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1、1,第10章 含有耦合电感的电路,重点,1.互感和互感电压,2.有互感电路的计算,3.空心变压器和理想变压器,2,变压器,3,变压器,4,有载调压变压器,5,小变压器,6,调压器,镇流器,牵引电磁铁,电流互感器,7,一、 自感和自感电动势,10. 1 自感和自感电压,自感磁通链：线圈中由电流 i 产生的磁通在自身线圈产生的磁通链。,由楞次定律，有自感电动势,其中,称为自感系数，由线圈的几何性质决定。,8,10.2 互感,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
2、件的电路问题的分析方法是非常必要的。,线圈1中通入电流i1时，在线圈1中产生磁通(magnetic flux)，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。,9,定义 ：磁链 (magnetic linkage)， =N,当线圈周围无铁磁物质(空心线圈)时，与i 成正比,当只有一个线圈时：,互感磁通链21： 11中的一部分或全部交链线圈N2时产生的磁通链。,互感磁通链12： 22中的一部分或全部交链线圈N1时产生的磁通链。,自感磁通链11：线圈N1中由电流i1产生的磁通11在自身线圈产生的磁通链。,互感的“反相耦合”作用,磁耦合：两个通电线圈之间 通过磁场的相互
3、影响的耦合。,10,当两个线圈都有电流时，每一线圈的磁链为自磁链与互磁链的代数和：,注,（1）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。（2）L总为正值，M值有正有负.,同向耦合,反向耦合,+,+,-,-,u1,i1,11,2. 耦合系数 (coupling coefficient),用耦合系数k 表示两个线圈磁耦合的紧密程度。,当 k=1 称全耦合: 漏磁 F s1 =Fs2=0,即 F11= F21 ，F22 =F12,一般有：,耦合系数k与线圈的结构、相互几何位置、空间磁介质有关,12,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
4、线圈相互位置或增加屏蔽减少互感作用。,13,14,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 符合右手螺旋时，根据电磁感应定律和楞次定律：,自感电压,互感电压,3. 耦合电感上的电压、电流关系,15,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：,同向耦合,反向耦合,+,+,-,-,u1,i1,16,两线圈的自磁链和互磁链相助，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,在正弦交流电路中，其相量形式的方程为,17,4.互感线圈的同名端,对自
5、感电压，当u, i 取关联参考方向，u、i与符合右螺旋定则，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。,对互感电压，因产生该电压的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。,18,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,注意：线圈的同名端必须两两确定。,19,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
6、产生的磁场相互增强。,*,*,*,*,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。,20,同名端：当两个电流分别从两个线圈的对应端子流入 ，其所产生的磁场互加强时，则这两个对应端子称为同名端。同名端表明了线圈的相互绕法关系,*,*,*,*,同名端,i2,i2,*,a,b,a,b,a,b,a,b,a,b,c,d,c,d,21,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。,当断开S时，如何判定？,22,由同名端及u、i参考方向确
7、定互感线圈的特性方程,有了同名端，以后表示两个线圈相互作用，就不再考虑实际绕向，而只画出同名端及参考方向即可。,23,例,写出图示电路电压、电流关系式,24,25,例,解,26,10.2 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,27,（2） 反接串联,互感不大于两个自感的算术平均值。,28,顺接一次，反接一次，就可以测出互感：,全耦合时,当 L1=L2 时 , M=L,互感的测量方法：,29,在正弦激励下：,+,30,相量图：,(a) 顺接,(b) 反接,31,线圈1：,线圈2：,32,线圈1：,线圈2：,33,（1） 同侧并联,i = i1 +i2,解得
8、u, i 的关系：,2. 耦合电感的并联,34,如全耦合：L1L2=M2,当 L1L2 ，Leq=0 (物理意义不明确),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,35,（2） 异侧并联,i = i1 +i2,解得u, i 的关系：,等效电感：,36,3.耦合电感的T型等效,（1） 同名端为共端的T型去耦等效,37,（2） 异名端为共端的T型去耦等效,38,39,1. 已知如图，求入端阻抗 Z=?,方法一：外加电压求电流,三.计算举例,jL1,jL2,+,解：相量图模型及回路电流如图（b）所示，有,（b）,（a）,40,解法二：去耦等效,解：相量
