邱關(guān)源第五版全部課件10.ppt

1,邱關(guān)源第五版 全部課件 ,2,第十章 含有耦合電感的電路,1.互感和互感電壓,2.有互感電路的計(jì)算,3.變壓器原理和理想變壓器,重點(diǎn),3,10-1 互感,耦合電感元件屬于多端元件，在實(shí)際電路中，如收音機(jī)、電視機(jī)中的中周線圈、振蕩線圈，整流電源里使用的變壓器等都是耦合電感元件，熟悉這類多端元件的特性，掌握包含這類多端元件的電路問題的分析方法是非常必要的。,一. 互感,線圈1中通入電流i1時(shí)，在線圈1中產(chǎn)生磁通(magnetic flux)，同時(shí)，有部分磁通穿過臨近線圈2，這部分磁通稱為互感磁通。兩線圈間有磁的耦合。,+,u11,+,u21,i1,11, 21,N1,N2,4,1、自感磁通鏈 線圈1中的電流產(chǎn)生的磁通在穿越自身的線圈時(shí)，所產(chǎn)生的磁通鏈。,中的一部分或全部交鏈線圈2時(shí)產(chǎn)生的磁通鏈。,2、互感磁通鏈,定義 ：磁鏈 (magnetic linkage)， =N,磁通（鏈）符號(hào)中雙下標(biāo)的含義：,第1個(gè)下標(biāo)表示該磁通（鏈）所在線圈的編號(hào)， 第2個(gè)下標(biāo)表示產(chǎn)生該磁通（鏈）的施感電流所在線圈的編號(hào)。,同樣線圈2中的電流i2也產(chǎn)生自感磁通鏈22和互感磁通鏈 12 （圖中未標(biāo)出）,5,耦合線圈中的磁通鏈等于自感磁通鏈和互感磁通鏈兩部分的代數(shù)和， 如線圈1 和2 中的磁通鏈分別為,則有,“+”號(hào)表示互感磁通鏈與自感磁通鏈方向一致，稱為互感的“增助”作用或稱同向耦合； “-”號(hào)則相反，表示互感的“削弱”作用或稱反相耦合。,6,M值與線圈的形狀、幾何位置、空間媒質(zhì)有關(guān)，與線圈中的電流無關(guān)，當(dāng)只有兩個(gè)線圈有耦合時(shí)，可以略去M的下標(biāo)，即可令: M=M12=M21。,則:,當(dāng)周圍空間是各向同性的線性磁介質(zhì)時(shí)，每一種磁通鏈都與產(chǎn)生它的施感電流成正比，,互感磁通鏈：,即有自感磁通鏈：,7,二.耦合因數(shù) (coupling coefficient),用耦合因數(shù)k 表示兩個(gè)線圈磁耦合的緊密程度。,一般有：,耦合因數(shù)k與線圈的結(jié)構(gòu)、相互幾何位置、空間磁介質(zhì)有關(guān)。,當(dāng) k=1 稱全耦合: 漏磁 F s1 =Fs2=0,即 F11= F21 ，F(xiàn)22 =F12,8,三.耦合電感上的電壓、電流關(guān)系,如果兩個(gè)耦合的電感L1和L2中有變動(dòng)的電流，各電感中的磁通鏈將隨電流變動(dòng)而變動(dòng)。 設(shè)L1和L2的電壓和電流分別為u1、i1和u2、i2，且都取關(guān)聯(lián)參考方向，互感為M，則有：,9,+,u11,+,u21,兩線圈的自磁鏈和互磁鏈增助，互感電壓取正， 否則取負(fù)。表明互感電壓的正、負(fù)： （1）與電流的參考方向有關(guān)。 （2）與線圈的相對(duì)位置和繞向有關(guān)。,注：,10,在正弦交流電路中，其相量形式的方程為,11,對(duì)互感電壓，因產(chǎn)生該電壓的電流在另一線圈上，必須知道兩個(gè)線圈的繞向，才能確定其符號(hào)，或者為了便于反映“增助”或“削弱”作用，用簡化的圖形表示，引入同名端的概念。,對(duì)自感電壓，當(dāng)u, i 取關(guān)聯(lián)參考方向，i 與符合右螺旋定則：,四.互感線圈的同名端,12,注意：線圈的同名端必須兩兩確定。,同向耦合狀態(tài)下的一對(duì)施感的入端(或出端)。,或者電流分別從兩個(gè)線圈的對(duì)應(yīng)端子同時(shí)流入（或流出），若所產(chǎn)生的磁通相互加強(qiáng)時(shí)，則這兩個(gè)對(duì)應(yīng)端子稱為兩互感線圈的同名端。,1. 同名端,13,14,2. 確定同名端的方法：,(1) 根據(jù)定義：當(dāng)兩個(gè)線圈中電流同時(shí)由同名端流入(或流出)時(shí)，兩個(gè)電流產(chǎn)生的磁場相互增強(qiáng)。