含有耦合电感的电路分析.ppt

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1、第十章 含有耦合电感的电路分析,教学目的和要求：,理解耦合电感及其韦安关系；掌握同名端的概念；掌握耦合电感的串并联及去耦合等效电路及含耦合电感电路的分析；掌握空心变压器电路的分析；掌握理想变压器电路的分析。,重点互感含耦合电感电路的分析空心变压器理想变压器难点含耦合电感电路的分析,在环形磁芯上用漆包线绕一个耦合电感，初级60匝，次级30匝，如图所示。,在环形磁芯上用漆包线绕一个耦合电感，初级60匝，次级30匝，如图所示。,在初级加上999kHz的正弦信号，用示波器观察到正弦波形。,在耦合电感的次级上，可以观察到正弦波形，其幅度约为初级电压的一半。,为了区别这两种情况，需确定耦合电感的同名端，图

2、示耦合电感线圈的两个红色(或绿色)端钮是一对同名端。当初次级电压参考方向的正极都在同名端时，它们的相位相同。,10.1 互感,载流线圈之间通过彼此的磁场相互联系的物理现象。,1.磁耦合：,双下标的含义：,前结果（受主）,后原因（施主）,当线圈周围无铁磁物质(空心线圈)时，与i 成正比。,12,22,自感磁通链：,互感磁通链：,M12、M21:互感系数,M12=M21=M,12,22,互感磁通链与自感磁通链方向一致。,互感磁通链与自感磁通链方向相反。,12,22,2.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，若所产生的磁通相互加强时，则这两个对应端子称为两互感线圈的同名端。,N1

3、,N2,N3,意 义：若电流i1由N1的“”端流入，则在N2中产生的互感电压u21的正极在N2的“”端。,注意：线圈的同名端必须两两确定。,电路模型,确定同名端的方法,(1)当两个线圈中电流同时由同名端流入(或流出)时，两个电流产生的磁场相互增强。,*,*,*,*,例,(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。,同名端的实验确定,*,*,电压表正偏。,如图电路，当闭合开关 S 时，i 增加，,当两组线圈装在黑盒里，只引出四个端线组，要确定其同名端，就可以利用上面的结论来加以判断。,3.耦合电感上电压和电流的关系,当i1为时变电流时，磁通也将随时间变

4、化，从而在线圈两端产生感应电压。,当i1、u11、u21方向与 符合右手螺旋时，根据电磁感应定律和楞次定律：,自感电压,互感电压,1)在正弦交流电路中，其相量形式的方程为,当两个线圈同时通以电流时，每个线圈两端的电压均包含自感电压和互感电压：,同相耦合时，互感电压与自感电压同号；异相耦合时，互感电压与自感电压异号；,注意,例1 用同名端判别互感电压的极性,例2,写出图示电路电压、电流关系式,2)用CCVS表示的耦合电感电路,3)耦合系数K,用耦合系数k 表示两个线圈磁耦合的紧密程度。,当 k=1 称全耦合:两线圈缠绕,耦合系数 k与线圈的结构、相互几何位置、空间磁介质有关,当 k=0 称无耦合

5、:两线圈轴线垂直,例3,解,耦合电感的串联1）顺接串联,10.2 含有耦合电感电路的计算,去耦等效电路,2)反接串联,互感的测量方法,顺接一次，反接一次，就可以测出互感：,全耦合时,当 L1=L2 时,M=L1=L2,在正弦激励下,相量图：,(a)顺接,(b)反接,解：,例4：图示电路，=100rad/s 求,解：,顺接：,反接：,例5：两个耦合线圈，接到220V，50Hz正弦电压上。顺接时I=2.7A,P=218.7W；反接时I=7A。求互感M=?(10-7),2 耦合电感的并联1）同侧并联,2）异侧并联,例6：图示电路，=4rad/s,C=5F,M=3H。求输入阻抗Z。当 C 为何值时阻抗

