大學(xué)物理課件-互感-福州大學(xué)李培官

互感互感是電磁感應(yīng)的一種情況,兩個(gè)或多個(gè)磁場(chǎng)相互作用產(chǎn)生感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)。它在電力系統(tǒng)、電子通信系統(tǒng)等諸多領(lǐng)域有廣泛應(yīng)用,是大學(xué)物理課程的核心內(nèi)容之一。課程簡(jiǎn)介課程目標(biāo)本課程旨在讓學(xué)生全面掌握互感的基本概念和原理，深入理解自感和互感的關(guān)系。知識(shí)體系課程涵蓋從磁通量、互感系數(shù)到變壓器工作原理等,全面介紹互感在電力系統(tǒng)中的應(yīng)用。實(shí)踐應(yīng)用通過(guò)案例分析和實(shí)驗(yàn)操作,幫助學(xué)生將理論知識(shí)應(yīng)用到實(shí)際問(wèn)題解決中。課程目標(biāo)掌握互感的基本概念了解磁通量、磁通概念,學(xué)習(xí)互感的定義和特點(diǎn)。理解互感系數(shù)的計(jì)算掌握互感系數(shù)的計(jì)算方法,學(xué)會(huì)評(píng)估自感和互感之間的關(guān)系。學(xué)習(xí)變壓器的工作原理深入理解變壓器的工作機(jī)理,包括效率、電壓變換比和容量等。探討互感在電力系統(tǒng)中的應(yīng)用了解互感在電流互感器、電壓互感器等電力設(shè)備中的作用和應(yīng)用。知識(shí)點(diǎn)講解物理定律與方程深入了解物理學(xué)的基本定律和方程,掌握它們的應(yīng)用場(chǎng)景和基本原理。實(shí)驗(yàn)與驗(yàn)證通過(guò)實(shí)驗(yàn)操作和數(shù)據(jù)分析,驗(yàn)證物理定律,加深對(duì)相關(guān)概念的理解。問(wèn)題分析與解決運(yùn)用物理知識(shí),分析和解決實(shí)際問(wèn)題,培養(yǎng)學(xué)生的邏輯思維和問(wèn)題解決能力。前沿技術(shù)應(yīng)用介紹物理學(xué)在新興技術(shù)領(lǐng)域的最新應(yīng)用,激發(fā)學(xué)生對(duì)科學(xué)的興趣和好奇心。磁通量與磁通磁通量磁通量是磁場(chǎng)中的磁力線(xiàn)通過(guò)特定面積的數(shù)量。它是衡量磁場(chǎng)強(qiáng)度的重要參數(shù)。磁通磁通是在特定時(shí)間內(nèi)通過(guò)某一面積的磁通量。它表示磁場(chǎng)的總通量變化情況。磁通與電磁感應(yīng)磁通的變化會(huì)產(chǎn)生電磁感應(yīng)電動(dòng)勢(shì),這是電磁感應(yīng)的物理基礎(chǔ)。互感概念相互耦合當(dāng)兩個(gè)電路或電磁回路相互耦合時(shí)，一個(gè)回路中的電流變化會(huì)在另一個(gè)回路中產(chǎn)生電動(dòng)勢(shì)。這種相互影響就是互感的基本概念。電流相互影響當(dāng)一個(gè)電路中的電流發(fā)生變化時(shí)，它產(chǎn)生的變化磁通會(huì)通過(guò)相鄰的另一個(gè)電路,從而在該電路中產(chǎn)生感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)。磁通相互影響一個(gè)電磁回路的磁通變化會(huì)影響相鄰的另一個(gè)回路,從而在該回路中產(chǎn)生感應(yīng)電動(dòng)勢(shì),這種相互影響的現(xiàn)象就是互感?；ジ邢禂?shù)互感系數(shù)是表示兩個(gè)相互耦合電路之間磁通鏈接程度的一個(gè)量化參數(shù)。它描述了一個(gè)電路中的電流變化會(huì)在另一個(gè)電路中誘導(dǎo)出多大的電壓。互感系數(shù)的大小決定了兩個(gè)電路之間的磁耦合強(qiáng)度?；ジ邢禂?shù)描述兩個(gè)磁性耦合電路間的磁通鏈接程度取值范圍0≤M≤√(L1*L2)單位亨利（H）互感系數(shù)的定義1相互耦合互感系數(shù)描述了兩個(gè)電路之間的相互耦合程度。