耦合电感元件合理想变压器

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1、1第第5章章 耦合电感元件和理想变压器耦合电感元件和理想变压器 5.1 耦 合 电 感 元 件 5.4 理 想 变 压 器5.3 空心变压器电路的分析 耦合电感的去耦等效返回2 学学 习习 目目 标标l 理解互感线圈、互感系数、耦合系数的含义。l 理解互感电压和互感线圈的同名端。l 掌握互感线圈串联、并联去耦等效及T型去耦等效方法。l 掌握空芯变压器电路在正弦稳态下的分析方法回路分析法。l 理解理想变压器的含义。熟练掌握理想变压 器变换电压、电流及阻抗的关系式。35.1 耦合电感元件耦合电感元件5.1.1 耦合电感的概念耦合电感的概念 图5-1是两个相距很近的线圈（电感），当线圈1中通入电流

2、i1时，在线圈1中就会产生自感磁通11，而其中一部分磁通21，它不仅穿过线圈1，同时也穿过线圈2，且2111。同样，若在线圈2中通入电流 i2，它产生的自感磁通22，其中也有一部分磁通12不仅穿过线圈2，同时也穿过线圈1，且12 22。像这种一个线圈的磁通与另一个线圈相交链的现象，称为磁耦合，即互感。21 和12 称为耦合磁通或互感磁通。4 假定穿过线圈每一匝的磁通都相等，则交链线圈1的自感磁链与互感磁链分别为11=N111，12=N112；交链线圈2的自感磁链与互感磁链分别为22=N222，21=N221。图 5-1 磁通互助的耦合电感（更正：右边电感磁通22 箭头应向下）5上面一式表明线圈

3、1对线圈2的互感系数M21，等于穿越线圈2的互感磁链与激发该磁链的线圈1中的电流之比。二式表明线圈2对线圈1的互感系数M12，等于穿越线圈1的互感磁链与激发该磁链的线圈2中的电流之比。可以证明。M21=M12=M12121iM21212iM类似于自感系数的定义，互感系数的定义为：我们以后不再加下标，一律用M表示两线圈的互感系数，简称互感。互感的单位与自感相同，也是亨利（H）。因为2111，1222，所以可以得出6两线圈的互感系数小于等于两线圈自感系数的几何平均值，即21LLM 上式仅说明互感M比 小（或相等），但并不能说明M比 小到什么程度。为此，工程上常用耦合系数K来表示两线圈的耦合松紧程度

4、，其定义为 则 21LL21LL21LLKM 21LLMK 可知，0K1，K值越大，说明两个线圈之间耦合越紧，当K=1时，称全耦合，当K=0时，说明两线圈没有耦合。7 耦合系数K的大小与两线圈的结构、相互位置以及周围磁介质有关。如图5-2(a)所示的两线圈绕在一起，其K值可能接近1。相反，如图5-2(b)所示，两线圈相互垂直，其K值可能近似于零。由此可见，改变或调整两线圈的相互位置，可以改变耦合系数K的大小。图 5-2 85.1.2 耦合电感元件的电压、电流关系耦合电感元件的电压、电流关系 当有互感的两线圈上都有电流时，交链每一线圈的磁链不仅与该线圈本身的电流有关，也与另一个线圈的电流有关。如

5、果每个线圈的电压、电流为关联参考方向，且每个线圈的电流与该电流产生的磁通符合右手螺旋法则，而自感磁通又与互感磁通方向一致，即磁通相助，如图5-1所示。这种情况，交链线圈1、2的磁链分别为：21112111MiiL12221222MiiL9 由电磁感应定律，当通过线圈的电流变化时，线圈两端会产生感应电压dtdiMdtdiLdtdu12222dtdiMdtdiLdtdu21111 式中 、分别为线圈1、2的自感电压，、分别为线圈1、2的互感电压。如果自感磁通与互感磁通的方向相反，即磁通相消，如图5-3所示，耦合电感的电压、电流关系方程式为：dtdiL11dtdiL22dtdiM2dtdiM110图

6、5-3 磁通相消的耦和电感dtdiMdtdiLdtdu21111dtdiMdtdiLdtdu1222211对以上磁通相助、相消两种情况进行归纳总结，可以得出：自感电压 、取正还是取负，取决于本电感的u、i的参考方向是否关联，若关联，自感电压取正；反之取负。而互感电压 、的符号这样确定：当两线圈电流均从同名端流入（或流出）时，线圈中磁通相助，互感电压与该线圈中的自感电压同号。即自感电压取正号时互感电压亦取正号，自感电压取负号时互感电压亦取负号；否则，当两线圈电流从异名端流入（或流出）时，由于线圈中磁通相消，故互感电压与自感电压异号，即自感电压取正号时互感电压取负号，反之亦然。dtdiL11dtd