,*,*,*,*,例,(2) 當(dāng)隨時(shí)間增大的時(shí)變電流從一線圈的一端流入時(shí)，將會(huì)引起另一線圈相應(yīng)同名端的電位升高。,15,(3). 同名端的實(shí)驗(yàn)測定：,*,*,電壓表正偏。,如圖電路，當(dāng)閉合開關(guān)S時(shí)， i 增加，,當(dāng)兩組線圈裝在黑盒里，只引出四個(gè)端線組，要確定其同名端，就可以利用上面的結(jié)論來加以判斷。,當(dāng)斷開S時(shí)，如何判定？,16,3. 由同名端及u、i參考方向確定互感線圈的特性方程,有了同名端，以后表示兩個(gè)線圈相互作用，就不再考慮實(shí)際繞向，而只畫出同名端及參考方向即可。,即：如果互感電壓 “+”極性端子與產(chǎn)生它的電流流進(jìn)的端子為一對(duì)同名端，互感電壓前應(yīng)取 “+ ”號(hào)，反之取 “-”號(hào)。,17,4. 互感電壓的等效受控源表示法,18,或：,19,例1,寫出圖示電路電壓電流關(guān)系式,20,一.耦合電感的串聯(lián),10-2 含有耦合電感電路的計(jì)算,（1） 順接串聯(lián)(增助作用),去耦等效電路,21,在正弦激勵(lì)下：,相量圖：,22,（2） 反接串聯(lián)(削弱作用),互感不大于兩個(gè)自感的算術(shù)平均值。,23,*,*,在正弦激勵(lì)下：,相量圖：,24,二. 耦合電感的并聯(lián),1、同側(cè)并聯(lián),0,1,a:可等效受控源去耦計(jì)算：,25,去耦等效電路：,0,1,1,1,j(L1-M),jM,j(L2-M),b: 去耦等效電路：,26,0,1,a: 可等效受控源去耦計(jì)算：,2、異側(cè)并聯(lián),27,去耦等效電路,0,1,1,1,j(L1+M),-jM,j(L2+M),b: 去耦等效電路：,28,3. 耦合電感的T型等效,（1） 同名端為共端的T型去耦等效,29,（2） 異名端為共端的T型去耦等效,30,等效去耦方法： 如果耦合電感的2條支路各有一端與第3支路形成一個(gè)僅含3條支路的共同結(jié)點(diǎn)，則可用3條無耦合的電感支路等效替代，3條支路的等效電感分別為：,（支路2）,（支路3）,同側(cè)取“+”，異側(cè)取“-”,（支路1）,M前所取符號(hào)與L3中的相反,結(jié)論：,31,例1：,求去耦等效電路。,32,例：,Lab=5H,Lab=6H,解,33,小結(jié)：有互感電路的計(jì)算,(1) 在正弦穩(wěn)態(tài)情況下，有互感的電路的計(jì)算仍應(yīng)用前面 介紹的相量分析方法。 (2) 注意互感線圈上的電壓除自感電壓外，還應(yīng)包含互感 電壓，耦合可用受控源等效，也可正確等效去耦。 (3) 一般采用支路法和回路法計(jì)算。,34,電壓U=50V，求（1）當(dāng)開關(guān)K打開和閉合時(shí)的電流，（2）開關(guān)閉合時(shí)電路的復(fù)功率。,解：（1） 當(dāng)開關(guān)打開時(shí),兩個(gè)耦合電感是順向串聯(lián),例3：,35,當(dāng)開關(guān)閉合時(shí)，兩個(gè)耦合電感相當(dāng)于異側(cè)并聯(lián)，利用等效去耦法，原電路等效為：,-j 8,3,3,j15.5,5,j 20.5,開關(guān)閉合后， AB兩點(diǎn)間的電壓,B,A,B,B,A,?,36,（2）開關(guān)閉合時(shí)電路的復(fù)功率,3,復(fù)功率為：,37,可以看出，互感電壓發(fā)出的無功功率，分別補(bǔ)償L1和L2中的無功功率，其中， L2和M處于完全補(bǔ)償狀態(tài)。 線圈1中的互感電壓吸收的有功功率由線圈2中的互感電壓發(fā)出，供給支路2中的電阻R2消耗，出現(xiàn)了互感傳遞有功功率的現(xiàn)象。,38,例4：,求圖示電路的開路電壓。,解1,39,作出去耦等效電路，(一對(duì)一對(duì)消):,解2,40,41,例5：,要使i =0，問電源的角頻率為多少？,解：,42,解:,例6,問Z為何值時(shí)其上獲得最大功率，求出最大功率。