Chapter 10 含有耦合电感的电路
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Chapter 10 含有耦合电感的电路主要内容1.互感;2.含有耦合电感电路的分析计算;3.空心变压器;4.理想变压器。
V 1 2f2§ 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施感电流i2自感磁通22自感磁通链22N2 22L2i2互感磁通12互感磁通链12N1 12M 12i2施感电流i1自感磁通11自感磁通链11N1 11互感磁通21互感磁通链21N2 21M 21i1 K A A 4 A A A Zvr i a f2可以证明,2. 两个线圈耦合时的磁通链:① 磁通链与施感电流成线性关系,是各施感电流独立产生的磁通链叠加的结 果。
② M 前“+”号表示互感磁通与自感磁通方向一致,称为互感的“增助”作 用;“-”号则相反,表示互感的“削弱”作用。
③ 同名端:在两个耦合的线圈中各取一端子,并用“• ”或“ * ”表示,且当一对 施感电流l1和l2从同名端流进(出)各自的线圈时,互感起增 助作用。
a, 根据它们的绕向和相对位置判断; b, 实验方法判断;④ 多个线圈耦合时:风与监同向取“ + ”,反之取“-例10-1 :互感耦合电路中l110A,l25cOs10t A, L1求两耦合线圈中的磁通链。
解:h 、i 2都是从标记的同名端流进,互感“增助”,则鳴 L 1l 120Wb;卑2 L 2l 2 15cos10tWb;出2 MI 2 5cos10tWb;里1 MI 1 10Wb;出出1 出2 20 5cos10t Wb 出坚闿210 15cos10t WbL i l i M 1212 L 2l 2 M 21l 11 i 1, i2l l 」22H, L 2 3H, M 1HM 12 M 21 M(两个线圈耦合时的互感系数)耦合电感的电压是自感电压和互感电压的叠加;如果Uj 、ij ,j 112为关联参考方向,则自感电压 如果互感电压“ + ”极性端与产生它的电流的流入端为一对同名端, “ +”,反之取“-”。
§10.1 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件的电路问题的分析方法是非常必要的。
1. 互感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f 11,同时,有部分磁通 f 21 穿过临近线圈2,同理,若在线圈2中通电流i 2 时,不仅在线圈2中产生磁通f 22,同时,有部分磁通 f 12 穿过线圈1,f 12和f 21称为互感磁通。
定义互磁链:图 10.1ψ12 = N 1φ12 ψ21 = N 2φ21当周围空间是各向同性的线性磁介质时,磁通链与产生它的施感电流成正比,即有自感磁通链:互感磁通链:上式中 M 12 和 M 21 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: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M12 =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 来定量的描述两个耦合线圈的耦合紧密程度,定义一般有:当k =1 称全耦合,没有漏磁,满足f11 = f21,f22 = f12。
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: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,互感电压取正;否则取负。
Chapter 10 含有耦合电感的电路 主要内容1.互感;2.含有耦合电感电路的分析计算;3.空心变压器;4.理想变压器。
§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。
⎩⎨⎧=Φ=ψ→Φ→=Φ=ψ→Φ→12121221211111111111 i M N i L N i 互感磁通链互感磁通自感磁通链自感磁通施感电流⎩⎨⎧=Φ=ψ→Φ→=Φ=ψ→Φ→21212112122222222222 i M N i L N i 互感磁通链互感磁通自感磁通链自感磁通施感电流 可以证明,M M M ==2112 (两个线圈耦合时的互感系数)2.两个线圈耦合时的磁通链:()()21212122212222112121112111,, i i f i M i L ΨΨΨi i f i M i L ΨΨΨ=±=+==±=+=① 磁通链与施感电流成线性关系,是各施感电流独立产生的磁通链叠加的结果。
② M 前“+”号表示互感磁通与自感磁通方向一致,称为互感的“增助”作用;“-”号则相反,表示互感的“削弱”作用。
③ 同名端:在两个耦合的线圈中各取一端子,并用“·”或“*”表示,且当一对 施感电流 1i 和 2i 从同名端流进(出)各自的线圈时,互感起增助作用。
