第5章 互感电路及理想

null第5章 互感电路及理想变压器第5章 互感电路及理想变压器5.1 互感及互感电压 5.2 互感线圈的同名端 5.3 互感线圈的连接及等效电路 5.4 空心变压器 5.5 理想变压器 小结5.1 互感及互感电压 5.1 互感及互感电压 1. 互感现象及互感原理 图5.1(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： (5—1) 仿照自感系数定义，我们定义互感系数为 图5.1 两个线圈的互感 null 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(H)。 2. 偶合系数K 只有部分磁通相互交链 (5—2) 可以证明 (5—3) (5—4) 耦合系数k总是小于1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5.2(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null 远，或线圈的轴线相互垂直放置，如图5.2(b)所示，则k值就很小， 甚至可能接近于零，即两线圈无耦合。 图5.2 耦合系数k与线圈相对位置的关系 3. 互感 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右手螺旋法则，则根据电磁感应定律，结合式(5—2)，有 (5—5) null 当线圈中的电流为正弦交流时，如 则 (5—6) 作业： P156页 （4） P172页 5.1 5.2 互感线圈的同名端  5.2 互感线圈的同名端  图5.3 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。 5.2.1同名端的标记原则及测定 1. 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 i1和i2所产生的磁通是相互增强的，那么，两电流同时流入(或流 null 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(或 流出)的端钮就是异名端。同名端用标记“·”、“*”或“△”标出，另 一端则无须再标。根据上述标记原则可以判断出图5.3所示两组耦合 线圈的同名端。   图5.4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。 图5.4 几种互感线圈的同名端 null 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5.4(b)所示。 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5.5 测定同名端的实验电路 null 5.2.2同名端的应用 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。 图5.6 图5.3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 (5—7) null 例5.1 写出图5.7(a) 、(b)所示互感线圈端电压u1和u2的表达式。 (5—8) 图5.7 例5.1电路图 解 对于图(a),有 null 例5.2 在图5.8(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5.8(b)所示，试求开路电压uCD的波形。 对于图(b)，同样可得 图5.8 例5.2图 null 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i1产生的互感电压。根据i1的参考方向和同名端位置，则有 由图5.8(b)可知： 0≤t≤1s 时，i1 =10 tA，则 1≤t≤2s 时，i1=(–10 t+20)A t≥2s时， i1=0,则 开路电压uCD的波形如图5.8(c)所示。 作业：P160页 （4） P172页 5.2 5.3 互感线圈的连接及等效电路 5.3 互感线圈的连接及等效电路 5.3.1互感线圈的串联 两个具有互感的线圈串联时有两种接法——顺向串联和反向串联。 1.互感线圈的顺向串联 图5.11(a)所示电路为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 图5.11 互感线圈的串联 null 称为顺向串联的等效电感。故图5.11(a)所示电路可以用一个等效电感Ls来替代。 2. 互感线圈的反向串联 图5.11(b)所示电路为互感线圈的反向串联，即同名端相连。串联电路的总电压为  (5—9) 式中 其中Lf称为反向串联的等效电感。