7、iL22dtdiM2dtdiM1125.1.3 同名端同名端 线圈的同名端是这样规定的：具有磁耦合的两线圈，当电流分别从两线圈各自的某端同时流入（或流出）时，若两者产生的磁通相助，则这两端叫作互感线圈的同名端，用黑点“”或星号“*”作标记。例如，对图5-4(a)，当i1、i2分别由端纽a和d流入（或流出）时，它们各自产生的磁通相助，因此a端和d端是同名端（当然b端和c端也是同名端）；a端与c端（或b端与d端）称异名端。图 5-4 同 名 端13有了同名端规定后，像图5-4(a)所示的互感线圈在电路中可以用图5-5(b)所示的模型表示，在图5-5(b)中，设电流i1、i2分别从a、d端流入，磁通

8、相助，如果再设各线圈的 u、i为关联参考方向，那么两线圈上的电压分别为 dtdiMdtdiLu2111dtdiMdtdiLu1222 如果像图5-5(c)所示，设i1仍从a端流入，而i2从d端流出，可以判定磁通相消，那么两线圈上的电压分别为 dtdiMdtdiLu2111dtdiMdtdiLu122214图 5-5(b)(d)磁通相助；(c)(e)磁通相消15 对于已标定同名端的耦合电感，可根据u、i的参考方向以及同名端的位置写出其u-i关系方程。也可以将耦合电感的特性用电感元件和受控电压源来模拟，例如图5-5(b)、(c)电路可分别用(d)、(e)电路来代替。可以看出：受控电压源（互感电压）

9、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。这样，将互感电压模拟成受控电压源后，可直接由图5-5(d)、(e)写出两线圈上的电压，使用这种方法，在列写互感线圈ui关系方程时，会感到非常方便。16 5.2 耦合电感的去耦等效耦合电感的去耦等效 5.2.1 耦合电感的串联等效耦合电感的串联等效 耦合电感的串联有两种方式顺接和反接。顺接就是异名端相接，如图5-6（a）所示。图 5-6 耦合电感顺接串联17把互感电压看作受控电压源后得电路如图5-6(b)所示，由该图可得 dtdiLdtdiMLL221dtdiMdtdiLdtdiMdtdiLu21 其中 L=L1+L2+2M 由此可知，顺接串联

10、的耦合电感可以用一个等效电感L来代替，等效电感L的值由式上式来定。耦合电感的另一种串联方式是反接串联。反接串联是同名端相接，如图5-7(a)所示，把互感电压看作受控电压源后得电路如图5-7(b)所示，由图(b)图可得 18dtdiMdtdiLdtdiMdtdiLu211dtdiLdtdiMLL221其中 L=L1+L2-2M 图 5-7 耦合电感的反接串联 由此可知，反接串联的 耦 合电感可以 用 一个等效电感L代替，等效电感L的值由上 式 来定。195.2.2 耦合电感的耦合电感的T型等效型等效 1、互感线圈的同名端连在一起 如图5-8所示，为三支路共一节点、其中有两条支路存在互感的电路，由

11、图可知，L1的b端与L2的d端是同名端且连接在一起，两线圈上的电压分别为 图 5-8 同名端相连的T型去耦等效电路 20dtdiMdtdiLu2111dtdiMdtdiLu1222将以上两式经数学变换，可得dtiidMdtdiMLdtdiMdtdiMdtdiMdtdiLu2111211111dtiidMdtdiMLdtdiMdtdiMdtdiMdtdiLu2122122222 画出两式T型等效电路如图5-8(b)所示。在图（b）中因有3个电感相互间无互感，它们的自感系数分别为L1-M、L2-M和M，又连接成T型结构形式，所以称之为互感线圈的T型去耦等效电路。212、互感线圈的异名端连接在一起

12、图5-9(a)与图5-8(a)两电路相比较结构一样，只是具有互感的两支路的异名端连接在一起，两线圈上的电压分别为 dtdiMdtdiLu2111dtdiMdtdiLu1222图5-9 异名端相连的T型去耦等效电路 22同样将以上两式经数学变换，可得 dtiidMdtdiMLdtdiMdtdiMdtdiMdtdiLu2111211111dtiidMdtdiMLdtdiMdtdiMdtdiMdtdiLu2122122222 画得T型等效电路如图5-9(b)所示，这里(b)图中-M为一等效的负电感。利用上述等效电路，可以得出如图5-10(a)和(c)所示的耦合电感并联的去耦等效电路，分别如图5-10

