1、8 4 理想变压器和全耦合变压器 理想变压器也是一种耦合元件 它是实际变压器在理想条件下的电路模型 理想变压器的电路符号如下图 在如图同名端 电压和电流参考方向下 理想变压器的伏安关系为 理想变压器的唯一参数是变比 或匝比 n 有理想变压器的伏安关系可以看出 理想变压器已经没有电感或耦合电感的作用了 故理想变压器的电路模型也可以画出受控源的形式 理想变压器可以看成是耦合电感或空芯变压器在理想条件下的极限情况 1 耦合电感无损耗 即线圈是理想的 2 耦合系数k 1 即是全耦合 3 自感系数L1和L2均为无限大 但L1 L2等于常数 互感系数也为无限大 由于同名端的不同 理想变压器还有另一个电路模
2、型 其伏安关系为 当线圈的电压 电流参考方向关联时只有这两种情况 这两种VCR仅差一个符号 下面先从符合前两个理想化条件的全耦合变压器着手推导理想变压器的VCR 当线圈的电压 电流参考方向关联时只有这两种情况 由耦合线圈的VCR 8 4 1理想变压器伏安关系推导 这里仅讨论第一种 相加的 情况 且当耦合系数k 1时的情况 仍然应用书上图8 1 a 初级线圈电流i1 次级线圈电流i2 显然 由自感 互感的定义 产生的磁通为 其中有一部分磁通穿过了初级线圈 产生的磁通为 其中有一部分磁通穿过了次级线圈 耦合系数k显然有另一个定义为 电流在本线圈中产生的磁通全部与另一个线圈相交链 即时k 1 若初
3、次级线圈的匝数分别为N1和N2 则两线圈的总磁链分别为 式中 称为主磁通 由电磁感应定律 初 次级电压分别为 故得 由耦合电感VCR的第一式 从到t积分 有 得 由自感 互感的定义 得 得 保持不变 即 由于u1为有限值 当 满足理想化的第三个条件 有 类此 可以推导出同名端不同的另一种情况 由理想变压器的伏安关系 可以得出 理想变压器是一种无记忆元件 也称即时元件 如代入上述伏安关系 理想变压器的吸收功率为 可见 理想变压器既不耗能 也不储能 为了方便 习惯上把由于同名端不同而引起的两种伏安关系合并成一种 且不带负号 两线圈的电压 标同名端处假设为正极 电流 一侧流入另一侧流出 应如下图假设
4、 8 4 2全耦合变压器的电路模型 实际铁芯变压器一般更易满足前两个条件 而不满足第三个条件 那就是全耦合变压器 两线圈的电压关系同理想变压器 电流关系有 式 有 可见 全耦合变压器的初级电流有两部分组成 其中称为激磁电流 其等效电路模型如图所示 上图中 L1称为激磁电感 这也说明理想变压器由于L1为无穷大 极限情况 故不需要激磁电流 就可以在铁芯中产生磁场 工程上为了近似获得理想变压器的特性 通常采用导磁率 很高的磁性材料做变压器的芯子 而在保持匝比不变得情况下 增加线圈的匝数 并尽量紧密耦合 使k接近于1 同时使L1 L2 M非常非常大 认为增大到无限大 8 5含理想变压器电路的分析计算
5、由于全耦合变压器的等效电路中同样含有理想变压器 激磁电感 即初级电感 可以认为是外接电感 故本节也包括了全耦合变压器电路的分析计算 8 5 1理想变压器的阻抗变换 由理想变压器的伏安关系可知 它除了可以以n倍的关系变换电压 电流外 还可以有n2倍的关系变换阻抗 如 从初级看进去的等效电阻为 若次级接负载阻抗 则从初级看进去的等效阻抗为 上述 搬移 阻抗的方法还可以进一步推广 1 并联阻抗可以从次级搬移到初级 2 串联阻抗可以从初级搬移到次级 阻抗可以从初级与次级之间来回搬移 1 并联阻抗可以从次级搬移到初级 a b 由图 a 得图 b 上式中 2 串联阻抗可以从初级搬移到次级 a b 由图 a
6、 得图 b 应该指出 阻抗的n2倍与元件的n2倍是不一样的 电阻和电感意义相同 而电容意义刚好相反 利用阻抗的来回搬移 能使问题简化 例如 简化为 电源也可以 搬移 不过 电源搬移与同名端有关 由理想变压器的VCR 简化成没有变压器的电路 理想变压器还可由一个初级线圈与多个次级线圈构成 在图示电压 电流参考方向下 有 即 即 即 从初级看入的等效电导 即 有多个次级线圈时 次级阻抗可以一个一个地搬移 其实 多个次级的理想变压器电路 可以认为初级是双线 或多线 并绕 这样就更易理解 利用上述结论可以巧妙的计算如下例题 已知 1 求ab端的输入阻抗 解 由KVL 等效电路如左图 输入阻抗为 例8
7、4 含理想变压器电路如图 试求和 解 将次级折合到初级 由理想变压器的伏安关系 负载获得的最大功率为多少 解 将次级折合到初级 根据最大功率匹配条件有 时 达到最大功率匹配 由于理想变压器既不能耗能也不能储能 故等效电路中吸收的功率就是原电路获得的功率 例8 6 要使负载获得最大功率 求 解 将次级折合到初级 不可能达到共扼匹配 由于这时可变化的只是变比n 这就是 模匹配 的情况 一般地 理想变压器内阻 变换后的阻抗 当仅负载阻抗的模可变时 不可能达到共扼匹配 求负载获得最大功率的条件 下面先证明 负载中电阻吸收的功率 要使P达到最大 必须 这时 负载获得最大功率 这种情况称为 模匹配 模匹配
8、时负载中电阻吸收的功率一般比达到共扼匹配时的功率小 这时 例8 7 求流过的电流I 8 5 2含理想变压器电路的一般分析方法 列写网络方程和应用戴维南定理是常用的方法 解 理想变压器没有接成初 次级的形式 故只能列写网孔方程 按照前面的方法假设电压 电流 网孔方程 代入数据 得 例8 8求 A B以左电路的戴维南等效电路 解 本题含有两个理想变压器 先搬移走第一个 再搬移第二个 则电阻上没有电流 解 运用VCR 例8 9 例8 10 解 由VCR和KCL 解上两式 得 例8 11 电路初始状态为零 t 0开关闭合 试求t 0时的电流i t 解 由已知参数 此乃全耦合变压器 其等效电路为 其中 将理想变压器次级搬移到初级 得等效电路 利用一阶电路的三要素法求解 思考 若需求 应如何求解 与是不是n倍的关系 解 按图所示假设电压 电流 例8 12 求输入阻抗 法一 列方程 法二 求输入阻抗 解 按图所示假设电压 电流 由上题完全类似 可得 P 247 例8 9就是实例 戴维南等效电路的输出阻抗为 开路电压由理想变压器的VCR直接得到 作业 P 2528 2 c 8 3 a 8 4 作业 P 2538 88 138 178 19
