9含有耦合电感电路

1、9含有耦合电感电路教学基本要求1、熟练掌握互感的概念及具有耦合电感的电路计算方法。2、掌握空心变压器和理想变压器的应用。、教学重点与难点1.教学重点：(1).互感和互感电压的概念及同名端的含义；(2).含有互感电路的计算(3).空心变压器和理想变压器的电路模型2.教学难点：(1).耦合电感的同名端及互感电压极性的确定;.含有耦合电感的电路的方程(3).含有空心变压器和理想变压器的电路的分析。三、本章与其它章节的联系：本章的学习内容建立在前面各章理论的基础之上。四、学时安排总学时：4教学内容学时1.互感、含有耦合电感电路的计算22.空心变压器、理想变压器2五、教学内容互感§ 10.1耦

2、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。1. 互感图 10.1两个靠得很近的电感线圈之间有磁的耦合，如图10.1所示，当线圈1中通电流i 1时，不仅在线圈1中产生磁通 $ 11,同时，有部分磁通$ 21穿过临近线圈2，同理，若在线圈 2中通电流i2时，不仅在线圈2中产生磁通$ 22,同时，有部分磁通 $ 12穿过线圈1,$ 12和 $ 21称为互感磁通。定义互磁链：2 12 = N1 $ 122 21 = N2 $ 21当周围空间是各向同

3、性的线性磁介质时，磁通链与产生它的施感电流成正比，即有自感磁通链：妬1 =砧% = £晁互感磁通链：上式中M12和M21称为 互感系数，单位为（H）。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：衍=旳_ 土衍2二®1 土胚彷=胃竝土旳1=土皿应1需要指出的是：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，因此，满足M 12 =M21 =M2）自感系数L总为正值，互感系数M值有正有负。正值表示自感磁链与互感磁链方 向一致，互感起增助作用，负值表示自感磁链与互感磁链方向相反，互感起削弱作用。2. 耦合因数工程上用耦合因数 k来定量的描述两

4、个耦合线圈的耦合紧密程度，定义般有:一 M _严_陛包如二空企1当k =1称全耦合，没有漏磁，满足f 11 = f 21 , f 22 = f 12 。耦合因数k与线圈的结构、相互几何位置、空间磁介质有关。3. 耦合电感上的电压、电流关系当电流为时变电流时，磁通也将随时间变化，从而在线圈两端产生感应电压。根据电磁感应定律和楞次定律得每个线圈两端的电压为：咕処=如土込=厶鱼土胚心dt dt dt dt dt出匹d% r dL , di.=_T2_ =土 土1 = £土 M Ldt di dt dt dt即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宓二j

5、辺羸±曲疡爲二土丿甸囲血/注意：当两线圈的自感磁链和互感磁链方向一致时，称为互感的“增助”作用,电压取正；否则取负。以上说明互感电压的正、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。4. 互感线圈的同名端由于产生互感电压的电流在另一线圈上，因此，要确定互感电压的符号，就必须知道两个线圈的绕向，这在电路分析中很不方便。为了解决这一问题引入同名端的概念。同名端：当两个电流分别从两个线圈的对应端子同时流入或流出时，若产生的磁通相互增强，则这两个对应端子称为两互感线圈的同名端，用小圆点或星号等符号标记。例如图10.2中线圈1和线圈2用小圆点标示的端子为同名端，当电流

6、从这两端子同时流入或流出时，则互感起相助作用。同理，线圈1和线圈3用星号标示的端子为同名端。线圈2和线圈3用三角标示的端子为同名端。 m _r wanrr*图 10.2注意：上述图示说明当有多个线圈之间存在互感作用时，同名端必须两两线圈分别标根据同名端的定义可以得出确定同名端的方法为:(1) 当两个线圈中电流同时流入或流出同名端时，两个电流产生的磁场将相互增强。(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。两线圈同名端的实验测定：实验线路如图10.3所示，当开关S闭合时，线圈1中流入星号一端的电流 i增加，在线圈2的星号一端产生互感电压的正极，则电压