a , 根据它们的绕向和相对位置判断;b , 实验方法判断;④ 多个线圈耦合时:∑≠+=k j kjkk k ΨΨΨ kj Ψ与kk Ψ同向取“+”,反之取“-”。
例10-1:互感耦合电路中()H M H L H L A t i A i 1 ,3 ,2 ,10cos 5 ,102121=====,求两耦合线圈中的磁通链。
解: 1i 、2i 都是从标记的同名端流进,互感“增助”,则(); 10cos 15 ; 2022221111W b t i L ΨW b i L Ψ==== (); 10 ; 10cos 5121212W b Mi ΨW b t Mi Ψ==== ∴ ()W b t ΨΨΨ10cos 52012111+=+= ()W b t ΨΨΨ10cos 151022212+=+=例10-2:线圈的绕向及相互位置如下图,判断i M 的正负。
3.两个线圈中的感应电压:设 21,L L 中电压和电流 11,i u 和 22,i u 都取关联参考方向,有212212222121121111 ;u u dt di M dt di L dt d u u u dt di M dt di L dt d u ±=±=ψ=±=±=ψ=互感电压dt di M u 212= 是 2i 在 1L 中产生的互感电压; 互感电压 dt di M u 121= 是 1i 在 2L 中产生的互感电压。
① ① 耦合电感的电压是自感电压和互感电压的叠加;② ② 如果j u 、j i ,2,1=j 为关联参考方向,则自感电压jj u 取“+”,反之取“-”;③ ③ 如果互感电压“+”极性端与产生它的电流的流入端为一对同名端,互感电压取“+”,反之取“-”。
例10-3:求例10-1中两耦合电感的端电压 21 ,u u 。
解:()V t dt di M dt di L u 10sin 502111-=+=; 互感电压()V t dt di M dt di L u 10sin 1501222-=+=; 自感电压a , 不变的直流 1i 虽产生自感磁通链 11ψ 和互感磁通链 21ψ,但不产生自感电压 11u 和互感电压 21u ;b , 121u u =, 只含有互感电压,是由 2i 产生的;c , 222u u =, 只含有自感电压,也是由 2i 产生的。
例10-4:根据图中“同名端”,写出感应电压表达式。
例10-5:电路如下图,试确定开关打开瞬间,2,2, 间电压的真实极性。
解:假定 i 及 M u 的参考方向如图中所示,则根据同名端定义,dt di M u M =,S 打开瞬间, dt di <0, ∴ M u <0。
4.耦合电感的等效受控源电路⎩⎨⎧+=+=⇒⎪⎪⎩⎪⎪⎨⎧+=+=1222211112222111 I M j I L j U I M j I L j U dt di M dt di L u dt di M dt di L u ωωωωM M j Z M ωω , = 为互感抗5.耦合系数1 2122112112≤⇒ψψψψL L M def K def K① 紧密耦合K →1,如电力变压器、无线电技术(采用铁磁材料); ② 采用屏蔽合理布置线圈可使K →0,减小互感作用。
§10-2 含有耦合电感电路的计算含有耦合电感电路的正弦稳态分析可采用相量法。
KCL 的形式不变,但KVL 的表达式中应计入互感作用引起的互感电压,相当于电路中有电流控制电压源(CCVS )。
1.电感串联①① 反向串联(反接,互感起“削弱” 作用),同名端相接a .()dt di M L i R dt di M dt di L i R u -+=⎪⎭⎫ ⎝⎛-+=11111()dt di M L i R dt di M dt di L i R u -+=⎪⎭⎫ ⎝⎛-+=22222()()dt di M L L i R R u u u 2 212121-+++=+= 0221≥-+=M L L L eq b .()[]()M L j R Z I Z I M L j R U -+==-+=1111111 , ωω()[]()M L j R Z I Z I M L j R U -+==-+=2222222 , ωω ;()[]()()M L L j R R Z I Z I M L L j R R U 2 , 221212121-+++==-+++=ωω ;()Z U M L L j R R U I =-+++=22121ω 反接,类似于串联电容,常称为互感的“容性 ”效应。
② 顺向串联(顺接,互感起“增助”作用),异名端相接a .()dt di M L i R dt di M dt di L i R u ++=⎪⎭⎫ ⎝⎛++=11111()dt di M L i R dt di M dt di L i R u ++=⎪⎭⎫ ⎝⎛++=22222()()dt diM L L i R R u u u 2 212121++++=+=M L L L eq 221++= b .()[]()M L j R Z I Z I M L j R U ++==++=1111111 , ωω()[]()M L j R Z I Z I M L j R U ++==++=2222222 , ωω ;()[]()()M L L j R R Z I Z I M L L j R R U 2 , 221212121++++==++++=ωω ;Z U I = 例10-6:反接耦合电路中 , 5.12 , 5, 5.7 , 3 , 502211Ω=Ω=Ω=Ω==L R L R V U ωωΩ=8 M ω, 求耦合系数k 和各支路的复功率 1S 和 2S 。
