含有耦合电感的电路.ppt

1 第十章含有耦合电感的电路 本章要点 1 互感与互感电压 3 空心变压器 4 理想变压器 2 含有耦合电感电路的分析计算 2 10 1互感 1 磁耦合 载流线圈之间通过彼此的磁场相互联系的物理现象 11 21 自感磁通 互感磁通 施感电流 定义 磁链 N 自感磁链 11 N1 11 互感磁链 21 N2 21 双下标的含义 位置 原因 3 12 22 11 21 10 1互感 线圈1对线圈2的互感系数 单位亨 H 线性电感 M21 M12 M简称为 互感 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 1 11 12 L1i1 M12i2 2 22 21 L2i2 M21i1 4 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 可用M表示 2 L总为正值 M值有正有负 注意 10 1互感 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 5 2 耦合因数 工程上为了定量描述两个耦合线圈的耦合程度 把两线圈的互感磁通链与自感磁通链的比值的几何平均值定义为耦合因数 用k表示 k表示两个线圈磁耦合的紧疏程度 紧密耦合K 1 如电力变压器 无线电技术 采用铁磁材料 采用增加屏蔽或合理布置线圈位置可使K 0 减小互感作用 10 1互感 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 6 3 耦合电感上的电压 电流关系 10 1互感 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 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 7 自感电压 互感电压 10 1互感 在正弦交流电路中 其相量形式的方程为 设L1和L2的电压和电流分别为u1 i1和u2 i2 且方向为关联参考方向 互感为M 则有 两线圈的自磁链和互磁链相助 互感电压取正 否则取负 为互感抗 8 4 互感线圈的同名端 10 1互感 对自感电压 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 9 a 根据它们的绕向和相对位置判断 b 实验方法判断 同名端 当两个电流分别从两个线圈的对应端子流入 其所产生的磁场相互加强时 则这两个对应端子称为同名端 用 或 表示 10 1互感 注意 线圈的同名端必须两两确定 M取 正 互感磁链与自感磁链方向一致 M取 负 互感磁链与自感磁链方向相反 10 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 例 确定图示电路的同名端 同名端就是反映线圈的相互缠绕关系 10 1互感 11 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 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 电压表正偏 当闭合开关S时 i增加 10 1互感 同名端的实验测定 12 由同名端及u i参考方向确定互感线圈的特性方程 方法一 同向耦合时 互感电压与自感电压同号 反向耦合时 与自感电压异号 10 1互感 方法二 施感电流的入端与其互感电压的 极性端为耦合电感的同名端时 该互感电压与电流为相关联 13 根据图中 同名端 写出感应电压表达式 例1 i2 10 1互感 14 例2 互感耦合电路中 i1 10A i2 5cos10tA L1 2H L2 3H M 1H 求两耦合线圈中的磁通链 解 10 1互感 15 5 耦合电感的等效受控源电路 为互感抗 10 1互感 16 10 2含有耦合电感电路的计算 一 互感线圈的串联 1 同名端顺接 在正弦激励下 去耦等效电路 17 2 同名端反接 在正弦激励下 反接 类似于串联电容 常称为互感的 容性 效应 10 2含有耦合电感电路的计算 注意 18 顺接一次 反接一次 就可以测出互感 全耦合 当L1 L2时 M L 4M顺接 0反接 L 串联耦合电感互感的测量方法 10 2含有耦合电感电路的计算 19 图示电路中 正弦电压的U 50V R1 3 L1 7 5 R2 5 L2 12 5 M 8 求该耦合电感的耦合因数K和该电路中吸收的复功率 耦合因数K为 例10 3 解 10 2含有耦合电感电路的计算 20 二 互感线圈的并联 1 同侧并联 同名端连接在同一个结点上 在正弦稳态情况下 10 2含有耦合电感电路的计算 无互感 去耦 的等效电路 去耦等效电路的条件 如果耦合电感的两条支路各有一端与第3条支路形成一个仅含3条支路的共同结点 可用3条无耦合的电感支路等效替代 21 2 同名端在异侧 支路3 支路1 支路2 10 2含有耦合电感电路的计算 22 整理得 三 互感消去法 10 2含有耦合电感电路的计算 同名端为共端的T型去耦等效 有公共端的耦合电感的T形去耦等效电路 23 整理得 10 2含有耦合电感电路的计算 异名端为共端的T型去耦等效 24 T型去耦等效电路中3条支路的等效电感分别为 10 2含有耦合电感电路的计算 支路3 支路1 同侧取 异侧取 支路2 25 M i2 i1 L1 L2 u i 10 