7、表正偏。图 10.3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， 而只画出同名端及电流和电压的参考方向即可，如图10.4所示。根据标定的同名端和电流、电压参考方向可知:图 10.4( a )图 10.4( b )例10-1如图所示（a）、（ b ）、（c ）、（ d）四个互感线圈，已知同名端和各线圈上电压电流参考方向，试写出每一互感线圈上的电压电流关系。例 10-1 图（a）例 10-1 图（c）L Mh+ *1 1£j码zr i1 ' 7例 10-1图（b）Jl mh十± «1厶1 *+L0例 10-1 图（d）土+4 «di,

8、di,di解：（a）di, di?d:（b）di, di, （c）r出】 打旳；r旳1 B r dll（d）卄二丁，帀心厂丄飞丄可例10-2 电路如图（a）所示，图（b ）为电流源波形。已知: = 101 = 5H,L2 = 2H,M = IH，求址©和比（f）p R2 "Li «2例 10-2 图（a）（ b）例 10-2 图（a）解：根据电流源波形，写出其函数表示式为:10£ 0<i<ls20-10； !<£<2s02<l该电流在线圈2中引起互感电压：卩0卩 也"兽“ -1回 l<i<2s

9、(0 2 <£对线圈1应用KVL，得电流源电压为：0</<15l<Z<2s100£+50-100i+150F02i§ 10.2含有耦合电感电路的计算含有耦合电感(简称互感)电路的计算要注意：(1) 在正弦稳态情况下，有互感的电路的计算仍可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) 般采用支路法和回路法计算。因为耦合电感支路的电压不仅与本支路电流有关,还与其他某些支路电流有关，若列结点电压方程会遇到困难，要另行处理。1. 耦合电感的串联(1)顺向串联图10.5所示电路为耦合电感的串联电

10、路，由于互感起“增助”作用，称为顺向串联。图 10.5按图示电压、电流的参考方向，KVL方程为:=（尽+鸟）1+ （岛+乙+ 2M根据上述方程可以给出图10.6 所示的无互感等效电路。等效电路的参数为:R= + R2 L =4-4- 2M(2)反向串联图10.7所示的耦合电感的串联电路，由于互感起“削弱”作用，称为反向串联。图 10.7按图示电压、电流的参考方向,KVL方程为:"心十厶务务十®务M务十砂=（坷+ （分厶2M）务=用+丄务为:根据上述方程也可以给出图 10.6所示的无互感（去耦）等效电路。但等效电路的参数在正弦稳态激励下，应用相量分析，图 10.5和图10.7

11、的相量模型如图10.8 所示。图 10.8（ b ）图（a）的 KVL 方程为：_. 1 1 ' . 1 . x ' L， .'输入阻抗为：''+一_屮_ ，十可以看出耦合电感顺向串联时，等效阻抗大于无互感时的阻抗。顺向串联时的相量图如图10.9所示。图 10.9图 10.10图（b）的 KVL 方程为：'* -. ''.' j. 1 卜输入阻抗为：'1_八一_' - +_' '注意：（1）可以看出耦合电感反向串联时，等效阻抗小于无互感时的阻抗。反向串联时的相量图如 图10.10 所示。互感

12、不大于两个自感的算术平均值，整个电路仍呈感性，即满足关系:£二厶+厶厶+爲）(2 )根据上述讨论可以给出测量互感系数的方法：把两线圈顺接一次，反接一次，则互感系数为：2. 耦合电感的并联(1 )同侧并联图10.11为耦合电感的并联电路，由于同名端连接在同一个结点上，称为同侧串联。根据KVL得同侧并联电路的方程为:由于 i = i 1 + i 2解得u , i的关系:图 10.11根据上述方程可以给出图10.12所示的无互感等效电路，其等效电感为:(2)异侧并联图10.13中由于耦合电感的异名端连接在同一个结点上，故称为异侧并联。图 10.13此时电路的方程为:-M话"厶话诘

