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变压器与线圈组合探究
、实验目的
1、验证变压器原理;
2、探究山形电压器电压分布及其变化规律。
、实验器材
1、CI-6552APOWERAMPLIFIERII电源适配器;
2、ScienceWorkshop?
750Interface接线器;
3、匝数为400、800、1600、3200的线圈若干;
4、方形铁芯与山形铁芯若干;
5、计算机及数据处理软件DataStudio;
6、导线若干。
三、实验原理
1、变压器简介
变压器(Transformer)利用互感原理工作。
变压器是利用电磁感应的原理来改变交流电压的装置,主要构件是初级线圈、次级线圈和铁芯(磁芯)。
其主要功能有:
电压变换、电流变换、阻抗变换、隔离、稳压(磁饱和变压器)等。
按用途可以分为:
配电变压器、电力变压器、全密封变压器、组合式变压器、干式变压器、油浸式变压器、单相变压器、电炉变压器、整流变压器等。
变压器在电器设备和无线电路中常被用来升降电压、匹配阻抗,安全隔离等。
在发电机中,不管是线圈运动通过磁场或磁场运动通过固定线圈,均能在线圈中感应电势,此两种情况,磁通的值均不变,但与线圈相交链的磁通数量却有变动,这是互感应的原理。
变压器就是一种利用电磁互感应,变换电压,电流和阻抗的器件。
变压器的最基本形式,包括两组绕有导线之线圈,并且彼此以电感方式称合一起。
当一交流电流(具有某一已知频率)流于其中之一组线圈时,于另一组线圈中将感应出具有相同频率的交流电压,而感应的电压大小取决于两线圈耦合及磁交链之程度。
一般指连接交流电源的线圈称之为一次线圈;
而跨于此线圈的电压称之为一次电压。
在二次线圈的感应电压可能大于或小于一次电压,是由一次线圈与二次线圈间的匝数比所决定的。
因此,变压器区分为升压与降压变压器两种。
2、变压器相关计算原理
变压器是变换交流电压、交变电流和阻抗的器件,当初级线圈中通有交流电流
时,铁芯(或磁芯)中便产生交流磁通,使次级线圈中感应出电压(或电流)。
变压器两组线圈圈数分别为N1和N2,N1为初级,N2为次级。
变压器原理图
在初级线圈上加一交流电压,在次级线圈两端就会产生感应电动势.当N2>
N1时,其感应电动势要比初级所加的电压还要高,这种变压器称为升压变压器:
当N2<
N1时,其感应电动势低于初级电压,这种变压器称为降压变压器。
初级次级电压和线圈圈数间具有下列关系:
U1n1
U2n2
式中
kn1
n2
称为电压比(圈数比),当k1,该变压器为降压变压器;
当k1则为升压变压器。
另有电流之比
电功率
P1P2注意:
上面的式子,只在理想变压器只有一个副线圈时成立。
当有两个副线圈时:
P1P2P3
电流则须利用电功率的关系式去求,有多个时,依此类推。
四、实验任务
1、验证初级次级电压和线圈圈数的公式;
2、观察并记录铁芯形状与线圈匝数的分布关系;
3、观察并记录铁芯不闭合时输入电压与输出电压的关系;
4、观察并记录铁芯数与输入电压、输出电压的分布关系;
五、实验假设
1、实验结果应该大致符合初级次级电压和线圈圈数的公式,但是由于存在能量损耗等因素,所以会存在一定的误差;
2、输出电压的大小与铁芯的数目有关,铁芯数越多,磁通链总数不变得情况下,铁芯内分得的磁通链越少,感应电动势越少;
3、输出电压与铁芯的形状分布(铁芯之间的距离)无关,只与线圈匝数的多少有关。
六、实验步骤
1、打开信号源、信号测量仪器及软件DataStudio,按照第一组的变压器连接图连接好电路;
2、使用DataStudio软件启动信号输出源,计算机记录实验中测得的输入输出电压,对所得数据拟合得到变化曲线;
3、使用控制变量法,改变部分变量来研究各个变量之间的关系。
更换变压器连接方式,重新进行第二步;
4、结束实验,整理试验台。
七、实验数据和数据分析
(一)实验数据
1.实验中共研究了十四中情况下的输出、输入电压关系,其变压器连接图及实验所得数据分别如下:
