40793

Взаимная индуктивность. Идеальный трансформатор

Лекция

Физика

Идеальный трансформатор Электрические цепи могут содержать элементы индуктивно связанные друг с другом. Такие элементы могут связывать цепи электрически гальванически разделенные друг от друга. В том случае когда изменение тока в одном из элементов цепи приводит к появлению ЭДС в другом элементе цепи говорят что эти два элемента индуктивно связаны а возникающую ЭДС называют ЭДС взаимной индукции. Степень индуктивной связи элементов характеризуется коэффициентом связи 1 где М взаимная индуктивность элементов цепи размерность ...

Русский

2013-10-22

76.91 KB

10 чел.

Лекция 11-12 Взаимная индуктивность. Идеальный трансформатор

Электрические цепи могут содержать элементы, индуктивно связанные друг с другом. Такие элементы могут  связывать цепи, электрически (гальванически) разделенные друг от друга.

В том случае, когда изменение тока в одном из элементов цепи приводит к появлению ЭДС в другом элементе цепи, говорят, что эти два элемента индуктивно связаны, а возникающую ЭДС называют ЭДС взаимной индукции. Степень индуктивной связи элементов характеризуется коэффициентом связи

,

(1)

где М – взаимная индуктивность элементов цепи (размерность – Гн);  и  -собственные индуктивности этих элементов.

Следует отметить, что всегда к<1.

Пусть имеем две соосные катушки в общем случае с ферромагнитным сердечником (см. рис. 1). На рис. 1 схематично показана картина магнитного поля при наличии тока i1 в первой катушке (направление силовых линий магнитного потока определяется по правилу правого буравчика). Витки первой катушки сцеплены с магнитным потоком самоиндукции Ф11 , а витки второй катушки – с магнитным потоком взаимной индукции Ф21, который отличается от Ф11 (Ф21< Ф11) за счет потоков рассеяния.

По определению ;

(2)

 

.

(3)

Если теперь наоборот пропустить ток i2 по второй катушке, то соответственно получим

;

(4)

 

.

(5)

При этом

.

(6)

Следует отметить, что коэффициент связи мог бы быть равным 1, если бы  и , то есть когда весь поток, создаваемый одной катушкой, полностью пронизывал бы витки другой катушки. Практически даже различные витки одной и той же катушки пронизываются разными потоками. Поэтому с учетом рассеяния  и . В этой связи

 

.

Рассмотрим цепь переменного тока на рис. 2, в которую последовательно включены две катушки индуктивности  и , индуктивно связанные друг с другом, и резистор R.

При изменении тока i в цепи в катушках индуцируются ЭДС само- и взаимоиндукции. При этом ЭДС взаимной индукции должна по закону Ленца иметь такое направление, чтобы препятствовать изменению потока взаимной индукции.

Тогда, если в цепи протекает гармонически изменяющийся ток , то в первой катушке индуцируется ЭДС

,

(7)

а во второй –

.  

(8)

Катушки можно включить так, что ЭДС самоиндукции будет суммироваться с ЭДС взаимоиндукции; при переключении одной из катушек ЭДС взаимоиндукции будет вычитаться из ЭДС самоиндукции. Один из зажимов каждой катушки на схеме помечают, например точкой или звездочкой. Этот знак означает, что при увеличении, например, тока в первой катушке, протекающего от точки, во второй катушке индуцируется ЭДС взаимоиндукции, действующая от другого конца к точке. Различают согласное и встречное включения катушек. При согласном включении токи в катушках одинаково ориентированы по отношению к их одноименным зажимам. При этом ЭДС само- и взаимоиндукции складываются – случай, показанный на рис. 2. При встречном включении катушек токи ориентированы относительно одноименных зажимов различно. В этом случае ЭДС само- и взаимоиндукции вычитаются. Таким образом, тип включения катушек (согласное или встречное) определяются совместно способом намотки катушек и направлении токов в них.

