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1、耦合电感和理想变压器第1页，此课件共65页哦第十二章第十二章 耦合电感和理想变压器耦合电感和理想变压器 12-5 理想变压器的伏安关系理想变压器的伏安关系 12-6 理想变压器的阻抗变换性质理想变压器的阻抗变换性质 12-7 理想变压器的实现理想变压器的实现 12-8 铁芯变压器的模型铁芯变压器的模型第2页，此课件共65页哦12-1 12-1 基本概念基本概念耦合电感是耦合线圈的理想化电路模型，也称互感。耦合电感是耦合线圈的理想化电路模型，也称互感。一、概念与定义一、概念与定义1.1.孤立电感：一个电感线圈孤立电感：一个电感线圈+u u（1 1）磁链是线圈中电流的函数）磁链是线圈中电流的函数（
2、2 2）磁场随时间变化产生电压）磁场随时间变化产生电压第3页，此课件共65页哦2.2.耦合电感：耦合电感：定义：具有磁耦合的两个线圈。定义：具有磁耦合的两个线圈。+_+_u1u2i1i2自磁通互磁通自磁链互磁通第4页，此课件共65页哦 意义：互感大小反映一个线圈电流在另一个线意义：互感大小反映一个线圈电流在另一个线 圈中产生磁链的能力。单位：亨利圈中产生磁链的能力。单位：亨利(H)(H)可以证明可以证明 仿照仿照自感自感系数定义，定义系数定义，定义互感互感系数为系数为第5页，此课件共65页哦一般地：一般地：0K10K1当当 K=1 K=1 时，全耦合时，全耦合当当 K=0 K=0 时，无耦合时
3、，无耦合当当 K1 K1 时，紧耦合时，紧耦合当当 K K1 1时，松耦合时，松耦合耦合系数耦合系数 K K 定义定义意义：意义：k k值的大小取决于两个线圈的相对位置值的大小取决于两个线圈的相对位置 及磁介质的性质。及磁介质的性质。衡量两个线圈耦合程度。衡量两个线圈耦合程度。第6页，此课件共65页哦耦合电感特点：表征两线圈的参数有三个，即：耦合电感特点：表征两线圈的参数有三个，即：L1、L2 自感自感，M互感互感第7页，此课件共65页哦一、耦合电感的伏安关系：一、耦合电感的伏安关系：+_u1u2L1L2i1i2M12-212-2 耦合电感的耦合电感的VCR VCR 耦合系数耦合系数第8页，此
4、课件共65页哦第9页，此课件共65页哦线圈相对绕向不同：线圈相对绕向不同：+_ +_u1 u2i1i2第10页，此课件共65页哦线圈相对位置不同：线圈相对位置不同：+_ +_u1 u2i1i2问题：问题：怎么确定互感电压正负？怎么确定互感电压正负？第11页，此课件共65页哦二、同名端：二、同名端：定义定义1 1：设两电流都从打：设两电流都从打“”“”的端子流入，若它们的端子流入，若它们 所产生的所产生的总磁通总磁通在其线圈中是在其线圈中是相互加强相互加强（即同（即同 方向）方向）,打打“”“”的两个端子称为同名端。的两个端子称为同名端。不打不打 “”“”的两个端子亦为同名端。的两个端子亦为同名
5、端。例例1.1.线圈线圈1 1的端子的端子a a打打“”“”，线圈，线圈2 2的哪个端子应该打的哪个端子应该打“”“”？abcd12i112第12页，此课件共65页哦i2例例2.2.两线圈的同名端如图所示两线圈的同名端如图所示,右侧线圈的绕向如何？右侧线圈的绕向如何？i1第13页，此课件共65页哦同名端的含义（应用）：同名端的含义（应用）：产生互感电压的电流与互感产生互感电压的电流与互感电压的参考方向对同名端一致。电压的参考方向对同名端一致。例例3：大小：大小：极性：极性：c c高高d d低低求右侧线圈的互感电压：求右侧线圈的互感电压：abcdL1L2Mi1（1 1）耦合电感伏安关系一般式：）
6、耦合电感伏安关系一般式：总结：总结：第14页，此课件共65页哦（2）互感电压互感电压正、负号的确定正、负号的确定：a.a.首先根据同名端，由首先根据同名端，由产生互感电压电流的流入端确产生互感电压电流的流入端确定互感电压的正极性端。定互感电压的正极性端。b.b.然后根据然后根据 u u1 1 、u u2 2 的参考极性，确定极性一致的参考极性，确定极性一致 为正，反之为负号。为正，反之为负号。（3）自感电压自感电压正、负号的确定正、负号的确定：与孤立电感相同，取决于线圈端电压与电流的与孤立电感相同，取决于线圈端电压与电流的 参考方向是否关联，关联为正号，否则取负号。参考方向是否关联，关联为正号