13、考虑到：i = i 1 + i 2解得u , i的关系:根据上述方程也可以给出图10.12 所示的无互感等效电路，其等效电感为:3. 耦合电感的T型去耦等效如果耦合电感的2条支路各有一端与第三条支路形成一个仅含三条支路的共同结点如图10.14所示，称为耦合电感的T型联接。显然耦合电感的并联也属于T型联接。（1）同名端为共端的T型去耦等效:/w-W ;12|飞*丈L 上 2血（£册?孙心讪32加lb j抑M0Jb图 10.14图 10.15图10.14的电路为同名端为共端的 T型联接。根据所标电压、电流的参考方向得:巴比三A+ j椒厶三佩厶-计迹；由上述方程可得图10.15 所示的无互

14、感等效电路。（2）异名端为共端的T型去耦等效图 10.16图 10.17图10.16的电路为异名端为共端的T型联接。根据所标电压、电流的参考方向得:IIUu = 小一诚门=jO）（打+M）珂一由上述方程可得图10.17 所示的无互感等效电路。注意：T型去耦等效电路中3条支路的等效电感分别为：支路3 :（同侧取“ + ”，异侧取“一”）支路1:£；=丄1于皿支路2 :匚=6 * “例10-3 求图（a）、（ b）所示电路的等效电感上血。解：（a）图中4H和6H电感为T型结构，应用T型去耦等效得图（c）电路。则等效电感为：9心-3丿9-3= 95-45=5H 1 1 11a2H|a1Hn

15、r2H7H-3HbJZJb4H例 10-3图（c)例 10-3图（d)（b）图中5H和6H电感为同侧相接的 T型结构，2H和3H电感为异侧相接的 T型 结构，应用T型去耦等效得图（d）电路。则等效电感为：几=1+3+3x(2+ 4)T+4 + 3=6H例10-4 图（a）为有耦合电感的电路，试列写电路的回路电流方程。岛II +卩1气）qI' A+IDjr I*£>M%严爭u IJI例 10 4（a ）例104（ b ）解：设网孔电流如图（b）所示，为顺时针方向，则回路方程为:（A+J旳A血14+丿敬（A - 4）=乜（鸟匕心打-j迅芯+j讹（占-二砂（/应l r% -厶

16、）A -叫A -曲窕4/顽（厶-：）+讪（£ -心）=0注意：列写有互感电路的回路电流方程是，注意互感电压的极性和不要遗漏互感电压。例10-5 求图（a）所示电路的开路电压。例 10-5 图（a）例 10-5 图（b）解法1:列方程求解。由于线圈2中无电流，线圈1和线圈3为反向串联，所以电流丄4 j由（厶+厶- 2陆J则开路电压解法2：作出去耦等效电路，消去耦合的过程如图（b）、（ c）、（ d）所示（一对一对消）。h.一1 厂M13 十"13V+t3+Afi2 _阳215亠、 * 、Mjj-A/jj -M134>r<ZIu”11（c ）（ d ）由图（d）的无

17、互感电路得开路电压：Q _ J呱厶 + 虫口 _ M盜 J 实''厂妁+少占+ “-2还。例10-6 图（a）为有互感的电路，若要使负载阻抗Z中的电流i =0，问电源的角频率为多少?例 10-6（b）例 10-6（ c）解：根据两线圈的绕向标定同名端如图（ b）所示，应用T型去耦等效，得无互感的电路如 图（c）所示，显然当电容和 M电感发生串联谐振时，负载阻抗 Z中的电流为零。因此有:§ 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。 变压器是通过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