9、图模型及去耦等效电路如图(a)、（b）所示，有,（a）,j（L1-M）,j（L2-M）,（b）,相量图模型,去耦等效电路,Z,41,4. 受控源等效电路,42,例,Lab=5H,Lab=6H,解,43,5. 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。,列写下图电路的回路电流方程。,例1,44,回路电流法：,注意: 互感线圈的互感电压的的表示式及正负号。,含互感的电路，直接用节点法列写方程不方便。,-,+,+,-,+,-,+,-,不考虑互感,考
10、虑互感,例,45,解,ki1,46,例10-5,47,方法（1）外加电压法： 解：外加电压和回路电流如图 所示。有,求内阻：Zi,48,方法（2）：去耦等效： 解：去耦等效电路如图(b)所示，有,(a),(b),49,例2,求图示电路的开路电压。,解1,50,作出去耦等效电路，(一对一对消):,解2,51,若M12 M23 M13 M，则,52,53,例3,要使i=0，问电源的角频率为多少？,解,54,10.3 空心变压器,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。当变压器线圈的芯子为非铁磁材料时，称空
11、心变压器。,1. 空心变压器电路,原边回路,副边回路,55,2. 分析方法,（1） 方程法分析,令 Z11=R1+j L1， Z22=(R2+R)+j( L2+X) Z12=Z21= - j M,回路方程：,56,57,原边等效电路,（2） 等效电路法分析,引入阻抗,由前面分析知,58,副边等效电路,+,_,同理，从副边向原边看，有,引入阻抗,59,Zl= Rl+j Xl,副边对原边的引入阻抗。,引入电阻。恒为正 , 表示副边回路吸收的功率是靠原边供给的。,引入电抗。负号反映了引入电抗与付边电抗的性质相反。,原边等效电路,60,引入阻抗反映了副边回路对原边回路的影响。从物理意义讲，虽然原副边没
12、有电的联系，但由于互感作用使闭合的副边产生电流，反过来这个电流又影响原边电流电压。,从能量角度来说 :,电源发出有功功率 P= I12(R1+Rl),I12R1 消耗在原边；,I12Rl 消耗在副边，由互感传输。,证明,61,原边反映到副边的引入阻抗。,利用戴维宁定理可以求得空心变压器副边的等效电路 。,副边开路时，原边电流在副边产生的互感电压。,副边等效电路,（3） 去耦等效法分析,对含互感的电路进行去耦等效，变为无互感的电路，再进行分析。,62,已知 US=20 V , 原边引入阻抗 Zl=10j10.,求: ZX 并求负载获得的有功功率.,此时负载获得的功率：,实际是最佳匹配：,解：,例
13、1,解,63,L1=3.6H , L2=0.06H , M=0.465H , R1=20W , R2=0.08W ,RL=42W , w =314rad/s,应用原边等效电路,例2,解1,64,应用副边等效电路,解2,65,例3,全耦合互感电路如图，求电路初级端ab间的等效阻抗。,解1,解2,画出去耦等效电路,66,例4,L1=L2=0.1mH , M=0.02mH , R1=10W , C1=C2=0.01F ,问：R2=？能吸收最大功率, 求最大功率。,解1,w =106rad/s,应用原边等效电路,当,R2=40时吸收最大功率,67,解2,应用副边等效电路,当,时吸收最大功率,例5,图示
14、互感电路已处于稳态，t=0时开关打开， 求t 0+时开路电压u2(t)。,68,解,副边开路，对原边回路无影响，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).,69,解,例6,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。,70,（2）作去耦等效电路,71,72,10.4 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，做芯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
15、程概算中，在误差允许的范围内，把实际变压器当理想变压器对待，可使计算过程简化。,73,2.理想变压器的主要性能,（1）变压关系,理想变压器模型,若,74,（2）变流关系,考虑到理想化条件：,若i1、i2一个从同名端流入，一个从同名端流出，则有：,理想变压器模型,75,（3）变阻抗关系,理想变压器的阻抗变换性质只改变阻抗的大小，不改变阻抗的性质。,注,76,（b）理想变压器的特性方程为代数关系，因此它是无记忆的多端元件。,（a）理想变压器既不储能，也不耗能，在电路中只起传递信号和能量的作用。,（4）功率性质,表明：,77,例1,已知电源内阻RS=1k，负载电阻RL=10。为使RL上获得最大功率，求理想变压器的变比n。,当 n2RL=RS时匹配，即,10n2=1000, n2=100， n=10 .,应用变阻抗性质,78,例2,方法1：列方程,解得,79,方法2：阻抗变换,方法3：戴维南等效,80,求Req：,Req=1021=100,戴维南等效电路：,81,例4,已知图示电路的等效阻抗Zab=0.25，求理想变压器的变比n。,解,应用阻抗变换,外加电源得：,n=0.5 or n=0.25,82,例5,求电阻R 吸收的功率,解,应用回路法,解得