,（1）判定互感線圈的同名端。,43,（2）作去耦等效電路,44,45,副邊（二次）回路,原邊（一次）回路,一.變壓器電路,10-3 變壓器原理,變壓器由兩個(gè)具有互感的線圈構(gòu)成，一個(gè)線圈接向電源，另一線圈接向負(fù)載，變壓器是利用互感來實(shí)現(xiàn)從一個(gè)電路向另一個(gè)電路傳輸能量或信號(hào)的器件。,46,二. 分析,1. 方程,令 Z11=R1+j L1， Z22=(R2+R)+j( L2+X),回路方程：,則：,分別為原副線圈的回路阻抗。,47,原邊等效電路,副邊等效電路,2.等效電路,原邊：,原邊的輸入阻抗：,48,副邊對(duì)原邊的引入阻抗：,其性質(zhì)與Z22相反。,引入阻抗反映了副邊回路對(duì)原邊回路的影響。從物理意義講，雖然原副邊沒有電的聯(lián)系，但由于互感作用使閉合的副邊產(chǎn)生電流，反過來這個(gè)電流又影響原邊電流電壓。,電源發(fā)出有功 P= I12(R1+Rl),I12R1 消耗在原邊；,I12Rl 消耗在副邊，由互感傳輸。,49,原邊對(duì)副邊的引入阻抗。,利用戴維寧定理可以求得變壓器副邊的等效電路 。,為此時(shí)原邊電流在副邊產(chǎn)生的互感電壓。,副邊等效電路,副邊：,50,例1,已知 US=20 V , 原邊引入阻抗 Zl=10j10。,求 ZX 并求負(fù)載獲得的有功功率。,此時(shí)負(fù)載獲得的功率：,實(shí)際是最佳匹配：,解:,51,L1=3.6H , L2=0.06H , M=0.465H , R1=20W , R2=0.08W ,RL=42W , w =314rad/s,應(yīng)用原邊等效電路,例2:,解:,52,求 也應(yīng)用副邊等效電路,53,例3,L1=L2=0.1mH , M=0.02mH , R1=10W , C1=C2=0.01F ,問：R2=？能吸收最大功率, 求最大功率。,解:,w =106rad/s,54,解2,應(yīng)用副邊等效電路:,當(dāng),時(shí)吸收最大功率,應(yīng)用原邊等效電路:,R2=40 時(shí)吸收最大功率,解1:,55,例4,全耦合互感電路如圖，求電路初級(jí)端ab間的等效阻抗。,解1,解2,畫出去耦等效電路,56,一.理想變壓器的三個(gè)理想化條件,10-4 理想變壓器,理想變壓器是實(shí)際變壓器的理想化模型，是對(duì)互感元件的理想科學(xué)抽象，是極限情況下的耦合電感。,2.全耦合,1.無損耗,線圈導(dǎo)線無電阻，做芯子的鐵磁材料的磁導(dǎo)率無限大。,3.參數(shù)無限大,以上三個(gè)條件在工程實(shí)際中不可能滿足，但在一些實(shí)際工程概算中，在誤差允許的范圍內(nèi)，把實(shí)際變壓器當(dāng)理想變壓器對(duì)待，可使計(jì)算過程簡化。,57,二.理想變壓器的主要性能,1. 變壓關(guān)系,若:,理想變壓器模型,58,2. 變流關(guān)系,若i1、i2一個(gè)從同名端流入，一個(gè)從同名端流出，則有：,理想變壓器模型,59,3. 變阻抗關(guān)系,理想變壓器的阻抗變換性質(zhì)只改變阻抗的大小，不改變阻抗的性質(zhì)。,注,正弦穩(wěn)態(tài)下：,副邊折合到原邊的等效阻抗,60,理想變壓器既不儲(chǔ)能，也不耗能，在電路中只起傳遞信號(hào)和能量的作用。,4. 功率性質(zhì),表明：,61,例1,已知電源內(nèi)阻RS=1k，負(fù)載電阻RL=10。為使RL上獲得最大功率，求理想變壓器的變比n。,當(dāng) n2RL=RS 時(shí)匹配，即,10n2=1000, n2=100， n=10 .,應(yīng)用變阻抗性質(zhì),62,阻抗變換舉例：揚(yáng)聲器上如何得到最大輸出功率。,設(shè)：,信號(hào)電壓的有效值:U1= 50V;,信號(hào)內(nèi)阻： Rs=100 ；,求：負(fù)載上得到的功率,解：（1）將負(fù)載直接接到信號(hào)源上，得到的輸出功率為：,負(fù)載為揚(yáng)聲器，其等 效電阻：RL=8。,例2,63,（2）將負(fù)載通過變壓器接到信號(hào)源上。,結(jié)論：由此例可見加入變壓器以后，輸