18、料时，称空心变压器。1. 空心变压器电路图10.18为空心变压器的电路模型，与电源相接的回路称为原边回路（或初级回路），与负载相接的回路称为副边回路（或次级回路）。B+1 "n：:L J r11U.加厶3 $抑&1图 10.182. 分析方法（1）方程法分析在正弦稳态情况下，图 10.18电路的回路方程为：（尽 + jajZjXi Jaai/Ja = E7S Hi11 + Z ）1 i 0令：称为原边回路阻抗称为副边回路阻抗。则上述方程简写为：zji 一皿打2=也 11 + 2血 / 5 0从上列方程可求得原边和副边电流：(2)等效电路法分析UsZn S十等效电路法实质上是在

19、方程分析法的基础上找出求解的某些规律,归纳总结成公式，得出等效电路，再加以求解的方法。首先讨论图10.18的原边等效电路。令上述原边电流的分母为:55=乙 Zu +10.19所示。上式中的 Zf称为引入阻抗(或反 映阻抗)，是副边回路阻抗通过互感反映到原边的等效阻抗，它体现了副边回路的存在对原边回路电流的影响。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。则原边电流为：根据上式可以画出原边等效电路如图，是副边回路阻抗通过互感反映到原边的等效阻抗,图 10.19把引入阻抗Zf展开得:上式表明:(1 )引入电阻. =不仅与次级回路的电

20、阻有关，而且与次级回路的电抗及互感有关。(2 )引入电抗的负号反映了引入电抗与付边电抗的性质相反。可以证明引入电阻消耗的功率等于副边回路吸收的功率。根据副边回路方程得:j aiM I =j 211方程两边取模值的平方： K -I一亠从中得：兀n+虫竝应用同样的方法分析方程法得出的副边电流表达式。令3_一 S 召十召7 + （血）根据上式可以画出副边等效电路如图 回路的引入阻抗，它与 Zif有相同的性质。 效电路。10.20所示。上式中的 Z 称为原边回路对副边 应用戴维宁定理也可以求得空心变压器副边的等（3）去耦等效法分析对空心变压器电路进行 T型去耦等效，变为无互感的电路，再进行分析。图 1

21、0.20例10-7 图（a）为空心变压器电路，已知电源电压US =20 V , 原边引入阻抗Z=10-j10 Q,求：负载阻抗Zx并求负载获得的有功功率。10Qj2lO+jlOO4UiPjlOQft 士1口fr.+t7srid-jioQ例 10 7 图（a ）例 10 7 图（b ）解：图（a）的原边等效电路如图（b）所示，引入阻抗为:萨銮匸占”拶从中解得:W-J10-J1O =4心+丿10）200此时负载获得的功率等于引入电阻消耗的功率，因此:=10 W注意：电路实际处于最佳匹配状态，即R=20Q ,。例10-8 已知图（a）空心变压器电路参数为：Li =3.6H , L2 =0.06H ,

22、 M=0.465H ,flR2=0.08 Q , R=42Q, 3 =314rad/s,_ L''，求：原、副边电流'-j»A例 10 8 图（a ）«¥何例 10 8 图（b ）例 10 8 图（c ）解法1:应用图（b）所示的原边等效电路，得:Zn =+jaj = 20+J1130.4Q2葢=R工 + =42.05+/IS.S5 02观.皿A 竝46.124.1'=462 lZ（-24 1°） = I22j1S8.8 Q所以115Z0"2C+ J1130.4+422-J188.8= 0.111Z（-64.9,

23、）A= O.351Z1'Z_ 丿146茂0 111N-6矿 _ 1&2Z251，-42.03 + J18.854&11Z24.*解法2:应用图（c）所示的副边等效电路，得:1I5Z0*九 7曲环=翻八46汎14,85Z0n V14.85Z0*兔+ J叫20 +;1130.4f =亠_ q 752/nr a所以“-例10-9 全耦合互感电路如图（a）所示，求电路初级端 ab间的等效阻抗。aMaIL-Af上厂 M. /VW',十r1_1十.ft/sL21!EJzL1bb例109 图（a ）例 109 图（b ）解法1应用原边等效电路，因为:二j血厶£愆=価

