第七章具有耦合电感的电路课件.ppt
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1、第七章第七章 具有耦合电感的电路具有耦合电感的电路 7.1 互感互感 7.2 具有耦合电感电路的计算具有耦合电感电路的计算7.3 空心变压器空心变压器 7.4 理想变压器理想变压器 小结小结学学 习习 目目 标标 正确理解自感系数正确理解自感系数 、互感系数互感系数 和同名端的概念和同名端的概念深刻理解互感线圈串联的等效电感和互深刻理解互感线圈串联的等效电感和互感线圈并联的等效电感感线圈并联的等效电感 深刻理解和掌握空心变压器(即线性深刻理解和掌握空心变压器(即线性变压器)是利用磁耦合的一种器件的概变压器)是利用磁耦合的一种器件的概念。对于含空心变压器的电路念。对于含空心变压器的电路,可利用可
2、利用反射阻抗的概念反射阻抗的概念,通过作初、次级等效通过作初、次级等效电路的方法进行分析的计算电路的方法进行分析的计算深刻理解和掌握理想变压器具有深刻理解和掌握理想变压器具有3 3个重个重要特性要特性:变压、变流、变阻抗。变压、变流、变阻抗。7.1 互感互感 在第1章中讨论的电感元件中的磁通链和感应电压都是由本电感线圈电流产生的。当在载流线圈的近侧,放置另一线当在载流线圈的近侧,放置另一线圈时,载流线圈中电流所产生的磁通(自感磁通)将有一部圈时,载流线圈中电流所产生的磁通(自感磁通)将有一部分穿过另一个线圈。对另一个线圈来说,这部分磁通不是由分穿过另一个线圈。对另一个线圈来说,这部分磁通不是由
3、它本身电流引起的,而是由其他线圈中电流产生的,故称为它本身电流引起的,而是由其他线圈中电流产生的,故称为互感磁通互感磁通。与它对应的磁通链称为互感磁通链。在这种情况下,我们说这两个线圈间有磁耦合。图7.1(a)所示为两个相邻放置的线圈1和2,它们的匝数分别为N1和N2。自感磁链与自感磁通、互感磁链与互感磁通之间有如下关系:21221121122222211111,NNNN(71)仿照自感系数定义,我们定义互感系数为12i1N1N22111(a)12i2N1N22212(b)图7.1 两个线圈的互感 7.1.1 两个耦合电感线圈的互感两个耦合电感线圈的互感 互感的大小反映一个线圈的电流在另一个线
4、圈中产生磁链的互感的大小反映一个线圈的电流在另一个线圈中产生磁链的能力。互感的单位与自感相同,也是亨利能力。互感的单位与自感相同,也是亨利(H)。1212121212iMiM(72)可以证明 MMM2112(73)2211122121LLMk(74)耦合系数耦合系数k总是小于总是小于1的的。k值的大小取决于两个线圈的相对位置及磁介质的性质。如果两个线圈紧密地缠绕在一起,如图7.2(a)所示,则k值就接近于1,即两线圈全耦合;若两线圈相距较7.1.2 两个耦合电感线圈的耦合系数两个耦合电感线圈的耦合系数只有部分磁通相互交链 远,或线圈的轴线相互垂直放置,如图7.2(b)所示,则k值就很小,甚至可
5、能接近于零,即两线圈无耦合。(a)(b)图7.2 耦合系数k与线圈相对位置的关系 3.互感互感 电压电压 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,右手螺旋法则,则根据电磁感应定律,结合式(72),有dtdiMdtdudtdiMdtdu2121212121(75)当线圈中的电流为正弦交流时,如 2.2.12.1.1.21.21211212211)2sin()2sin(cossin,sinIjXIMjUIjXIMjUtMIutMItMIdtdiMutIitIiMMmmmmm 则(76)7.1.3 互感线圈
6、的同名端及伏安关系互感线圈的同名端及伏安关系 12i1u212111(a)ABCD12i1u212111(b)ABCD图7.3 互感电压的方向与线圈绕向的关系 为了表示线圈的相对绕向以确定互感电压的极性,常采用标记同名端的方法。1.同各端的标记原则同各端的标记原则 互感线圈的同名端是这样规定的:如果两个互感线圈的电流互感线圈的同名端是这样规定的:如果两个互感线圈的电流i1和和i2所产生的磁通是相互增强的,那么,两电流同时流入所产生的磁通是相互增强的,那么,两电流同时流入(或流或流 出出)的端钮就是同名端;如果磁通相互削弱,则两电流同时流入的端钮就是同名端;如果磁通相互削弱,则两电流同时流入(或
7、或 流出流出)的端钮就是异名端。同名端用标记的端钮就是异名端。同名端用标记“”、“*”或或“”标出,标出,另另 一端则无须再标。一端则无须再标。根据上述标记原则可以判断出图7.3所示两组耦合 线圈的同名端。图7.4中标出了几种不同相对位置和绕向的互感线圈的同名端。同名端只取决于两线圈的实际绕向和相对位置。A(a)B*CD*1234*56*(b)图7.4 几种互感线圈的同名端 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,如图7.4(b)所示。2.同名端的测定同名端的测定 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
8、定同名端。RSUSAiL1CL2DBmV图7.5 测定同名端的实验电路 3 伏安关系及相量形式伏安关系及相量形式 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。i1u12i2M(a)ABCDi1u12i2M(b)ABCD 图7.6 图7.3的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 dtdiMdtdiLudtdiMdtdiLu1222211 1(77)例例7.1 写出图7.7(a)、(b)所示互感线圈端电压u1和u2的表达式。1.2.22.2.1.11.IMjILjUIMjILjU
9、(78)i1u1L1u2L2i2M(a)i1u1L1u2L2i2M(b)图7.7 例7.1电路图 解解 对于图(a),有 dtdiMdtdiLudtdiMdtdiLu12222111 例例7.2 在图7.8(a)所示电路中,已知两线圈的互感M=1H,电流源i1(t)的波形如图7.8(b)所示,试求开路电压uCD的波形。对于图(b),同样可得dtdiMdtdiLudtdiMdtdiLu12222111i1(t)L1L2M(a)ABDCi1/A(b)t/s21010uCD /V(c)t/s2101010图7.8 例7.2图 解解 由于L2线圈开路,其电流为零,因而L2上自感电压为零,L2上仅有电流