13、(b)和(d)所示。由图(b)(d)应用无互感的电感串、并联关系，可以得到同名端、异名端连接时耦合电感并联的等效电感为 23MLLMLLMLMLMLMLML2212212121 MLLMLLMLMLMLMLML2212212121图 5-10 两个耦和电感的并联 245.3 空芯变压器电路的分析空芯变压器电路的分析 变压器是利用电磁感应原理传输电能或电信号的器件。通常有一个初级线圈和一个次级线圈，初级线圈接电源，次级线圈接负载，能量可以通过磁场的耦合，由电源传递给负载。常用的实际变压器有空芯变压器和铁芯变压器两种类型。所谓空芯变压器是由两个绕在非铁磁材料制成的芯子上并且具有互感的线圈组成的，其

14、耦合系数较小，属于松耦合。因变压器是利用电磁感应原理而制成的，故可以用耦合电感来构成它的模型。这一模型常用于分析空芯变压器电路。设空芯变压器电路如图5-11(a)所示，其中R!、R2分别为变压器初、次级绕组的电阻，RL为负载电阻，设uS为正弦输入电压。25互感的作用可以在电路中用增添受控电压源来计及，如图 5-11(b)所示。图 5-11 空心变压器电路由图5-11(b)所示的相量模型图可列出回路方程为26SUIMjILjR211102221IRLjRIMjL或写为SUIZIZ2121110222121IZIZ式中Z11=R1+jL1 称为初级回路自阻抗；Z22=R2+jL2+RL 称为次级回

15、路自阻抗；Z12=Z21=jM 称为初次级回路互阻抗。可求得图5-11(b)所示耦合电感的初级、次级电流相量分别为：27211222112222211211221210ZZZZUZZZZZZZUISSSLLUMRLjRLjRRLjR22221122)()(SLUMRLjRLjRMjI2222112)()(是由次级中的感应电压产生的，根据图5-11(b)中所示的感应电压极性，不难理解第二式中负号的来历。显然，如果同名端的位置不同或电流参考方向不同，互阻抗的符号将会改变。2I28对初级电流 来说，由于式中的jM以平方形式出现，不管jM的符号为正还是为负，得出的 都是一样的。求得由电源端看进去的输入

16、阻抗为 1IrefLSiZZRLjRMLjRIUZ112222111由此可见，输入阻抗由两部分组成：Z11=R1+jL1，即初级回路的自阻抗；22222222ZMRLjRMZLref Zref即次级回路在初级回路的反映阻抗 1I29这就是说，次级回路对初级回路的影响可以用反映阻抗来计及。因此，由电源端看进去的等效电路，也就是初级等效电路应如图5-12所示。当我们只需要求解初级电流时，可利用这一等效电路迅速求得结果。图 5-12 初级等效电路 反映阻抗的算法是很容易记住的，把2M2除以次级回路的阻抗即为反映阻抗。显然，从以上推导可以看出：反映阻抗的概念不能用于次级含有独立源的耦合电感电路。30可

17、求得次、初级电流之比为 LRLjRMjII22122212212ZIMjRLjRIMjIL所以其中 是初级电流 通过互感而在次级线圈中产生的感应电压，次级电流就是这一电压作用的结果。因此，除以次级的总阻抗 即得次级电流。在算得 后，可求出 。1IMj1I1IMjLRLjR222I1I315.4 理想变压器理想变压器 理想变压器是铁芯变压器的理想化模型，它的唯一参数只是一个称之为变比的常数n，而不是L1、L2、M等参数，理想变压器满足以下3个理想条件：(1)耦合系数K=1，即为全耦合；(2)自感系数L1、L2为无穷大，但L1/L2为常数。(3)无任何损耗，这意味着绕线圈的金属导线无 任何电阻，做

18、芯的铁磁材料的磁导率无穷大.5.4.1 理想变压器两端口的电压、电流之间的关系理想变压器两端口的电压、电流之间的关系 图5-13(a)所示的铁芯变压器，其初、次级匝数分别为N1和N2，可判定a、c为同名端，设i1、i2分别从同名端流入（属磁通相助），设初、次级电压u1、u2与各自线圈上的电流 i1、i2为关联参考方向。32由于为全耦合，则线圈的互感磁通必等于自感磁通，即 21=11，12=22，穿过初、次级线圈的磁通相同，即图 5-13 变压器示意图及其模型 11+12=11+22=22+21=22+11=上式中称为主磁通。33初、次级线圈交链的磁链1、2分别为对1、2求导，得初、次级电压分别

