，原线圈匝数不变的情况下，副线圈匝数越多，输出电压越高。 分析原因可知：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。 实验总结： 在本次试验中，我们验证变压器工作与铁芯、线圈的关系。 实验时，最大的问题就是对电路图的准备不足： 1.电路图没能在上实验前准备好。 2电路理解没能与实验室仪器相结合。 3.实验时对于电路所测的数据的目的性欠缺实验动机。 以原副线圈匝数比为横坐标，相对误差为纵坐标，画出以下曲线： 根据右图，在此实验条件下，保持原线圈匝数400的情况下，增加副线圈的匝数，而实验测得数据与理想情况的相对误差则越来越大，因此我觉得用这种方法测量本实验不太好。
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指导教师批阅意见： 成绩评定： 实验设计方案40分 实验操作及数据记录、（30分） 数据处理与结果陈述（30分） 总分
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