第十章 含有耦合电感的电路

第十章含有耦合电感的电路本章重点互感10-1含有耦合电感电路的计算10-2耦合电感的功率10-3变压器原理10-4理想变压器10-5重点1.互感和互感电压2.有互感电路的计算3.变压器和理想变压器原理10-1互感耦合电感元件属于多端元件，在实际电路中，如收音机、电视机中的中周线圈、振荡线圈，整流电源里使用的变压器等都是耦合电感元件，熟悉这类多端元件的特性，掌握包含这类多端元件的电路问题的分析方法是非常必要的。变压器电力变压器三相电力变压器小变压器调压器整流器牵引电磁铁电流互感器1.互感线圈1中通入电流i1时，在线圈1中产生磁通，同时，有部分磁通穿过临近线圈2，这部分磁通称为互感磁通。两线圈间有磁的耦合。21+–u11+–u21i111N1N2定义：磁通链，=N空心线圈，与i成正比。当只有一个线圈时：当两个线圈都有电流时，每一线圈的磁通链为自感磁通链与互感磁通链的代数和：M值与线圈的形状、几何位置、空间媒质有关，与线圈中的电流无关，满足M12=M21。②L总为正值，M值有正有负。注意1=11=L1i1L1为自感系数，单位H(亨)1=1112=L1i1M12i22=2221=L2i2M21i12.耦合系数用耦合系数k表示两个线圈磁耦合的紧密程度。k=1称全耦合:漏磁1=2=011=21，22=12满足：耦合系数k与线圈的结构、相互几何位置、空间磁介质有关。注意互感现象利用——变压器：信号、功率传递避免——干扰克服：合理布置线圈相互位置或增加屏蔽减少互感作用。电抗器电抗器磁场铁磁材料屏蔽磁场当i1为时变电流时，磁通也将随时间变化，从而在线圈两端产生感应电压。当i1、u11、u21方向与符合右手螺旋法则时，根据电磁感应定律和楞次定律有自感电压互感电压3.耦合电感上的电压、电流关系当两个线圈同时通以电流时，每个线圈两端的电压均包含自感电压和互感电压。在正弦交流电路中，其相量形式的方程为两线圈的自感磁通链和互感磁通链方向一致，互感电压取正，否则取负。表明互感电压的正、负：（1）与电流的参考方向有关。（2）与线圈的相对位置和绕向有关。注意4.互感线圈的同名端对自感电压，当u,i取关联参考方向，u、i与符合右手螺旋法则，其表达式为上式说明，对于自感电压由于电压、电流为同一线圈上的，只要参考方向确定了，其数学描述便可容易地写出，可不用考虑线圈绕向。i1u11对互感电压，因产生该电压的电流在另一线圈上，因此，要确定其符号，就必须知道两个线圈的绕向。这在电路分析中显得很不方便。为解决这个问题引入同名端的概念。当两个电流分别从两个线圈的对应端子同时流入或流出，若所产生的磁通相互加强时，则这两个对应端子称为两互感线圈的同名端。同名端**△△线圈的同名端必须两两确定。注意+–u11+–u21110N1N2+–u31N3i1i2i3确定同名端的方法：(1)当两个线圈中电流同时由同名端流入(或流出)时，两个电流产生的磁场相互增强。**11'22'3'3**例(2)当随时间增大的时变电流从一线圈的一端流入时，将会引起另一线圈相应同名端的电位升高。i11'22'+–V同名端的实验测定：**电压表正偏。如图电路，当闭合开关S时，i增加，当两组线圈装在黑盒里，只引出四个端线组，要确定其同名端，就可以利用上面的结论来加以判断。RS+-ii11'22'由同名端及u、i参考方向确定互感线圈的特性方程有了同名端，表示两个线圈相互作用时，就不需考虑实际绕向，而只画出同名端及u、i参考方向即可。i1**u21+–Mi1**u21+–M例1-1写出图示电路电压、电流关系式i1**L1L2+_u1+_u2i2Mi1**L1L2+_u1+_u2i2Mi1**L1L2+_u1+_u2i2Mi1**L1L2+_u1-+u2i2M解例1-221O10i1/At/s解已知。MR1R2i1**L1L2+_u+_u21010-2含有耦合电感电路的计算1.