Перейдя к комплексной форме записи (7) и (8), получим

;   

(9)

 

,  

(10)

где  - сопротивление взаимоиндукции (Ом).

Для определения тока в цепи на рис. 2 запишем

,

откуда

.

Воздушный (линейный) трансформатор

Одним из важнейших элементов электрических цепей является трансформатор, служащий для преобразования величин токов и напряжений. В простейшем случае трансформатор состоит из двух гальванически несвязанных и неподвижных катушек без ферромагнитного сердечника. Такой трансформатор называется воздушным. Он является линейным. Наличие ферромагнитного сердечника обусловило бы нелинейные свойства трансформатора.

На рис. 3 представлена схема замещения трансформатора, первичная обмотка которого включена на напряжение U1, а от вторичной обмотки получает питание приемник с сопротивлением .

В трансформаторе энергия из первичной цепи передается во вторичную посредством магнитного поля. Если в первичной цепи под действием напряжения источника возникает переменный ток, то во вторичной цепи за счет магнитной связи катушек индуцируется ЭДС, вызывающая протекание тока в нагрузке.

По второму закону Кирхгофа для первичной и вторичной цепей трансформатора можно записать

;

.

Таким образом, уравнения воздушного трансформатора имеют вид:

;        

(11)

,    .

(12)

где  и  - активные сопротивления обмоток; .

Если уравнения (11) и (12) решить относительно , предварительно подставив в (12)  и обозначив ; , то получим

,

(13)

где ;  - вносимые активное и реактивное сопротивления.

Таким образом, согласно (13) воздушный трансформатор со стороны первичной обмотки может рассматриваться как двухполюсник с сопротивлением .

Баланс мощностей в цепях с индуктивно связанными элементами

Пусть имеем схему по рис. 4, где А – некоторый активный четырехполюсник. Для данной цепи можно записать

;

.

Обозначим токи  и  как: ; .

Тогда для комплексов полных мощностей первой и второй ветвей соответственно можно записать:

       ;

.

Рассмотрим в этих уравнениях члены со взаимной индуктивностью:

    

(14)

 .

(15)

где .

Из (14) и (15) вытекает, что

;   

(16)

.  

(17)

Соотношение (16) показывает, что активная мощность передается от первой катушки ко второй. При этом суммарная реактивная мощность, обусловленная взаимной индукцией, равна нулю, т.к. . Это означает, что на общий баланс активной мощности цепи индуктивно связанные элементы не влияют.

Суммарная реактивная мощность, обусловленная взаимоиндукцией, равна

.

Таким образом, общее уравнение баланса мощностей с учетом индуктивно связанных элементов имеет вид

,        

(18)

где знак “+”  ставится при согласном включении катушек, а “-” – при встречном.

Расчет разветвленных цепей при наличии взаимной индуктивности может быть осуществлен путем составления уравнений по законам Кирхгофа или методом контурных токов. Непосредственное применение метода узловых потенциалов для расчета таких цепей неприемлемо, поскольку в этом случае ток в ветви зависит также от токов других ветвей, которые наводят ЭДС взаимной индукции.

В качестве примера расчета цепей с индуктивно связанными элементами составим контурные уравнения для цепи на рис. 5:

Чтобы обойти указанное выше ограничение в отношении применения метода узловых потенциалов для расчета рассматриваемых схем можно использовать эквивалентные преобразования, которые иллюстрируют схемы на рис. 6, где цепь на рис. 6,б эквивалентна цепи на рис. 6,а. При этом верхние знаки ставятся при согласном включении катушек, а нижние – при встречном.