即 (5—10) null 比较式(5—9)和式(5—10)，可以看出Ls>Lf，ωLs>ωLf，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 (5—11) 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 null 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 null 5.3.2互感线圈的并联 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5.12(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5.12(b)所示。当两线圈同侧并联时，在图5.12(a)所示的电压、电流参考方向下，由KVL有 图5.12 互感线圈的并联 null 根据上述电压、电流关系，按照等效的概念，图5.12(a)所示具有互感的电路就可以用图5.13(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。图5.13(a)称为图5.12(a)的去耦等效电路。由图5.13(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 (5—12) 同理可以推出互感线圈异侧并联的等效电感为 (5—13) null其异侧并联的去耦等效电路如图5.13(b)所示。 图5.13 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5.14(a),(b)所示。 null图5.14 一端相连的互感线圈及去耦等效电路 图5.14(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 (5—14) null 由式(5—15)可得如图5.14(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5.14(d)所示的去耦等效电路。 例5.4 在图5.15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=3Ω，ωL1=ωL2=4Ω,ωM=2Ω。 求 cd端的开路电压。 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(5—14)变换为 (5—15) nullnull 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 图5.15 例5.4图 null 例5.5 图5.16(a)所示具有互感的正弦电路中，已知XL1=10Ω, XL2=20Ω, XC=5Ω，耦合线圈互感抗XM=10Ω，电源电压 S=20/0° V, RL=30Ω,求电流 İ2。 图5.16 例5.5图 解 利用互感消去法，得去耦等效电路如图5.16(b)所示，其相量模型如图5.16(c)所示。利用阻抗串、并联等效变换，求得电流 null作业：P（172—173）页 5.3 5.4 5.5 5.6应用阻抗并联分流关系求得电流 5.4 空心变压器 5.4 空心变压器 1. 初次级回路电压方程及其电流 变压器，这种变压器的电磁特性是线性的。 图5.21为空心变压器的电路模型。根据图示电压、电流的参 考方向以及标注的同名端，可列出初、次级回路的KVL方程如下： 图5.21 空心变压器电路 null 令Z11 =R１+ jωL1,为初级回路自阻抗；Z22=R2+jωL2+RL+jXL=R22+jX22，为次级回路自阻抗。ZM=jωM=jXM，为初、次级回路间的互阻抗。则有 (5 —17) (5—16) 由式(5—17)可得 (5—18)   将式(5—18)代入式(5 —16)中得 (5—19) null 2. 反射阻抗、反射电阻、反射电抗 (5—20) Z1′称为次级回路在初级回路中的反射阻抗。整理式(5 —20) 可得 (5—21) (5—22) 式中,R1′、X1′分别为反射电阻和反射电抗。 由式(5—21)知,R1′>0恒成立。可以证明,R1′吸收的有功功率 等于次级回路的有功功率。反射电阻的功率PR1′=I21R1′,由式 (5—18)可得次级电流的有效值为 null 3. 初次级等效电路 利用反射阻抗的概念,根据式(5—18)、(5—19)可以得到空心变压 器的初、次级等效电路,如图5.22所示。注意图中jXMİ1的极性要根 据初级电流参考方向和同名端的位置来确定。 次级回路的功率为 图5.22 空心变压器初、次级等效电路 null 例5.6 空心变压器电路如图5.23（a）所示,已知L1=0.6H, R1=10Ω,L2=0.4H,R2=10Ω,M=0.4H, RL=30Ω,电压源电压u1=100 sin100tV。 （1）用初、次级等效电路求电流İ1和İ2; （2）用代文宁定理求 İ2。 