耦合电感的串联①顺接串联去耦等效电路iM**u2+–R1R2L1L2u1+–u+–iRLu+–②反接串联注意iM**u2+–R1R2L1L2u1+–u+–iRLu+–顺接一次，反接一次，就可以测出互感：全耦合时当L1=L2时,M=L4M顺接0反接L=互感的测量方法：在正弦激励下：**–jL1jL2jM+–R1+–+–R2相量图：(a)顺接(b)反接**jL1jL2jM+–R1+–+–R2同名端的实验测定：思考题两互感线圈装在黑盒子里，只引出四个端子，现在手头有一台交流信号源及一只万用表，试用试验的方法判别两互感线圈的同名端。黑盒子①同侧并联i=i1+i2解得u,i的关系2.耦合电感的并联**Mi2i1L1L2ui+–如全耦合：L1L2=M2当L1L2，Leq=0(短路)当L1=L2=L，Leq=L(相当于导线加粗，电感不变)等效电感：去耦等效电路Lequi+–②异侧并联i=i1+i2解得u,i的关系：等效电感：**Mi2i1L1L2ui+–3.耦合电感的T型等效①同名端为共端的T型去耦等效3**jL112jL2jM312j(L1-M)j(L2-M)jM②异名端为共端的T型去耦等效3**jL112jL2jM312j(L1+M)j(L2+M)-jM**Mi2i1L1L2ui+–(L1-M)M(L2-M)i2i1ui+–**Mi2i1L1L2u1+–u2+–**Mi2i1L1L2u1+–u2+–(L1-M)1i2iM(L2-M)4.受控源等效电路**Mi2i1L1L2u1+–u2+–jL1jL2+––++–+–例2-1Lab=5HLab=6H解M=3H6H2H0.5H4HabM=4H6H2H3H5HabM=1H9H7H-3H2H0.5Hab4H3H2H1Hab3H5.有互感电路的计算①在正弦稳态情况下，有互感的电路的计算仍应用前面介绍的相量分析方法。②注意互感线圈上的电压除自感电压外，还应包含互感电压。③一般采用支路法和回路法计算。例2-2列写电路的回路电流方程。MuS+C－L1L2R1R2**+－ki1i1213解MuS+C－L1L2R1R2**+－ki1i1例2-3求图示电路的开路电压。解法1M12+_+_**M23M31L1L2L3R1作出去耦等效电路，(一对一对消):解法2M12**M23M31L1L2L3L2–M12–M23M31L1–M12+M23L3+M12–M23L1–M12+M23–M13L2–M12–M23+M13L3+M12–M23–M13**M23M31L1–M12L2–M12L3+M12L1–M12+M23–M13L2–M12–M23+M13L3+M12–M23–M13+_+_R1例2-4图示互感电路已处于稳态，t=0时开关打开，求t0时开路电压u2(t)。解二次回路开路，对一次回路无影响，开路电压u2(t)中只有互感电压。先应用三要素法求电流i(t)。**0.2H0.4HM=0.1H+–1040Vu2+－10510i**0.2H0.4HM=0.1H10u2+-1010-3耦合电感的功率当耦合电感中的施感电流变化时，将出现变化的磁场，从而产生电场（互感电压），耦合电感通过变化的电磁场进行电磁能的转换和传输，电磁能从耦合电感一边传输到另一边。例3-1求图示电路的复功率。**jL1jL2jM+–R1R2**jL1jL2jM+–R1R2线圈1中互感电压耦合的复功率线圈2中互感电压耦合的复功率注意①两个互感电压耦合的复功率为虚部同号、实部异号，这一特点是耦合电感本身的电磁特性所决定的。②耦合功率中的有功功率相互异号，表明有功功率从一个端口进入，必从另一端口输出，这是互感M非耗能特性的体现。③耦合功率中的无功功率同号，表明两个互感电压耦合功率中的无功功率对两个耦合线圈的影响的性质是相同的，即，当M起同向耦合作用时，它的储能特性与电感相同，将使耦合电感中的磁能增加；当M起反向耦合作用时，它的储能特性与电容相同，将使耦合电感的储能减少。