7、，否则取负号。第15页，此课件共65页哦+_u1u2L1L2i1i2M例例:写出图示互感线圈端电压写出图示互感线圈端电压u u1 1和和u u2 2的表达式的表达式+_u1u2L1L2i1i2M+第16页，此课件共65页哦+_、ZL1、ZL2 自感抗ZM 互感抗（4）耦合电感的相量模型：耦合电感的相量模型：第17页，此课件共65页哦例1+_+_u1u22H2H0.5H求u1 ,u2 解：V第18页，此课件共65页哦解：例2求+_+10A=20V=5V第19页，此课件共65页哦 例例3:3:在图在图(a)(a)所示电路中，已知两线圈的互感所示电路中，已知两线圈的互感 M=1H1H，电流源，电流源
8、i i1 1(t t)的波形如图的波形如图(b)(b)所示，所示，试求：开路电压试求：开路电压u uCDCD的波形。的波形。解：10V 0t1-10V 1t2第20页，此课件共65页哦三、含耦合电感电路的基本分析方法三、含耦合电感电路的基本分析方法等效电路法等效电路法 把耦合电感的两个线圈看作是两个支路，由耦合电把耦合电感的两个线圈看作是两个支路，由耦合电感的伏安关系，可推知等效电路为：感的伏安关系，可推知等效电路为：+_u1u2L1L2i1i2M+_u1u2L1L2i1i2M+_u1L2u2L1i1i2+_u1L2u2L1i2i1第21页，此课件共65页哦四、耦合电感线圈间的串联：四、耦合电
9、感线圈间的串联：1.1.串联顺接串联顺接Lab结果：等效为一个电感结果：等效为一个电感abML1L2i电流电流i均从同名端流入，磁场方向相同而相互均从同名端流入，磁场方向相同而相互增强增强。第22页，此课件共65页哦2.2.串联反接串联反接Lab 电流电流i从从L1的同名端流入，则从的同名端流入，则从L2的同名端流出，磁的同名端流出，磁场方向相反而相互场方向相反而相互削弱削弱。结果：等效为一个电感结果：等效为一个电感abML2L1i第23页，此课件共65页哦五、耦合电感线圈间的并联五、耦合电感线圈间的并联1.1.同名端相接同名端相接abML1L2Lab2.异名端相接异名端相接abL1L2MLa
10、b第24页，此课件共65页哦abMjL1jL2UII1I2证明：证明：第25页，此课件共65页哦小结：小结：1 1）耦合电感的耦合电感的本质关系：线圈磁链是自磁链与本质关系：线圈磁链是自磁链与 互磁链的代数和，互磁链的代数和，2 2）电压电流的伏安关系一般式：）电压电流的伏安关系一般式：牢记：牢记：电流的流入端与互感电压正极性端是同名端电流的流入端与互感电压正极性端是同名端 端口电压与电流参考方向关联时，自感电压端口电压与电流参考方向关联时，自感电压 取正，否则取负。取正，否则取负。第26页，此课件共65页哦二、空心变压器的电路分析二、空心变压器的电路分析12-3 12-3 空心变压器电路分析
11、空心变压器电路分析 反映阻抗反映阻抗一、空心变压器：一、空心变压器：不含铁心不含铁心(或磁芯或磁芯)的耦合线圈称为空心变压器。的耦合线圈称为空心变压器。其中一个线圈接电源，称为原边（或初级）；其中一个线圈接电源，称为原边（或初级）；另一线圈接负载，称为副边（或次级）。另一线圈接负载，称为副边（或次级）。空心变压器空心变压器（松耦合）耦合电感（松耦合）耦合电感1 1）用耦合电感等效电路作为模型，再用相量法分析）用耦合电感等效电路作为模型，再用相量法分析2 2）反射阻抗法）反射阻抗法第27页，此课件共65页哦例1R1R2+_求 ，R1R2+_+_解:第28页，此课件共65页哦原边等效电路原边等效电