 

 



 

А также другие работы, которые могут Вас заинтересовать

35680. Моя професійна кар’єра. Творчий проект 1.75 MB
  План роботи над проектом: Моє професійне самовизначення Додаток : Топ 20 найперспективніших Загальні відомості про дану професію: Завдання та обовязки; Вимоги до робітника; Особистості якості робітника. І найголовніше: людина повинна отримувати задоволення від своєї роботи Серед усіх пяти основних типів професій найбільше мені підходять людинатехніка до цього типу належать професії: водій машиністи потягів оператори верстатів з програмованим управлінням інженери слюсарі тощо. Умови роботи: Повна...
35682. Інформаційно-пошуковий проект «Олександр Матросов. 70 років подвигу» 36.14 KB
  Обґрунтування актуальності проекту Сучасна школа спрямована на забезпечення всебічного розвитку особистості шляхом навчання та виховання які ґрунтуються на загальнолюдських цінностях та принципах науковості інтегрованості єдності навчання і виховання на засадах гуманізму демократії громадянської свідомості взаємоповаги в інтересах людини родини суспільства держави. І саме тому я запропонувала своїм учням залучитися до реалізації цільового творчого проекту з громадянськопатріотичного виховання Олександр Матросов 70 років подвигу ....
35683. Квіткова фантазія. Творчий проект на виготовлення композиції з бісеру 1.75 MB
  ОРГАНІЗАЦІЙНО-ПІДГОТОВЧИЙ ТЕХНІЧНЕ ЗАВДАННЯ Призначення виробу що проектується. Аналіз конкурентної спроможності виробу на ринку. Робочий ескіз виробу з описом. Моделювання виробу.
35684. Теплообменное оборудование второго контура реактора ВВЭР-1000 1.38 MB
  3 Принципиальная тепловая схема 3 Принципиальна тепловая второго контура схема установки К50060 1500 4 Принципиальная тепловая схема второго контура установки К100060 15001 4 Принципиальная тепловая схема второго контура установки К100060 15002 5 Принципиальная тепловая схема второго контура установки К100060 3000 5 Теплообменное оборудование второго контура реактора ВВЭР1000 6 Парогенератор 6 Паровая турбина 7 Система сепарации и промежуточного перегрева пара 8 Конденсационная установка паровой турбины 9 Деаэратор 10 Подогреватели...
35685. Проектуваня та виготовлення полиці з ДСП 4.65 MB
  Нашою дизайнерською групою було вирішено розробити проект полиці. Віками на полиці клали найрізноманітніші предмети. В українській традиції існує термін для позначення особливої полиці для посуду мисник.
35686. ПОДГОТОВКА ТВОРЧЕСКОГО ПРОЕКТА 107 KB
  Подготовка творческого проекта по дисциплине Этика и культура межнациональных отношений. Рекомендации помогают студентам организовать собственную самостоятельную работу по подготовке творческого проекта являющимся итоговой работой по дисциплине Этика и культура межнациональных отношений. Методические рекомендации разъясняют сущность творческого проекта содержат примерные темы для него описывают этапы работы над проектом.
35687. Создание творческого проекта 51 KB
  Кто предложил Метод фокальных объектов МФО Ч. К каким методам относится МФО ассоциативный эмпирический когнитивный 10. На чем базируется МФО рассмотрение задач других методов анализ случайных объектов и случайных признаков этих объектов анализ типовых объектов 11. В чем состоит принцип МФО перенесение ярких неожиданных свойств случайных объектов на совершенствуемый объект интерпретация свойств совершенствуемого объекта рассмотрение свойств объекта в разных ситуациях 12.
35688. Мой выбор: оператор ЭВМ. Творческий проект 148 KB
  Обоснование выбора профессии Профессиональное самоопределение важный и ответственный шаг в жизни каждого молодого человека. Но осуществить свободный выбор профессии очень не просто. Показатели Содержание Мои жизненные ценности Семья профессия благополучие Смысл и цель моей жизни Приобретение любимой профессии овладение ею в совершенстве достижение высокого профессионального мастерства Предполагаемая профессия Основной вариант: оператор ЭВМ Запасной вариант: оператор станков с программным управлением Мотивы выбора профессии Интерес к...