24、匸） = -J£U J 防牛=J 泌 1（1 一 笄）=74（1-fr2）2血=z“ +厶=/加_所以抵=厶（1_）解法2:应用T型去耦等效电路如图（b）所示，则等效电感为:矗二（厶一 M） + M"（厶一 M）二厶一（厶"I）J»-.®=106rad/s,=1血°叮，问：F2=?时能吸收最大功率，并求最大功率。例 10-10 已知图（a）所示电路中，Li=l_2=0.1mH , M =0.02mH , R1=10Q , G=C2=0.01mF ,例 10-8 图（a）例 10-8 图（b）例 10-8 图 （c）= 100Q解法 i

25、 :因为 丄丄一 - - - -i，-T_上_iii 工二二mZL1 = R + j（A）厶）=10Q所以原边自阻抗为：Z盟=尺2 +厶 一 ）-丘 2副边自阻抗为：口mF4oo原边等效电路如图（b）所示，引入阻抗为：'J-；因此当400瓦即R2 =40Q时吸收最大功率，最大功率为:=lOa/0xlO）=2解法2:应用图（c）所示的副边等效电路，得4001F=40U2（t）。因此当一："r-时吸收最大功率，最大功率为:例10-11图示互感电路已处于稳态，t=0时开关打开，求t > 0+时开路电压AJ=0.1H0.2H4CV10Q10Q例10 11 图解：副边开路，对原边

26、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）:)短4氏(d(c )(e )2TAl H小 2亠丄L4当._，时间常数为:3”2D例10-12已知图（a）电路中切厶：二120G#回M = 1/eC二20Q ,一二,问负载Z为何值时其上获得最大功率，并求出最大功率。例 10-12 图(a)Q册k辭"由图（e）得等效阻抗:L '：，'4x50当 f TR，有：r(°°) = 0所以一 心）则解：（1）首先判定互感线圈的同名端，如图（b）所示。（2）做出去耦等效电路如图（c）所示。由于LC串联支路发生谐振，可用 路线替代这条

27、支路，如图（d）所示，断开负载，得开路电压：100 j(oL-20)UjlOOQT血少御口 1100Qj(®L-20)Q十j ioonAoozo"100Qj(oL-20)QjlOOQ100 QJAIfA4/r/込Js>1例 10-12 图(b)当一 1时，负载获取最大功率，最大功率为:_ % _ (5厉4x50§0.4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条件1 :无损耗，认为绕线圈的导线无电阻，做芯子的铁磁材料的磁导率无限大。条件2 :全耦合，即耦合系数- H 匸二条件

28、3 :参数无限大，即自感系数和互感系数一一一：厂 但满足：丽Un宀上式中N 1和N 2分别为变压器原、副边线圈匝数，n为匝数比。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 理想变压器对待，可使计算过程简化。2.理想变压器的主要性能满足上述三个理想条件的理想变压器与有互感的线圈有着质的区别。具有以下特殊性 台匕 冃匕。(1 )变压关系图10.21为满足三个理想条件的耦合线圈。由于：- ，所以"11L 匸卄学二瑪邂气因此上丄dt+1 - 叫+图 10.22图 10.21根据上式得理想变压器模型如图注意：理想变压器的变压关系与两线圈中电流参考方向的假设无关,tTTt *.、/ft.置有关，右 所示，此时10.22 所示。但与电压极性的设U1、U2的参考方向的“ +”极性端一个设在同名端，一个设在异名端，如图10.23U1与U2之比为：（2 ）变流关系根据互感线圈的电压、电流关系（电流参考方向设为从同名端同时流入或同时流出）图 10.23图 10.24图 10.25图 10.26代入理想化条件：得理想变压器的电流关系为：疋）二一焉注意：理想变压器的变流关系与两线圈上电压参考方向的假设无