解:① 826.05.125.78 2121=⨯==L L M L L M def k ωωω② ()Ω︒-∠=-=-+= 46.904.35.03111j M L j R Z ω(容性)()Ω︒∠=+=-+= 4273.65.45222j M L j R Z ω(感性)Ω︒∠=+=+= 57.2694.84821j Z Z Z令 V U050︒∠= , 电流 I 为 A Z U I 57.2659.557.2694.8050︒-∠=︒∠︒∠==∴ ()VA j Z I S 63.1575.93121-==()VA j Z I S 63.14025.156222+==电源发出的复功率 ()21 125250 S S VA j I U S +=+==2.电感并联① ① 同侧并联(同名端连接在同一个结点上)()()⎪⎩⎪⎨⎧+=++=+=++=22122212112111 I Z I Z I L j R I M j U I Z I Z I M j I L j R U M M ωωωω (原电路相量关系) 其中M j Z L j R Z L j R Z M , , 222111ωωω=+=+=∴U Y Z Z Y Z U Z Z Z Z Z I U Y Z Z Y Z U Z Z Z Z Z I M M M M M M M M 122122112221222121 1 , 1--=--=--=--= U Z Z Z Z Z Z I I I M M 221212132--+=+= 式中 22111 , 1Z Y Z Y ==, ∴ ()[]()[]⎪⎩⎪⎨⎧-++=-++=22231113 I M L j R I M j U I M L j R I M j U ωωωω (去耦等效电路相量关系) ⇒ M L M L L M L L =-='-='32211, , (同侧并联替代电感) ②异侧并联(异名端连接在同一个结点上)()()⎪⎩⎪⎨⎧+-=++-=-=-+=22122212 112111 I Z I Z I L j R I M j U I Z I Z I M j I L j R U M M ωωωω (原电路相量关系) 其中M j Z L j R Z L j R Z M , , 222111ωωω=+=+=∴U Y Z Z Y Z U Z Z Z Z Z I U Y Z Z Y Z U Z Z Z Z Z I M M M M M M M M 122122112221222121 1 , 1-+=-+=-+=-+= U Z Z Z Z Z Z I I I M M 221212132-++=+=式中22111 , 1Z Y Z Y ==, ∴ ()[]()[]⎪⎩⎪⎨⎧+++-=+++-=22231113 I M L j R I M j U I M L j R I M j U ωωωω(去耦等效电路相量关系) ⇒ M L M L L M L L -=+='+='32211, , (异侧并联替代电感) 例10-7:同侧并联耦合电路中,设正弦电压Ω=Ω== 5.7 , 3, 5011L R V U ω,Ω=Ω=Ω= 8 , 5.12 , 522M L R ωω, 求支路1、2吸收的复功率 1S 和 2S 。
解;令 V U050︒∠= , 按以上公式有 ()S j j Y 069.0028.05.12512-=+=A U Y Z Z Y Z U Z Z Z Z Z I M M M M 33.5939.41221222121︒-∠=--=--= A M j I Z U I 1.10199.11112︒-∠=-=ω()VA j I U S 74.18897.111 *11+== ()VA j I U S 5.9335.34 *22+-== ③ 有公共端的耦合电感的T 形等效电路a .同名端相接),,(21M L L M L M L L c b a -==-=b .异名端相接),,(21M L L M L M L L c b a +=-=+=§10-3 空心变压器特点:松耦合,可用耦合电感作为模型()()⎪⎩⎪⎨⎧=+=+⇒⎪⎩⎪⎨⎧=++++=++0 0 222112111222112111I Z I Z U I Z I Z I jX R L j R I M j U I M j I L j R M M L L ωωωω 其中 M j Z jX R L j R Z L j R Z M L L , , 22221111ωωω=+++=+= 解得:2221112221111 ) ( Y M Z U Y Z Z U I M ω+=-=1222221112211222111112221112 ) ( ) ( I MY j Y M Z U Y M j Y M Z U Y M j Y Z Z U Y Z I M M ωωωωω-=+-=+-=--=由以上分析可得如下的简化分析方法。