12、路:(反射阻抗法反射阻抗法)+_令初级回路自阻抗初级回路自阻抗次级回路自阻抗次级回路自阻抗令反映阻抗：反映阻抗：次级回路对初级回路次级回路对初级回路第29页，此课件共65页哦求 ：另一种副边等效电路：另一种副边等效电路：副边等效电路：副边等效电路：+_第30页，此课件共65页哦+_R1R2+_+_初级回路对次级初级回路对次级回路的反映阻抗回路的反映阻抗第31页，此课件共65页哦解：解：1.1.原边等效电路：原边等效电路：(反射阻抗法反射阻抗法)例255j5j105求 ，j10V100+_V5j5100+_第32页，此课件共65页哦2.2.副边等效电路：副边等效电路：55j10+_第33页，此课
13、件共65页哦例例3：求电路中：求电路中1.6 负载电阻经调整获得的最大功率。负载电阻经调整获得的最大功率。解：将解：将1.6 电阻断开，求戴维宁等效电路开路电压。电阻断开，求戴维宁等效电路开路电压。当当 时获得最大功率时获得最大功率 第34页，此课件共65页哦 12 124 4 耦合电感的去耦等效电路耦合电感的去耦等效电路 当耦合线圈有公共端时等效电路当耦合线圈有公共端时等效电路1.1.同名端为公共端时：同名端为公共端时：+_u1i1+_u2i2L1-ML2-MMi2i1+_u1u2i第35页，此课件共65页哦2.2.异名端为公共端时异名端为公共端时原电路原电路等效电路等效电路第36页，此课件
14、共65页哦相量模型相量模型j4 42-j2 j6+_V4解：解：异名端为公共端的异名端为公共端的去耦等效电路去耦等效电路2i12H3H-1H4i2+_此电路处于正弦稳态中，求此电路处于正弦稳态中，求 i1,i2例例+_242Hi2i11HV1H第37页，此课件共65页哦解得解得:AAAA相量模型相量模型j4 42-j2 j6+_V4第38页，此课件共65页哦小结：耦合电感有如下两种等效电路小结：耦合电感有如下两种等效电路+_u1L2u2L1+_u1u2L1L2i1i2M1）2）L1L2含耦合电感电路分析方法：含耦合电感电路分析方法：第一步：画去耦的等效电路；第一步：画去耦的等效电路；第二步：再
15、用相量法（网孔法等）分析。第二步：再用相量法（网孔法等）分析。第39页，此课件共65页哦12-5 12-5 理想变压器的伏安关系理想变压器的伏安关系一、理想变压器的定义和一、理想变压器的定义和VAR:VAR:是一种特殊的全耦合、电感为无穷大的是一种特殊的全耦合、电感为无穷大的耦合线圈耦合线圈。空芯变压器空芯变压器（k k1 1）铁氧体芯变压器铁氧体芯变压器铁芯变压器铁芯变压器（k=1k=1）自自耦合耦合变压器变压器第40页，此课件共65页哦1 1、定义：、定义：具有高导磁率的实际铁心变压器。具有高导磁率的实际铁心变压器。满足：满足：全耦合全耦合 k=1 k=1；L L1 1,L,L2 2 。+
16、u1i1+u2i2N1N211=21 n n 称为匝数比称为匝数比,是一个常数。是一个常数。12=22 电压比为匝数比电压比为匝数比=11+12=21+22 第41页，此课件共65页哦 由耦合电感伏安关系：由耦合电感伏安关系：由于由于L1,电流比为负倒数匝数比电流比为负倒数匝数比第42页，此课件共65页哦1:ni1i2+u1+u21:ni1i2+u1+u22、理想变压器符号及伏安关系：理想变压器符号及伏安关系：注：正、负号的确定注：正、负号的确定 两电压高电位与同名端一致时，电压比取正，两电压高电位与同名端一致时，电压比取正，反之取负；两电流从同名端流入，电流比取负，反之取负；两电流从同名端流
17、入，电流比取负，反之取正。反之取正。第43页，此课件共65页哦 1.1.原、副电压比是一个常数，与电流无关；原、副电压比是一个常数，与电流无关；作用作用电压变换电压变换 2.2.原、副电流比也是个常数，与电压无关；原、副电流比也是个常数，与电压无关；作用作用电流变换电流变换 3.3.理想变压器理想变压器是是参数为参数为变比变比n n 的线性元件的线性元件；4.4.理想变压器的瞬时功率：理想变压器的瞬时功率：说明：说明：它不储存能量、也不消耗能量，它不储存能量、也不消耗能量，只传递能量。只传递能量。二、理想变压器性能的二、理想变压器性能的特点与作用特点与作用：第44页，此课件共65页哦 1.1.
