第5章 互感耦合电路

引言,耦合电感和理想变压器是构成实际变压器电路模型的必不可少的元件。在实际电路中，如收音机、电视机中使用的中周、振荡线圈，在整流电源里使用的变压器等，都是耦合电感与变压器元件。,在本章中，将介绍它们的伏安关系和含此类元件的电路的分析方法。,第5章互感耦合电路,5.1互感,5.1.1.互感现象5.1.2互感系数5.1.3耦合系数5.1.4互感电压5.1.5互感线圈的同名端,在交流电路中，如果在一个线圈的附近还有另一个线圈，当其中一个线圈中的电流变化时，不仅在本线圈中产生感应电压，而且在另一个线圈中也要产生感应电压，这种现象称为互感现象，由此而产生的感应电压称为互感电压。这样的两个线圈称为互感线圈。,5.1.1.互感现象,一、互感系数的定义,如图5-1，类似于自感系数的定义，互感系数的定义为,为讨论方便，规定每个线圈的电压、电流取关联参考方向，且每个线圈的电流的参考方向和该电流所产生的磁通的参考方向符合右手螺旋法则。,5.1.2互感系数,式（5-1a）表明线圈1对线圈2的互感系数，等于穿过线圈2的互感磁链与激发该磁链的线圈1中的电流之比。式（5-1b）表明线圈2对线圈1的互感系数，等于穿过线圈1的互感磁链与激发该磁链线圈2中的电流之比，可以证明,M21=M12=M,所以，我们以后不再加下标，一律用表示两线圈的互感系数，简称互感。互感的单位与自感相同，也是亨利（H）。,两个互感线圈的构成和相对位置确定时，线圈间的互感M是线圈的固有参数。M的大小它取决于两个线圈的匝数、几何尺寸、相对位置和磁介质。当磁介质为非铁磁性介质时，M是常数，本章讨论的互感M均为常数。,一般情况下，两个耦合线圈的电流所产生的磁通，只有部分磁通相互交链，彼此不交链的那部分磁通称为漏磁通。两耦合线圈相互交链的磁通越大，说明两个线圈耦合得越紧密。为了表征两个线圈耦合的紧密程度，通常用耦合系数K来表示。,由上式可知，0K1，K值越大，说明两个线圈之间耦合越紧。当K=1称全耦合；K=0时，说明两线圈没有耦合。,5.1.3耦合系数,耦合系数的大小与两线圈的结构、相互位置以及周围磁介质有关。改变或调整两线圈的相互位置，可以改变耦合系数的大小。在工程上有时为了避免线圈之间的相互干扰，应尽量减小互感的作用，除了采用磁屏蔽方法外，还可以合理布置线圈的相互位置。在电子技术和电力变压器中，为了更好地传输功率和信号，往往采用极紧密的耦合，使值尽可能接近，一般都采用铁磁材料制成芯子以达到这一目的。,如果选择互感电压的参考方向与互感磁通的参考方向符合右手螺旋法则，则根据电磁感应定律，结合式(52)，有,当线圈中的电流为正弦交流时，有,5.1.4互感电压,1.同名端,具有磁耦合的两线圈，当电流分别从两线圈各自的某端同时流入（或流出）时，若两者产生的磁通相助，则这两端叫作互感线圈的同名端，用黑点“.”或星号“*”作标记，未用黑点或星号作标记的两个端子也是同名端。,图5-2互感电压的方向与线圈绕向的关系,5.1.5互感线圈的同名端,同名端总是成对出现的，如是有两个以上的线圈彼此间都存在磁耦合时，同名端应一对一对地加以标记，每一对须用不同的符号标出。,图5-3几种互感线圈的同名端,2.同名端的测定,对于难以知道实际绕向的两线圈，可以采用实验的方法来测定同名端。,图5-4测定同名端的实验电路,同名端确定后，互感电压的极性就可以由电流对同名端的方向来确定，即互感电压的极性与产生它的变化电流的参考方向对同名端是一致的。,3.同名端的应用,图5-5互感线圈的电路符号,在互感电路中，线圈端电压是自感电压与互感电压的代数和，即,或,解对于图(a),有,对于图(b)，同样可得,解假定i及互感电压u21的参考方向如图所示,则根据同名端的定义可得,当K打开瞬间,正值电流减小,故知u21Lf，LsLf，当外加相同正弦电压时，顺向串联时的电流小于反向串联时的电流。根据Ls和Lf可以求出两线圈的互感M为,(55),例5-3将两个线圈串联接到50Hz、60V的正弦电源上，顺向串联时的电流为2A，功率为96W，反向串联时的电流为2.4A，求互感M。,解顺向串联时，可用等效电阻R=R1+R2和等效电感Ls=L1+L2+2M相串联的电路模型来表示。根据已知条件，得,反向串联时，线圈电阻不变，由已知条件可求出反向串联时的等效电感,所以得,互感线圈的并联也有两种接法，一种是两个线圈的同名端相连，称为同侧并联，如图5-7(a)所示；另一种是两个线圈的异名端相连，称为异侧并联，如图5-7(b)所示。