注意10-4变压器原理变压器由两个具有互感的线圈构成，一个线圈接向电源，另一线圈接向负载，变压器是利用互感来实现从一个电路向另一个电路传输能量或信号的器件。当变压器线圈的心子为非铁磁材料时，称空心变压器。1.变压器电路（工作在线性段）一次回路二次回路Z=R+jX**jL1jL2jM+–R1R22.分析方法①方程法分析令Z11=R1+jL1，Z22=(R2+R)+j(L2+X)回路方程：jMZ=R+jX**jL1jL2+–R1R2②等效电路法分析+–Z11+–Z22一次侧等效电路二次侧等效电路根据以上表示式得等效电路。二次侧对一次侧的引入阻抗。引入电阻。恒为正,表示二次回路吸收的功率是靠一次回路供给的。引入电抗。负号反映了引入电抗与二次回路电抗的性质相反。+–Z11一次侧等效电路注意引入阻抗反映了二次回路对一次回路的影响。一、二次回路虽然没有电的连接，但互感的作用使二次回路产生电流，这个电流又影响一次回路的电流、电压。能量分析电源发出有功功率P=I12(R1+Rl)I12R1消耗在一次侧；I12Rl消耗在二次侧证明一次侧对二次侧的引入阻抗。利用戴维宁定理可以求得变压器的二次侧等效电路。二次侧开路时，一次电流在二次侧产生的互感电压。二次侧等效电路+–Z22注意③去耦等效法分析对含互感的电路进行去耦等效，再进行分析。已知Us=20V,一次侧引入阻抗Zl=(10–j10)。求:ZX并求负载获得的有功功率。负载获得功率：实际是最佳匹配：例4-1解(10+j10)Zl+–**j10j10j2+–10ZXL1=3.6H,L2=0.06H,M=0.465H,R1=20,R2=0.08,RL=42,=314rad/s,应用一次等效电路例4-2解法1+–Z11**jL1jL2jM+–R1R2RL+–Z11应用二次等效电路解法2+–Z22例4-3全耦合电路如图，求ab端的等效阻抗。解法1**L1aM+–bL2解法2画出去耦等效电路**L1aM+–bL2L1－ML2－M+–Mab例4-4L1=L2=0.1mH,M=0.02mH,R1=10,C1=C2=0.01F问：R2=？能吸收最大功率,求最大功率。解法1=106rad/s,jL1jL2jMR1R2**+–1/jC21/jC1应用一次等效电路当R2=40时吸收最大功率10+–解法2应用二次等效电路当时吸收最大功率R2+–解例4-5问Z为何值时其上获得最大功率，求出最大功率。①判定互感线圈的同名端**＋－uS(t)Z100CL1L2MjL1R+–MZ**jL21/jC②作去耦等效电路jL1R+–MZ**jL21/jC+–Zj100－j20j20100j(L-20)+–Zj100100j(L-20)j100100j(L-20)Zeq＋－uoc+–j100100j(L-20)10-5理想变压器1.理想变压器的三个理想化条件理想变压器是实际变压器的理想化模型，是对互感元件的理想科学抽象，是极限情况下的耦合电感。②全耦合①无损耗线圈导线无电阻，做心子的铁磁材料的磁导率无限大。③参数无限大以上三个条件在工程实际中不可能满足，但在一些实际工程概算中，在误差允许的范围内，把实际变压器当作理想变压器对待，可使计算过程简化。注意2.理想变压器的主要性能①变压关系i11'22'N1N2若注意理想变压器模型**n:1+_u1+_u2**n:1+_u1+_u2②变流关系考虑理想化条件：0**+_u1+_u2i1L1L2i2M**n:1+_u1+_u2理想变压器模型i1i2若i1、i2一个从同名端流入，一个从同名端流出，则有注意③变阻抗关系注意理想变压器的阻抗变换只改变阻抗的大小，不改变阻抗的性质。n2Z+–**+_u1+_u2i1L1L2i2M+_Z**n:1+_②理想变压器的特性方程为代数关系