解 （1）根据已知参数得初、次级回路的自阻抗为 反射阻抗Z1′为 作初级等效电路如图5.23（b）所示。由图（b）得 null 图5.23 例5.6图 作初级等效电路如图5.23（b）所示。由图（b）得 null （2）用代文宁定理求解。先求RL开路时的电压 ,如图5.24（a）所示。因 İ2=0,故 null 再在图5.24（b）所示的电路中求C、D两点间的输入阻抗Zi2。利用反射阻抗的概念,将原来的次级当做初级,原来的初级当做次级,参照式(5—20)得初级回路对次级回路的反射阻抗为 则 注意:Z΄22是不包括负载电阻RL在内的次级回路自阻抗。 图5.24 例5.6电路图 null 这样就得到图5.24（c）所示的代文宁等效电路,接上RL可求次级电流İ2为 作业：P174页 5.9 5.105.5 理想变压器 5.5 理想变压器 理想变压器是一种特殊的无损耗、全耦合变压器。它作为实际变压 器的理想化模型,是对互感元件的一种理想化抽象,它满足以下三个条件: （1）耦合系数k=1,即无漏磁通。 （2）自感系数L1、L2无穷大且L1/L2等于常数。 （3）无损耗, 即不消耗能量,也不储存能量。 图5.28 理想变压器 null 5.5.1 理想变压器的变压作用 图5.29所示为一铁芯变压器的示意图。N1、N2分别为初、次级线圈1和2的匝数。由于铁芯的导磁率很高,一般可认为磁通全部集中在铁芯中,并与全部线匝交链。若铁图5.29铁芯变压器 芯磁通为Φ,则根据电磁感应定律,有 所以得理想变压器的变压关系式为 图5.29 铁芯变压器 (5—23) 式中n称为变比,它等于初级线圈与次级线圈的匝数比,是一个常数。 null 5.5.2 理想变压器的变流作用 考虑理想变压器是L1、L2无穷大,且L1/L2为常数,k=1的无损耗互感线圈,则由互感线圈模型如图5.30所示,可得端电压相量式为 (5—24) (5—25) 因为k=1,即 ,则 (5—26) (5—27) 由式(5—27)得 null将式(5—26)与上式联立求得 由式(5—26)可得 由于L1→∞,因而 式(5—29)为理想变压器的变流关系式。 理想变压器可以看成是一种极限情况下的互感线圈,这一抽 象,使元件性质发生了质的变化。理想变压器不是动态元件,它既 不储能,也不耗能,仅起到一个变换参数的作用。它吸收的瞬时功 率恒等于零。即 (5—29) (5—28) null 此外, 在进行变压、变流关系计算时,要根据理想变压器符号中的同名端来确定变压、变流关系式中的正、负号。原则是: （1）两端口电压的极性对同名端一致的,则关系式中冠正号,否则冠负号； （2）两端口电流的方向对同名端相反的,则关系式中冠正号,否则冠负号。   根据上述原则,图5.31所示理想变压器的初级与次级间的电压、 电流的关系为 图5.31 理想变压器 null 5.5.3 理想变压器的阻抗变换 如图5.32（a）所示为理想变压器电路,若在次级接一负载ZL,那么负载电压 ,这时从初级看进去的输入阻抗为 (5—30) 由式(5—30)可知,图5.32（a）所示含理想变压器电路初级等效电 路如图5.32（b）所示。 图5.32 理想变压器变换阻抗的作用 null 例5.7 电路如图5.33（a）所示。如果要使100Ω电阻能获得最大功率,试确定理想变压器的变比n。 解 已知负载R=100Ω,故次级对初级的折合阻抗 ZL=n2×100Ω 电路可等效为图5.33（b）所示。由最大功率传输条件可知,当n2×100等于电压源的串联电阻（或电源内阻）时,负载可获得最大功率。所以 n2×100=900 变比n为 n=3 图5.33 例5.7图 作业：P175页 5.13 5.14小 结 小 结 (1)由于一个线圈的电流变化而在另一个线圈中产生感应电压的现象称为互感现象。关联参考方向下,互感磁链与产生互感磁链的电流的比值,称为互感系数。即 为了表征互感线圈耦合的紧密程度,定义耦合系数 (0≤k≤1) k=1时,称全耦合;k=0时,称无耦合。 (2)互感线圈中自感磁通和互感磁通相助,电流流入的端钮称为 同名端。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 null 式中各项的正、负号与端钮的电压、电流参考方向及同名端的位置有关。 (3)互感线圈串联的等效电感 顺向串联时为“+2M”,反向串联时为“―2M”。互感 互感线圈并联的等效电感 null 同侧并联时,2M项前取“―”,异侧并联时,2M项前取“+”。 用无互感的电路去等效代替有互感的电路称为互感消去法。 (4)空心变压器（即线性变压器）是利用磁耦合的一种器件。对于含空心变压器的电路,可利用反射阻抗的概念,通过作初、次级等效电路的方法进行分析。 (5)理想变压器是在耦合电感基础上,加进无耗、全耦合、参数无穷大3个理想条件而抽象出的一类多端元件。它的初、次级电压、电流关系为  式中各项的正、负号与端钮电压、电流的参考方向和同名端的位 置有关。 理想变压器具有3个重要特性:变压、变流、变阻抗。