2含有耦合电感电路的计算 26 例 Lab 6H Lab 5H 10 2含有耦合电感电路的计算 解 27 四 有互感电路的计算 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 注意互感线圈上的电压除自感电压外 还应包含互感电压 一般采用支路法和回路法计算 列写电路的回路电流方程 10 2含有耦合电感电路的计算 例1 28 10 2含有耦合电感电路的计算 解 29 求图示电路的开路电压 10 2含有耦合电感电路的计算 例2 解1 30 作出去耦等效电路 一对一对消 解2 10 2含有耦合电感电路的计算 31 10 2含有耦合电感电路的计算 L1 M12 M23 M13 L2 M12 M23 M13 L3 M12 M23 M13 32 10 2含有耦合电感电路的计算 已知 求其戴维宁等效电路 例10 5 解 33 求等效阻抗 Zi 1 加压求流 列回路电流方程 10 2含有耦合电感电路的计算 34 10 2含有耦合电感电路的计算 2 去耦等效 35 列写下图电路的方程 例3 支路电流法 1 2 解 10 2含有耦合电感电路的计算 36 10 2含有耦合电感电路的计算 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 直接用结点法列写方程不方便 37 10 2含有耦合电感电路的计算 支路法 例2 解 38 10 2含有耦合电感电路的计算 整理 得 39 10 2含有耦合电感电路的计算 回路法 40 10 2含有耦合电感电路的计算 整理得 41 10 3耦合电感的功率 42 耦合电感的电路方程 耦合电感的瞬时功率方程 10 3耦合电感的功率 43 耦合电感的复功率 10 3耦合电感的功率 44 两个互感电压耦合的复功率为虚部同号 而实部异号 这一特点是耦合电感本身的电磁特性所决定的 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 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 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 10 3耦合电感的功率 45 图示电路中 US 50V R1 3 L1 7 5 R2 5 L2 12 5 M 8 求电路的复功率 并说明互感在功率转换和传输中的作用 例 解 设 得 10 3耦合电感的功率 46 10 4变压器原理 变压器是一种常见的电气设备 在电力系统和电子线路中应用广泛 一 变压器的主要功能 变压器 利用磁耦合来传输能量或信号的器件 47 10 4变压器原理 48 10 4变压器原理 49 10 4变压器原理 50 10 4变压器原理 二 变压器的结构 变压器的磁路 变压器的电路 51 二次回路 一次回路 三 变压器等效电路 令 一次侧 二次侧 10 4变压器原理 52 10 4变压器原理 一次侧 二次侧 解得 1 原边等效电路 说明二次回路对一次回路的影响可以用反映阻抗来考虑 从物理意义讲 虽然原副边没有电的联系 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 引入阻抗的性质与Z22相反 即感性 容性 变容性 感性 Z11 R1 j L1 Z22 R2 RL j L2 XL 53 2 副边等效电路 副边开路时 原边电流在副边产生的互感电压 Z11 R1 j L1 Z22 R2 RL j L2 XL 54 注意 不论初 次级回路反映阻抗都串在回路中 不论是初级回路阻抗还是次级回路阻抗 反映到另一回路后均改变其阻抗的性质 次级对初级的反映阻抗 初级对次级的反映阻抗 10 4变压器原理 55 图示电路 R1 R2 0 L1 5H L2 3 2H M 4H ui 100cos 10t ZL RL jXL 10 求变压器的耦合因数和一 二次的电流i1 i2 例 解 变压器耦合因数为 变压器为全耦合电感 56 57 10 5理想变压器 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 1 理想变压器的三个理想化条件 2 全耦合 1 无损耗 3 参数无限大 线圈导线无电阻 做芯子的铁磁材料的磁导率无限大 理想变压器模型 58 2 理想变压器的主要性能 1 变压关系 10 5理想变压器 59 结论 改变匝数比 就能改变输出电压 注意 当u1为独立电压源时 二次侧不能短路 10 5理想变压器 60 2 变流关系 考虑到理想化条件 注意 若其中一电流反向或同名端位置改变则符号相反 结论 原 副边电流与匝数成反比 10 5理想变压器 61 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 注意 Zin 10 5理想变压器 62 4 功率性质 表明 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 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 10 5理想变压器 63 已知电源内阻RS 1k 负载电阻RL 10 为使RL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 RL u