6、 Z 为纯电阻？,解：,互感元件为同侧并联，有,若改变电容使Z为纯电阻性，则有,3 耦合电感T型等效,1)同名端为共端的T型去耦等效(视为同侧并联),3,推广到四端的去耦等效,例7：图示电路，=10rad/s。分别求K=0.5和K=1时,电路中的电流 İ1 和 İ2 以及电阻 R=10吸收的功率.,解：去耦等效电路,（1）K=0.5，M=0.5H,有,（2）K=1，M=1H,有,解：,1)判定同名端：,2)去耦等效电路：,3)移去待求支路Z，有：,4)戴维南等效电路：,例8：图示电路，求Z为何值可获最大功率？其中：,4 有互感电路的计算应注意(1)列方程时不要漏掉互感电压；(2)注意同名端与互

7、感电压的关系；(3)去耦等效条件以及联接方式；(4)应用戴维南定理时，内外电路应无耦合。,例9,列写电路的回路电流方程。,解,例10,求图示电路的开路电压。,解1,作出去耦等效电路，(一对一对消):,解2,10.3 耦合电感的功率,当耦合电感中的施感电流变化时，将出现变化的磁场，从而产生电场（互感电压），耦合电感通过变化的电磁场进行电磁能的转换和传输，电磁能从耦合电感一边传输到另一边。,而有功功率异号，表明有功功率从一个端口进入（吸收、正号），必须从另一端口输出（发出、负号），体现互感M非耗能特性，有功功率是通过耦合电感的电磁场传播的。,图中所示电压、电流为同频率正弦量时，两个线圈的复功率 和

8、 分别为：,及,为两个互感电压耦合的复功率，两者虚部同号，实部异号。,可见，耦合功率中的无功功率对两个耦合线圈的影响、性质是相同的；,10.4 变压器耦合原理,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，变压器是利用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料时，称空心变压器。,1 变压器电路（工作在线性段）,原边回路,副边回路,2 分析方法1）方程法分析,令 Z11=R1+j L1，Z22=(R2+R)+j(L2+X),回路方程：,原边等效电路,副边等效电路,2）等效电路分析法,副边对原边的引入阻抗。,原边对副边的引入阻抗。,3

9、）去耦等效分析法,对含互感的电路进行去耦等效，变为无互感的电路，再进行分析。,已知 US=20 V,原边引入阻抗 Zl=10j10.,求:ZX 并求负载获得的有功功率.,负载获得功率：,实际是最佳匹配：,例11,解,L1=3.6H,L2=0.06H,M=0.465H,R1=20W,R2=0.08W,RL=42W,w=314rad/s,应用原边等效电路,例12,解1,应用副边等效电路,解2,例13,全耦合电路如图，求初级端ab的等效阻抗。,解1,解2,画出去耦等效电路,解,例14,问Z为何值时其上获得最大功率，求出最大功率。,判定互感线圈的同名端,作去耦等效电路,10.5 理想变压器,1 理想变

10、压器的三个理想化条件,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。,2)全耦合,1)无损耗,线圈导线无电阻，做芯子的铁磁材料的磁导率无限大。,3)参数无限大,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,1）变压关系,若,2）变流关系,考虑理想化条件：,若i1、i2一个从同名端流入，一个从同名端流出，则有：,i1,i2,说明:,电压关系,注：电流方向与同名端满足一致方向,电流关系,同名端、参考方向不同，则电路方程不同。,注：电压方向与同名端满

11、足一致方向,初级电流与次级电流满足代数关系:,电压与电流相互独立；初级电压与次级电压满足代数关系：,3）变阻抗关系,理想变压器的阻抗变换性质只改变阻抗的大小，不改变阻抗的性质。,4）功率性质,理想变压器的特性方程为代数关系，因此它是无记忆的多端元件。,理想变压器既不储能，也不耗能，在电路中只起传递信号和能量的作用。,5.受控源模拟理想变压器,例15,已知电源内阻 RS=1k，负载电阻 RL=10。为使 RL获得最大功率，求理想变压器的变比 n。,当 n2RL=RS 时匹配，即,10n2=1000,n2=100，n=10.,解,应用变阻抗性质,例16,方法1：列方程,解得,解,方法2：阻抗变换,方法3：戴维宁等效,求 Req：,Req=1021=100,戴维宁等效电路：,例17,已知图示电路的等效阻抗Zab=0.25，求理想变压器的变比n。,解：,应用阻抗变换,外加电源得：,例18,求电阻R 吸收的功率,解:,应用回路法,解得,1,绕制变压器的磁心和铁心以及线圈的骨架。,作业,10-5、10-12、10-14、10-16、10-17、10-19,Thank You!,