2磁通鏈接當(dāng)電流變化時(shí),一個(gè)線(xiàn)圈產(chǎn)生的磁通鏈接到另一個(gè)線(xiàn)圈的比例。3無(wú)量綱互感系數(shù)是一個(gè)無(wú)量綱的數(shù)值,在0到1之間變化。4最大值當(dāng)兩個(gè)線(xiàn)圈完全耦合時(shí),互感系數(shù)取最大值1。自感和互感自感自感是描述單一電感元件本身電磁性質(zhì)的參數(shù)。它反映了電感元件對(duì)自身電流變化產(chǎn)生的電動(dòng)勢(shì)?；ジ谢ジ惺敲枋鰞蓚€(gè)電感元件之間磁耦合的參數(shù)。它反映了一個(gè)電感元件的電流變化所產(chǎn)生的磁通量對(duì)另一個(gè)元件的影響。關(guān)系自感和互感是密切相關(guān)的概念。電感元件之間的耦合程度越強(qiáng)，互感也就越大。自感和互感共同描述了電感元件的電磁特性。互感系數(shù)的計(jì)算1定義互感系數(shù)是描述兩個(gè)電路之間磁耦合強(qiáng)度的參數(shù)2計(jì)算通過(guò)測(cè)量一個(gè)線(xiàn)圈的電壓來(lái)計(jì)算與另一個(gè)線(xiàn)圈的互感系數(shù)3公式M=互感系數(shù)=Vk/(Ip*ω)4應(yīng)用互感系數(shù)廣泛應(yīng)用于變壓器、電機(jī)等電磁設(shè)備設(shè)計(jì)計(jì)算互感系數(shù)的關(guān)鍵在于通過(guò)測(cè)量一個(gè)線(xiàn)圈受到的感應(yīng)電壓，結(jié)合已知的電流和頻率，利用互感系數(shù)公式M=Vk/(Ip*ω)來(lái)得出兩個(gè)線(xiàn)圈之間的互感系數(shù)。這一參數(shù)在電磁設(shè)備設(shè)計(jì)中廣泛應(yīng)用，是描述磁耦合強(qiáng)度的重要指標(biāo)。相互影響1相互感應(yīng)當(dāng)兩個(gè)線(xiàn)圈相互靠近時(shí)，一個(gè)線(xiàn)圈的變化磁通會(huì)誘導(dǎo)出另一個(gè)線(xiàn)圈中的電動(dòng)勢(shì)。這就是相互感應(yīng)的現(xiàn)象。2磁耦合兩個(gè)線(xiàn)圈由于磁場(chǎng)的相互耦合而產(chǎn)生相互影響。這種磁耦合關(guān)系可以用互感系數(shù)來(lái)表示。3能量傳遞靠相互感應(yīng)的作用,可以通過(guò)一個(gè)線(xiàn)圈向另一個(gè)線(xiàn)圈傳遞能量,這就是變壓器的工作原理。自感與互感的關(guān)系自感的產(chǎn)生當(dāng)電流通過(guò)導(dǎo)體時(shí),會(huì)產(chǎn)生磁場(chǎng),從而在導(dǎo)體內(nèi)部產(chǎn)生自感電動(dòng)勢(shì)。這就是自感的本質(zhì)。互感的產(chǎn)生當(dāng)兩個(gè)電感或更多電感相互耦合,彼此的磁場(chǎng)會(huì)相互影響,從而產(chǎn)生互感電動(dòng)勢(shì)。這就是互感的來(lái)源。自感與互感的關(guān)系自感和互感是相互關(guān)聯(lián)的。自感是單個(gè)電感自身的特性,而互感則體現(xiàn)了多個(gè)電感之間的相互作用?；ジ械膽?yīng)用互感在電力系統(tǒng)中廣泛應(yīng)用,主要包括變壓器、電流互感器和電壓互感器等。互感器可以實(shí)現(xiàn)電壓、電流的變換和隔離,是電力系統(tǒng)中不可或缺的重要元件。除此之外,互感還在電機(jī)啟動(dòng)電路、檢測(cè)與測(cè)量等領(lǐng)域有特殊用途,發(fā)揮著重要作用。通過(guò)互感的原理和特性,可以實(shí)現(xiàn)電力設(shè)備的有效控制和保護(hù),提高電力系統(tǒng)的安全性和可靠性。變壓器變壓器是一種利用電磁感應(yīng)原理將電壓從一個(gè)電路轉(zhuǎn)換到另一個(gè)電路的設(shè)備。其主要由初級(jí)繞組和次級(jí)繞組組成，通過(guò)改變繞組匝數(shù)比來(lái)調(diào)節(jié)電壓。變壓器可廣泛應(yīng)用于電力系統(tǒng)、電子設(shè)備等領(lǐng)域。