18、与与电感、耦合电感不同：电感、耦合电感不同：它不是储能元件。它不是储能元件。它在原边吸收能量，同时，在副边全部放它在原边吸收能量，同时，在副边全部放 出，本身只传递能量。出，本身只传递能量。理想变压器是不储存能量、不耗能的理想变压器是不储存能量、不耗能的无记忆的线性元件。无记忆的线性元件。2.2.与与电阻不同：电阻不同：它不是耗能元件。它不是耗能元件。传递能量是全部放出，它本身不消耗能量。传递能量是全部放出，它本身不消耗能量。三、与其它元件比较：三、与其它元件比较：结论：结论：3.3.与空芯变压器与空芯变压器不同不同：空芯变压器：空芯变压器具有储存具有储存 能量、记忆作用，能量、记忆作用，是储
19、能元件。是储能元件。第45页，此课件共65页哦四、理想变压器的相量模型：四、理想变压器的相量模型：1:n+1:n+第46页，此课件共65页哦12-6&12-7 12-6&12-7 理想变压器电路的阻抗变换理想变压器电路的阻抗变换性质及其实现（分析方法）性质及其实现（分析方法）一、基本分析方法一、基本分析方法 利用理想变压器的利用理想变压器的VARVAR和其它约束关系，和其它约束关系，列写列写 电路方程电路方程，解方程组解方程组。第47页，此课件共65页哦例+_50 0 V1010j501:2+_+_求 。解：列写方程：解得：45 A45 A45 45 45 A第48页，此课件共65页哦二、折合
20、阻抗法二、折合阻抗法（当原、副边只有磁联系而没有电联系时）（当原、副边只有磁联系而没有电联系时）例1:n+_+_+_ZLZ1求 。解：折合阻抗折合阻抗+_原边等效电路：原边等效电路：+_Z1Z1第49页，此课件共65页哦求 。副边戴维南等效电路：副边戴维南等效电路：1:n+_+_ZLZ1+_n2 Z1ZL结论：结论：理想变压器折合阻抗计算：负载折合到初级理想变压器折合阻抗计算：负载折合到初级 除以除以 n n2 2；初级折合到次级乘以；初级折合到次级乘以 n n2 2。第50页，此课件共65页哦例例1:n+_100为使为使 100 100 从电从电路中获得最大功率，路中获得最大功率，求求 n和
21、和Pmax。90020 0 V解：原边等效电路解：原边等效电路+_20 0 V900此电路中此电路中R RL L 获得的功率获得的功率就是原电路就是原电路100100 电阻获电阻获得的最大功率得的最大功率 当当 RL =900 时，时，电路电路获得最大功率获得最大功率 故第51页，此课件共65页哦小结：小结：（1 1）理想变压器的作用：理想变压器的作用：1.1.变电压；变电压；2.2.变电流；变电流；3.3.变阻抗。变阻抗。总的作用：总的作用：传递能量或信号传递能量或信号（2 2）理想变压器的分析方法：）理想变压器的分析方法：按理想变压器的相量模型，运用按理想变压器的相量模型，运用 折合阻抗法
22、折合阻抗法或基本列解方程组法。或基本列解方程组法。第52页，此课件共65页哦1:n1:ni i1 1i i2 2+u u1 1+u u2 2 1 1、电路符号：、电路符号：2 2、伏安关系：、伏安关系：3 3、电压、电流比：、电压、电流比：4 4、阻抗变换：、阻抗变换：（3）理想变压器电路模型和公式：理想变压器电路模型和公式：第53页，此课件共65页哦12-8 铁心变压器的模型铁心变压器的模型1.1.一级模型一级模型 理想变压器理想变压器效率：效率：转移电压比及其频率特性：转移电压比及其频率特性：O|AV|L1()的全耦合电感等效为一个理想变压器。的全耦合电感等效为一个理想变压器。第54页，此
23、课件共65页哦2.二级模型二级模型 全耦合变压器全耦合变压器 (k=1，L1,L2 为有限值为有限值)1:n+u1Lm+u2i1i2i10磁化电感磁化电感它反映在副边开路时，变压器它反映在副边开路时，变压器原边要取一定的电流，称为磁原边要取一定的电流，称为磁化电流。化电流。效率：转移电压比及其频率特性：转移电压比及其频率特性：同上同上第55页，此课件共65页哦3.三级模型三级模型有漏磁的一般变压器有漏磁的一般变压器1:n+u1Lm+u2i1i2imLS1LS2i1O|AV|转移电压比及其频率特性：转移电压比及其频率特性：LS1，LS2 漏电感，不是全耦合，有一定的漏磁通，漏电感，不是全耦合，有