10、i1产生的互感电压。根据i1的参考方向和同名端位置,则有dtdiMuCD1由图7.8(b)可知:0t1s 时,i1=10 tA,则 1t2s 时,i1=(10 t+20)A t2s时,i1=0,则 开路电压uCD的波形如图7.8(c)所示。VdttdMuCD10)10(VdttdMuCD10)2010(0CDu作业:作业:P(239240)页)页 7.1 7.2 7.2 具有耦合电感电路的计算具有耦合电感电路的计算 1 耦合电感的串联耦合电感的串联 两个具有互感的线圈串联时有两种接法两个具有互感的线圈串联时有两种接法顺接和反接。顺接和反接。(1)互感线圈的顺接)互感线圈的顺接 图7.11(a)
11、所示电路为互感线圈的顺向串联,即异名端相连互感线圈的顺向串联,即异名端相连。在图示电压、电流参考方向下,根据KVL可得线圈两端的总电 压为iM(a)u1u2uL1L2iM(b)u1u2uL1L2 图7.11 互感线圈的串联 7.2.1 耦合电感的串联与并联耦合电感的串联与并联 称为顺向串联的等效电感。故图7.11(a)所示电路可以用一个等效电感Ls来替代。(2)耦合电感的反接)耦合电感的反接 图7.11(b)所示电路为互感线圈的反向串联,即同名端相连互感线圈的反向串联,即同名端相连。串联电路的总电压为 MLLLILjIMLLjIMjILjIMjILjUUUSS2)2(21.21.2.12.1.
12、(79)式中.21.2.12.1.)2(ILjIMLLjIMjILjIMjILjUUUfMLLLS221 其中Lf称为反向串联的等效电感。即(710)比较式(79)和式(710),可以看出LsLf,LsLf,当外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。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 4fsLLM(711)例例7.3 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。解解 顺向串联时,可用等效电阻R=R1+R2和等效电感 Ls=L1+
13、L2+2M相串联的电路模型来表示。根据已知条件,得1824)260()(24296222222RIULIPRsss057.050218sL 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mLLMLRIULfsfff75.84022.0057.04022.05027724)4.260()(2222所以得 2 耦合电感的并联耦合电感的并联 耦合电感的并联也有两种接法,一种是两个线圈的同名端相耦合电感的并联也有两种接法,一种是两个线圈的同名端相连,称为同侧并联连,称为同侧并联,如图7.12(a)所示;另一种是两个线圈的异名另一种是两个线圈的异名端相连,称为异侧并联端相连,称为异侧并联
14、,如图7.12(b)所示。当两线圈同侧并联时,在图7.12(a)所示的电压、电流参考方向下,由KVL有2.1.1.2.2.2.1.1.IIIIMjILjUIMjILjUL2M(a)I2L1I1UIL2M(b)I2L1I1UI图7.12 互感线圈的并联 根据上述电压、电流关系,按照等效的概念,图7.12(a)所示具有互感的电路就可以用图7.13(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互感消去法。图7.13(a)称为图7.12(a)的去耦等效电路去耦等效电路。由图7.13(a)可以直接求出两个互感线圈同侧并联时的等效电感为 由电流方程可得 ,将其分别代入电 压方程中,则有
15、 2.1.1.2.,IIIIII.2.22.2.2.1.11.1.1.)()()()(IMjIMLjIIMjILjUIMjIMLjIIMjILjU(712)MLLMLLL22同理可以推出互感线圈异侧并联的等效电感为 (713)MLLMLLL22(a)UIL1 ML2 MMI1I2(b)UIL1 ML2 MI1I2M其异侧并联的去耦等效电路如图7.13(b)所示。图7.13 并联互感线圈的去耦等效电路 互感消去法不但可以用于互感并联电路,也可以对两个互感互感消去法不但可以用于互感并联电路,也可以对两个互感线圈只有一端相连的电路进行互感消去。具有互感的两个线圈仅线圈只有一端相连的电路进行互感消去。
16、具有互感的两个线圈仅一端相连时,同样有同名端相连和异名端相连两种连接方式一端相连时,同样有同名端相连和异名端相连两种连接方式,如图7.14(a),(b)所示。1M(a)L1L223I1I21M(b)L1L223I2I11(c)L1 M23I1ML2 MI21(d)L1 M23I2L2 MM图7.14 一端相连的互感线圈及去耦等效电路 图7.14(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 1.2.2.232.1.113.IMjILjUIMjILjU(714)由式(715)可得如图7.14(c)所示的去耦等效电路。同理,两互感线圈异名端相连可等效为如图7.14(d)所示
17、的去耦等效电路。例例7.4 在图7.15所示的互感电路中,ab端加10V的正弦电压,已知电路的参数为R1=R2=3,L1=L2=4,M=2。求 cd端的开路电压。解解 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 利用电流 的关系式可将式(514)变换为 2.1.III.2.223.1.113.)()(IMjIMLjUIMjIMLjU(715)VUoab0/10.AjLjRUIooab1.53/2430/101.1.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aI1R2cb
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