19、为 dtdNdtdu111dtdNdtdu222 所以 nNNuu212121nuu 或上式为理想变压器初、次级电压之间的关系。式中n称为匝比或变比，它等于初级与次级线圈的匝数之比。理想变压器的电路模型如图5-13(b)所示。1=N1 2=N234由安培环路定律 lslBHlNiNi2211由于为无穷大，磁通为有限值，因此 i1N1+i2N2=0 21122111ininNNii或 上式反映了理想变压器初、次级电流之间的关系。通过以上分析，说明理想变压器具有变换电压和电流的作用。在正弦稳态下，其相量形式为即35nNNUU2121nNNII11221应该强调以下几点：应该强调以下几点：（1）对于

20、变压关系 式取“+”还是取“-”，仅取决于电压参考方向与同名端的位置。当u1、u2参考方向在同名端极性相同时，则该式冠以“+”号；反之，若u1、u2参考方向一个在同名端为“+”，一个在异名端为“+”，该式冠以“-”号。（2）对于变流关系式取“+”还是取“-”，仅取决于电流参考方向与同名端的位置。当初、次级电流 i1、i2分别从同名端同时流入（或同时流出）时，该式冠以“-”号，反之若i1、i2一个从同名端流入，一个从异名端流入，该式冠以“+”号。36（3）任意时刻，理想变压器吸收的功率恒等于零。例如对图5-13所示的理想变压器，其瞬时功率为0)1()(22222211iuinnuiuiutp 即

21、理想变压器不消耗能量也不储存能量，从初级线圈输入的功率全部都能从次级线圈输出到负载。理想变压器不存储能量，是一种无记忆元件。5.4.2 理想变压器的阻抗变换性质理想变压器的阻抗变换性质 理想变压器在正弦稳态电路中，还表现出有变换阻抗的特性，如图5-14所示理想变压器，次级接负载阻抗ZL，由设出的电压、电流参考方向及同名端位置，可得理想变压器在正弦电路里相量形式为3721212211INNIUNNU 图5-14 理想变压器阻抗变换特性 由ab端看，输入阻抗为 2222222121222111IUnIUNNINNUNNIUZi因负载ZL上电压、电流为非关联参考方向，将 代入上式，即得 22IUZL

22、38LLiZnZNNZ2221 上式表明，当次级接阻抗ZL，对初级来说，相当于在初级接一个值为n2ZL的阻抗，即理想变压器有变换阻抗的作用。习惯上把ZL称为次级对初级的折合阻抗。实际应用中，一定的电阻负载RL接在变压器次级，在变压器初级相当于接（N1/N2)2RL的电阻。如果改变n=N1/N2，输入电阻n2RL也改变，所以可利用改变变压器匝比来改变输入电阻，实现与电源匹配，使负载获得最大功率。由以上介绍可知，理想变压器有3个主要性能，即变压、变流、变阻抗。理想变压器的变压关系适用于一切变动的电压、电流情况。39 小小 结结1、本章讲述的耦合电感元件是线性电路中一种主要的无源非时变多端元件，它就

23、是实际中使用的空芯变压器，在实际电路中有着广泛的应用。2、耦合电感的同名端在列写伏安关系及去耦等效中是非常重要的，只有知道了同名端，并设出电压、电流参考方向的条件下，才能正确列写u-i关系方程，也才能进行去耦等效。3、空芯变压器电路的分析，亦就是对含互感线圈电路的分析，我们讲述的是这类电路在正弦稳态下分析计算的基本方法，仍然是运用相量法。即根据相量模型列出初、次级的回路方程，进而求出初、次级电流相量、次级回路在初级回路中的反映阻抗等。必须注意的是，按KVL列回路方40程，应计入由于互感作用而存在的互感电压，应正确选定互感作用而存在的互感电压 ，应正确选定互感电压的正负号。4、理想变压器是实际铁芯变压器的理想化模型，它是满足无损耗、全耦合、参数无穷大三个理想条件的另一类多端元件。它的初、次级电压电流关系是代数关系，因而它是不储能、不耗能的即时元件，是一种无记忆元件。变压、变流、变阻抗是理想变压器的三个重要特征，其变压、变流关系式与同名端及所设电压、电流参考方向密切相关，应用中只需记住变压与匝数成正比，变流与匝数成反比，至于变压、变流关系式中应是带负号还是带正号，则要看同名端位置与所设电压电流参考方向，不能一概而论盲目记住一种变换式。IMj