24、一定的漏磁通，漏磁通有相当一部分是通过空气的漏磁通有相当一部分是通过空气的第56页，此课件共65页哦4.四级模型四级模型有漏磁、有损耗的一般变压器有漏磁、有损耗的一般变压器1:n+u1Lm+u2i1i2R1LS1LS2R2 转移电压比及其频率特性：转移电压比及其频率特性：O|AV|R1，R2 原、副边串联电阻，原、副边串联电阻，它们体现线圈有电阻，它们体现线圈有电阻，当变压器流有电流时，将产生损耗，即所谓当变压器流有电流时，将产生损耗，即所谓铜损铜损第57页，此课件共65页哦本章小结本章小结 1.1.掌握耦合电感、理想变压器的伏安关系，同名端、掌握耦合电感、理想变压器的伏安关系，同名端、的概念
25、；的概念；3.3.了解耦合电感、空心变压器、理想变压器的区别了解耦合电感、空心变压器、理想变压器的区别 与联系；与联系；2.2.熟练掌握耦合电感、空心变压器电路分析，包括：熟练掌握耦合电感、空心变压器电路分析，包括：网孔法、网孔法、反映阻抗法、反映阻抗法、戴维南定理；戴维南定理；4.4.熟练掌握理想变压器电路分析；包括：熟练掌握理想变压器电路分析；包括：网孔法、网孔法、折合阻抗法、折合阻抗法、戴维南定理。戴维南定理。5.5.了解实际变压器模型。了解实际变压器模型。第58页，此课件共65页哦1 1、本章、本章介绍了两种电路元件，它们都是从具有互感耦介绍了两种电路元件，它们都是从具有互感耦 合的线
26、圈抽象出的理想电路元件，为什么要提出两合的线圈抽象出的理想电路元件，为什么要提出两 种电路元件？它们之间的关系如何？种电路元件？它们之间的关系如何？习习 题题 课课 一个是双口动态元件，一个是双口动态元件，是无源的储能元件，是实际中使是无源的储能元件，是实际中使用的空芯变压器；用的空芯变压器；另一个是双口元件，另一个是双口元件，是是一种无记忆、不储能、不耗能的线性元件，是实际铁芯一种无记忆、不储能、不耗能的线性元件，是实际铁芯变压器的理想化模型。变压器的理想化模型。第59页，此课件共65页哦2 2、同名端同名端在列写伏安关系是非常重要的。在列写伏安关系是非常重要的。须注意自感、互感电压的正负号
27、。须注意自感、互感电压的正负号。*理想变压器理想变压器同名端：同名端：两电压高电位与同名端一致时，电压比取正，两电压高电位与同名端一致时，电压比取正，两电流从同名端流入，电流比取负；反之取正。两电流从同名端流入，电流比取负；反之取正。3 3、空芯变压器电路分析，就是对含互感电路的分析。、空芯变压器电路分析，就是对含互感电路的分析。方法：方法：去耦等效电路后，用相量法（网孔法）；去耦等效电路后，用相量法（网孔法）；反映阻抗法反映阻抗法 戴维南定理。戴维南定理。第60页，此课件共65页哦4 4、理想变压器三个作用：、理想变压器三个作用：变压、变流、变阻抗。变压、变流、变阻抗。5 5、理想变压器分析
28、方法：、理想变压器分析方法：等效电路后，用相量法（网孔、节点法）；等效电路后，用相量法（网孔、节点法）；折合阻抗法；折合阻抗法；戴维南定理。戴维南定理。应用中只需记住电压比与匝数成正比，电流比应用中只需记住电压比与匝数成正比，电流比与匝数成负的反比，至于正负号，要看同名端与匝数成负的反比，至于正负号，要看同名端与所设电压电流的参考方向。与所设电压电流的参考方向。第61页，此课件共65页哦例例1：电路如图所示，已知：电路如图所示，已知试求：试求：(l)i1(t),i2(t)；(2)1.6 负载电阻吸收的功率。负载电阻吸收的功率。解：画出相量模型，求出反映阻抗解：画出相量模型，求出反映阻抗 求出输
29、入阻抗求出输入阻抗 第62页，此课件共65页哦 求出初级电流求出初级电流 1.6 负载电阻吸收的功率负载电阻吸收的功率 求出次级电流求出次级电流 第63页，此课件共65页哦 例例2:求图示单口网络的等效电阻求图示单口网络的等效电阻Rab。解：先求理想变压器的次级负载电阻解：先求理想变压器的次级负载电阻 由由RL=5k得图得图(b)电路，最后得图电路，最后得图(c)电路。电路。由此求得由此求得:第64页，此课件共65页哦例例3:求图示单口网络的等效电阻求图示单口网络的等效电阻Rab。解一：理想变压器的方程为：解一：理想变压器的方程为：用外施电源法。设外加用外施电源法。设外加1V电压源如图电压源如图(b)所示所示第65页，此课件共65页哦