變壓器的工作原理1交流輸入交流電源供給變壓器的初級(jí)繞組2電磁感應(yīng)交流電流在初級(jí)繞組中產(chǎn)生交變磁場(chǎng)3電磁耦合交變磁場(chǎng)通過(guò)磁芯耦合到次級(jí)繞組4電壓變換次級(jí)繞組感應(yīng)出經(jīng)過(guò)變換的交流電壓變壓器的工作原理是利用電磁感應(yīng)的原理來(lái)實(shí)現(xiàn)電壓的變換。交流電流通過(guò)初級(jí)繞組產(chǎn)生交變磁場(chǎng),通過(guò)磁芯耦合到次級(jí)繞組,從而在次級(jí)繞組感應(yīng)出變換后的交流電壓。這種電磁耦合的原理使得變壓器可以實(shí)現(xiàn)對(duì)交流電壓的升壓或降壓。變壓器效率變壓器工作時(shí)會(huì)產(chǎn)生一定的能量損耗,使得輸出功率小于輸入功率。變壓器效率定義為輸出功率與輸入功率的比值,反映了變壓器轉(zhuǎn)換電能時(shí)的性能指標(biāo)。影響變壓器效率的主要因素包括鐵損和銅損。要提高變壓器效率,可采取提高鐵芯材質(zhì)、減少線(xiàn)圈繞組線(xiàn)圈長(zhǎng)度等措施,降低鐵損和銅損,從而提高變壓器的整體性能。典型的高效變壓器效率可達(dá)到97%以上。變壓器電壓變換比1:1等比一次側(cè)電壓等于二次側(cè)電壓。1:N升壓比一次側(cè)電壓小于二次側(cè)電壓。N:1降壓比一次側(cè)電壓大于二次側(cè)電壓。變壓器的電壓變換比決定了變壓器的輸入電壓和輸出電壓之間的關(guān)系。這是變壓器最重要的工作特性之一。變壓器容量100MVA容量變壓器能夠傳輸?shù)淖畲笥泄β?500V電壓變壓器的原邊和副邊額定電壓40A電流變壓器的額定電流99.5%效率變壓器的工作效率變壓器勵(lì)磁特性電磁感應(yīng)原理變壓器的勵(lì)磁特性受電磁感應(yīng)原理的支配,通過(guò)初級(jí)繞組產(chǎn)生的交流磁場(chǎng)會(huì)在鐵芯中感應(yīng)出交流磁通量。鐵芯磁化曲線(xiàn)變壓器鐵芯的磁化曲線(xiàn)決定了勵(lì)磁電流隨磁通量的變化規(guī)律。鐵芯材料的性能直接影響勵(lì)磁特性。空載電流當(dāng)變壓器處于空載狀態(tài)時(shí),僅需要較小的勵(lì)磁電流來(lái)維持鐵芯中的磁通量,這就是變壓器的空載電流。變壓器的損耗銅損變壓器的銅損主要來(lái)源于繞組電阻造成的能量損失。主要影響因素有繞組電流大小和繞組電阻值。鐵損鐵損指變壓器鐵芯在交變磁場(chǎng)作用下產(chǎn)生的能量損失。主要包括渦流損和滯回?fù)p。其他損耗還包括冷卻介質(zhì)的流動(dòng)阻力損耗、和絕緣材料的介質(zhì)損耗等。這些損耗較小但不可忽視?？倱p耗變壓器的總損耗是銅損、鐵損和其他損耗的總和。優(yōu)化設(shè)計(jì)可以降低損耗,提高變壓器效率。三相變壓器連接方式星形連接三相變壓器的一種常用連接方式,變壓器三相繞組的一端連成一個(gè)公共點(diǎn)(中性點(diǎn))。這種連接方式可以降低變壓器的線(xiàn)電壓,并且當(dāng)有一相故障時(shí),其他兩相也可以繼續(xù)工作。三角形連接三相變壓器的另一種連接方式,三相繞組呈三角形連接。這種連接可以提高系統(tǒng)的功率因數(shù),降低線(xiàn)電流,適用于大功率的供電系統(tǒng)。星-三角形連接結(jié)合了星形和三角形兩種連接方式,可以實(shí)現(xiàn)線(xiàn)電壓和線(xiàn)電流的變換。廣泛用于電動(dòng)機(jī)和變壓器的啟動(dòng)電路中。其他連接方式還有其他一些特殊的三相變壓器連接方式,如V型連接、開(kāi)Δ連接等,適用于不同的工藝需求和供電環(huán)境。三相變壓器的容量三相變壓器的容量一般為單相變壓器容量的3倍。這是因?yàn)槿嘞到y(tǒng)中的三條線(xiàn)路同時(shí)承擔(dān)功率傳輸任務(wù)，相比單相變壓器可以傳輸更大的功率。三相變壓器通常用于大功率電力系統(tǒng)中，滿(mǎn)足高功率需求。三相變壓器的連接1星形連接三相變壓器的一種常見(jiàn)連接方式是星形連接,其中三個(gè)相繞組的一端接在一起形成中線(xiàn),另三個(gè)端接在三相供電線(xiàn)上。