耦合电感元件属于多端元件,在实际电路中,如收音机、电视机中的中周线圈、振荡线圈,整流电源里使用的变压器等都是耦合电感元件,熟悉这类多端元件的特性,掌握包含这类多端元件的电路问题的分析方法是非常必要的。
线圈1中通入电流i1时,在线圈1中产生磁通,同时,有部分磁通穿过临近线圈2,这部分磁通称为互感磁通。两线圈间有磁的耦合。
耦合系数:
耦合电感上的电压、电流关系:
互感线圈的同名端:
上式说明,对于自感电压由于电压电流为同一线圈上的,只要参考方向确定了,其数学描述便可容易地写出,可不用考虑线圈绕向。
对互感电压,因产生该电压的电流在另一线圈上,因此,要确定其符号,就必须知道两个线圈的绕向。这在电路分析中显得很不方便。为解决这个问题引入同名端的概念。
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。线圈的同名端必须两两确定。如下图:
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。
(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。
由同名端及u、i参考方向确定互感线圈的特性方程:
有了同名端,表示两个线圈相互作用时,就不需考虑实际绕向,而只画出同名端及u、i参考方向即可。
2.含有耦合电感电路的计算
耦合电感的串联:
互感的测量方法:
耦合电感的并联:
耦合电感的T型等效:
有互感电路的计算:
在正弦稳态情况下,有互感的电路的计算仍应用前面介绍的相量分析方法。
注意互感线圈上的电压除自感电压外,还应包含互感电压。
一般采用支路法和回路法计算。
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。
求图示电路的复功率:
注意:
(1)耦合功率中的有功功率相互异号,表明有功功率从一个端口进入,必从另一端口输出,这是互感M非耗能特性的体现。
(2)耦合功率中的无功功率同号,表明两个互感电压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,即,当M起同向耦合作用时,它的储能特性与电感相同,将使耦合电感中的磁能增加;当M起反向耦合作用时,它的储能特性与电容相同,将使耦合电感的储能减少。
4.变压器原理
引入阻抗反映了副边回路对原边回路的影响。原副边虽然没有电的联接,但互感的作用使副边产生电流,这个电流又影响原边电流电压。
5.理想变压器
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。
理想变压器的三个理想化条件:
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。
理想变压器的主要性能:
(1)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。
(2)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。