,5.2.2互感线圈的并联,图5-7互感线圈的并联,1.同侧并联,当两线圈同侧并联时，在图5-7(a)所示的电压、电流参考方向下，由KVL有,由电流方程可得,将其分别代入电压方程中，则有,根据上述电压、电流关系，按照等效的概念，图5-7(a)所示具有互感的电路就可以用图5-8(a)所示无互感的电路来等效，这种处理互感电路的方法称为互感消去法。图5-8(a)称为图5-7(a)的去耦等效电路。由图5-8(a)可以直接求出两个互感线圈同侧并联时的等效电感为,同理可以推出互感线圈异侧并联的等效电感为,其异侧并联的去耦等效电路如图5-8(b)所示。,图5-8并联互感线圈的去耦等效电路,耦合电感的串联去耦等效属于二端电路等效，而下面讨论的三个支路共一个节点，其中两支路存在互感的电路等效，即T型去耦等效属于多端等效。,5.2.3耦合电感的T型等效,图5-9一端相连的互感线圈及其T型去耦等效电路,图5-9(a)为同名端相连的情况，在图示参考方向下，可列出其端钮间的电压方程为,利用电流的关系式可将式(56)变换为,由式(57)可得如图5-9(c)所示的去耦等效电路。同理，两互感线圈异名端相连的情况图5-9(b)可等效为如图5-9(d)所示的去耦等效电路。,解当cd端开路时，线圈2中无电流，因此，在线圈1中没有互感电压。以ab端电压为参考，电压,由于线圈2中没有电流，因而L2上无自感电压。但L1上有电流，因此线圈2中有互感电压，根据电流对同名端的方向可知，cd端的电压,对于没有直接电联系的，但存在磁耦合的两线圈，在相对位置和周围媒质一定时，其互感系数M和耦合系数K的测定可依照下列方法进行。,5.2.4互感系数M和耦合系数K的测定,图5-10互感系数M和耦合系数K的测定,(1)等值电感法互感系数M和耦合系数K。,用此方法测互感系数M和耦合系数K，先要用万用表测出L1、L2的电阻，再把L1、L2接入低压交流电流（5v左右）电路，测出每一线圈的电流I和电压U，算出Z。若R较小时，可以把阻抗Z看为感抗XL，再算出L。,图5-10顺向串接时。等效电感L正=L1+L2+2M反向串接时，等效电L反=L1+L2-2M，则互感系数再用公式，可求出K。,此方法准确度不高，用特别是L正和L反相近时，误差最大。（可以用两个不同的耦合铁心线圈来做实验。）,(2)互感电势法测互感系数M和耦合系数K,在图5-2-9中，具有互感M，而自感分别为L1和L2的两个线圈，线圈L1中通入正弦电流I1时，线圈L2中的互感电压,则,可以证明,显然，电压表内阻越大，测定结果越准。测得互感系数M和互感系数L后，可计算耦合系数K。,5.3空芯变压器电路的分析,变压器是一种利用互感耦合实现能量传输和信号传递的电气设备。变压器通常有一个初级绕组和一个次级绕组，初级绕组接电源，次级绕组接负载，能量可以通过磁场的耦合，由电源传递给负载。它通常由一个初级线圈和一个或几个次级线圈所组成。初级线圈（也称原绕组）接电源，次级线圈（也称副绕组）接负载。能量通过磁耦合由电源传递给负载。,如果变压器的线圈绕在用铁磁性物质制成的铁芯上，就叫做铁芯变压器，这种变压器的电磁特性一般是非线性的。空心变压器是指以空气或以任何非铁磁性物质作为芯子的变压器，这种变压器的电磁特性是线性的。,空心变压器广泛用于测量仪器和高频电路，本节将讨论它在正弦稳态中的分析方法。分析含耦合电路常常使用回路分析法。,设空芯变压器电路如图5-11（a）所示，其中R1、R2分别为变压器初、次级绕组的电阻，RL为负载电阻，设US为正弦输入电压。,图5-11空芯变压器电路及其等效模型,由图5-11（b）所示的相量模型图可列出回路方程为,或写为,式中，,，称为初级回路自阻抗；,，称为次级回路自阻抗；,，称为初次级回路互阻抗。,由此，可求得图5-11所示耦合电感的初级、次级电流相量分别为,（5-12）,（5-13）,由式（5-12）可求得由电源断看进去的输入阻抗为,（5-14）,由此可见，输入阻抗由两部分组成:,式中，Z11即初级回路的自阻抗，Zref即次级回路在初级回路的反射阻抗（reflectedimpedance）。,因此，由电源端看进去的等效电路，也就是初级等效电路应如图5-12所示。,图5-12初级等效电路,另外，还可求得次、初级电流之比为,即,例5-5