這種連接可實(shí)現(xiàn)三相穩(wěn)壓供電。2三角形連接另一種連接方式是三角形連接,三個(gè)相繞組端接在三相供電線(xiàn)的三個(gè)線(xiàn)上。這種連接可實(shí)現(xiàn)三相電壓降低,適合于大負(fù)載供電。3兼容性這兩種不同的連接方式可以在電力系統(tǒng)中靈活切換,以滿(mǎn)足不同的供電需求和負(fù)載特點(diǎn)。變壓器調(diào)壓1調(diào)壓功能變壓器可以調(diào)整輸出電壓的大小2分接頭調(diào)壓通過(guò)改變初級(jí)線(xiàn)圈的匝數(shù)來(lái)調(diào)整輸出電壓3旋轉(zhuǎn)式調(diào)壓通過(guò)改變初級(jí)線(xiàn)圈的接入點(diǎn)來(lái)調(diào)整輸出電壓4電磁式調(diào)壓通過(guò)改變初級(jí)線(xiàn)圈和次級(jí)線(xiàn)圈的相對(duì)位置來(lái)調(diào)整輸出電壓變壓器的輸出電壓可以通過(guò)多種方式進(jìn)行調(diào)整,如分接頭調(diào)壓、旋轉(zhuǎn)式調(diào)壓和電磁式調(diào)壓。這些調(diào)壓方式可以滿(mǎn)足不同的用電需求,確保輸出電壓的穩(wěn)定性和可靠性。電動(dòng)機(jī)啟動(dòng)電路1直接啟動(dòng)直接將電機(jī)接入電源,適用于小功率電機(jī)2星三角啟動(dòng)先以星型連接,再切換為三角連接,適用于中功率電機(jī)3軟啟動(dòng)使用可控硅等裝置控制電流,適用于大功率電機(jī)電動(dòng)機(jī)啟動(dòng)時(shí)需要解決電流突增的問(wèn)題,常用的解決方式包括直接啟動(dòng)、星三角啟動(dòng)和軟啟動(dòng)等。不同方式適用于不同功率的電機(jī),能夠有效控制電流,平穩(wěn)啟動(dòng)電機(jī)?；ジ性陔娏ο到y(tǒng)中的應(yīng)用電流互感器電流互感器可用于電力系統(tǒng)中的電流檢測(cè)和保護(hù),可提高測(cè)量精度和系統(tǒng)安全性。電壓互感器電壓互感器可用于電壓檢測(cè)和監(jiān)控,確保電力系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行。變壓器變壓器利用互感原理實(shí)現(xiàn)交流電壓的變換,在電力系統(tǒng)中廣泛應(yīng)用。無(wú)線(xiàn)電功率傳輸互感原理也可用于無(wú)線(xiàn)電功率傳輸,為新興的無(wú)線(xiàn)充電技術(shù)提供基礎(chǔ)?；ジ衅鞯脑砗蛻?yīng)用原理互感器基于電磁感應(yīng)原理,通過(guò)變壓器的原理將一個(gè)電路的電流或電壓信號(hào)傳輸?shù)搅硪粋€(gè)電路。電流互感器電流互感器用于測(cè)量交流電路中的電流,廣泛應(yīng)用于電力系統(tǒng)測(cè)量和電能表計(jì)。電壓互感器電壓互感器用于測(cè)量交流電路中的電壓,常用于高壓電網(wǎng)的電壓測(cè)量。電流互感器1工作原理電流互感器采用電磁感應(yīng)原理,通過(guò)主線(xiàn)圈感應(yīng)電流變化來(lái)產(chǎn)生二次電流。2結(jié)構(gòu)特點(diǎn)電流互感器由鐵心、初級(jí)繞組和二次繞組三部分組成,安裝在主電路中。3應(yīng)用場(chǎng)景廣泛應(yīng)用于各類(lèi)儀表、繼電保護(hù)、電能計(jì)量等領(lǐng)域,實(shí)現(xiàn)電流的采集和變換。4精度指標(biāo)電流互感器的準(zhǔn)確度可達(dá)到1級(jí)或更高,滿(mǎn)足專(zhuān)業(yè)應(yīng)用的精度要求。電壓互感器工作原理電壓互感器通過(guò)感應(yīng)線(xiàn)圈感應(yīng)被測(cè)電壓,從而輸出一個(gè)與被測(cè)電壓成比例的電壓信號(hào)。這種感應(yīng)原理使其能夠長(zhǎng)期穩(wěn)定工作,不會(huì)對(duì)被測(cè)電壓造成負(fù)載。結(jié)構(gòu)特點(diǎn)電壓互感器由一次繞組和二次繞組構(gòu)成,一次繞組連接在被測(cè)電壓端,二次