(1)输入电压5V,输入线圈3200匝,输出线圈3200匝,线圈不闭合无支路:
①实验图:
②数据图:
(3)输入电压5V,左侧输入线圈400匝,右侧输出线圈800匝,中间输出线圈1600匝,铁芯闭合
①实验图:
(4)输入电压5V,左侧输入线圈400匝,中间上部为输出线圈800匝,下部为输出线圈1600匝,右侧铁芯无线圈,铁芯闭合
(5)输入电压2V,左侧铁芯输出线圈800匝,中间上部为输入线圈400匝,下部为输出线圈1600匝,右侧铁芯无线圈,铁芯闭合
(6)输入电压2V,左侧输入线圈400匝,中间上部为输出线圈800匝,下部为输出线圈1600匝,上下两线圈串联,右侧铁芯无线圈,铁芯闭合(400in左-[1600下-串-800上]中out-右空(闭合)):
(7)输入电压2V,中间为输入线圈400匝,左侧为输入线圈1600匝,右侧为输出线圈800匝,铁芯闭合(1600左Out-400中in-800右out(闭合)):
(8)输入电压2V,中间为输入线圈400匝,左侧输出线圈1600匝,右侧输出线圈800匝,铁芯均不闭合(1600左Out-400中in-800右out(不闭合)):
(9)输入电压2V,中间为输入线圈400匝,左侧输出线圈1600匝,右侧输出线圈800匝,铁芯上部放置两段铁芯但不紧固(如下图)
(10)输入电压2V,中间为输入线圈400匝,左侧输出线圈1600匝,右侧输出线圈3200匝,铁芯中间与左侧之间闭合,右侧铁芯不闭合
(11)输入电压2V,中间为输入线圈400匝,左侧输出线圈1600匝,右侧输出线圈800匝,中间与左侧之间铁芯闭合,右侧不闭合
(12)输入电压2V,左侧输入线圈400匝,中间输出线圈1600匝,右侧输出线圈3200匝,中间与左侧线圈之间闭合,右侧线圈不闭合
(13)输入电压3V,左侧为输入线圈400匝,中间为输出线圈1600匝,右侧为输出线圈1600匝,铁芯闭合
(14)输入电压3V,左侧为输入线圈400匝,中间输出线圈1600匝,右侧输出线圈3200匝,铁芯闭合
(二)数据分析:
对照各组实验进行分析:
(1)第3和13、14组共同说明在日字形磁芯中,输入端在一侧时,离得近的铁芯中激发的磁通是离得远的铁芯中的二倍,前提是左右两部分是完全相同的。
(2)12、13对照——表明铁芯不闭合会带来大量的磁通损失,同时不再是正弦关系.10、11共同说明不闭合时不再是正弦关系,10和11中右边线圈的800匝与3200匝对照说明,虽然不成正弦变化,但激励电压的大小基本上仍然与匝数成正比。
(3)7、8对照——表明不闭合时会有很大的磁通损失,但输出的电压相互之间依旧是与匝数成正比的。
(4)7、8、9对照——也是闭合与不闭合的比较,不同的是这里输入是在中间。
其中不太闭合是在原有的山形上边轻轻放上两根铁棒,相互之间有涂层阻断,事实表明不太闭合的情况跟完全不闭合是一模一样的
(5)14——表明有损失,但基本是符合比例。
八、结论
1、符合变压器变压公式;
2、磁通链的分布和铁心的形状分布有关,与线圈匝数无关;
3、磁通链的分布与所形成的铁心柱数呈负相关,铁心柱数越多,各铁心柱分得的磁通链数越少,变压后输出电压越小;
4、磁通链分布与铁心柱离输入电压柱的距离呈负相关,铁心柱越远,铁心柱分得的磁通链越少,变压后输出的电压越小;
5、同一铁心柱上放置输入电压线圈和输出电压线圈,输出电压与输入电压之比符合相应线圈匝数之比;
6、铁心不闭合情况下(漏磁),输入电压和输出电压的关系仍然符合线圈匝数之比。
九、误差讨论
1、尽管铁芯是用铁片制成,铁芯中实际上仍是存在涡流的,所以会有磁通的损耗,个人认为这是主要原因,因为即使在铁芯闭合的实验中,也存在较大的磁通损耗;
2、铁芯并不完全密闭,所以会有或多或少的漏磁现象,因而即使看上去闭合也会有磁通损耗。
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