Лекция № 7.
ИНДУКТИВНО-СВЯЗАННЫЕ ЦЕПИ
При рассмотрении цепей гармонического тока до сих пор нами учитывалось явление самоиндукции, то есть явление наведения ЭДС в электрической цепи при изменении потокосцепления самоиндукции, обусловленного током в этой цепи. Для простейшей цепи, приведенной на рис. 7.1,а, при переменном напряжении на зажимах цепи справедливо уравнение Кирхгофа
,
где - напряжение, уравновешивающее ЭДС самоиндукции.
Физическая картина заключалась в следующем: переменный ток , протекая по виткам катушки создает переменный магнитный поток
, который сцепляясь с витками
катушки, обуславливает появление ЭДС самоиндукции e
,
где - индуктивность, численно равная отношению потокосцепления самоиндукции к току, его обуславливающему.
Теперь рассмотрим явление взаимоиндукции, то есть явление наведения ЭДС в одной электрической цепи при изменении в ней потокосцепления, вызванного изменением тока в другой электрической цепи. Для этого проанализируем картину магнитного поля индуктивно-связанных катушек (рис. 7.1,б).
Протекание переменного тока по виткам
первой катушки обуславливает появление магнитного потока Ф
,
где - магнитная проводимость пути, по которому замыкается поток рассеяния первой катушки.
Отношение
Y
s 1/i 1=называется индуктивностью рассеяния первой катушки.
Часть потока пронизывает как витки первой катушки
, так и витки второй катушки
и носит название потока взаимоиндукции первой катушки
, пронизывающего витки второй катушки. Таким образом,
Произведение является потокосцеплением второй цепи, обусловленное током
в первой цепи.
Переменный ток , протекая по виткам
второй катушки, создает переменный магнитный поток
. Часть этого потока
пронизывает только витки второй катушки
и обуславливает потокосцепление рассеяния второй катушки
.
Отношение
носит название индуктивности рассеяния второй катушки.
Часть потока , пронизывающая витки как первой, так и второй катушки, называется потоком взаимной индукции второй катушки, пронизывающим витки первой катушки
Произведение
есть потокосцепление первой цепи, обусловленное током во второй цепи
Связь потокосцепления взаимной индукции одной электрической цепи с током в другой цепи характеризуется взаимной индуктивностью . Взаимная индуктивность равна отношению потокосцепления взаимной индукции в одной цепи к току в другой цепи, то есть
,
.
Для линейных цепей всегда выполняется равенство , что легко показать. На самом деле
,
.
где
l м1иl м2 - магнитные проводимости путей, по которым замыкаются потоки взаимоиндукции ФМ1и ФМ2. А поскольку они замыкаются по одному и тому же пути, то l м1=l м2 =l м, тоМ12= М21= М=w1w2l м.
Таким образом взаимная индуктивность пропорциональна произведению чисел витков катушек w
1 и w2 и магнитной проводимости l м. пути потоков взаимной индукции, которая зависит от магнитной проницаемости среды, взаимного расположения катушек, их формы и размеров.Степень индуктивной связи двух катушек характеризуется коэффициентом связи , определяемым как среднее геометрическое из отношений потока взаимной индукции к полному потоку катушки, то есть
.
Как видно, коэффициент связи всегда меньше
, так как
и
.
Коэффициент связи приближается к
с уменьшением потоков рассеяния
и
. Повышение коэффициента связи достигается бифиляр-ной намоткой катушек и применением ферромагнитного сердечника, так как с увеличением магнитной проницаемости среды, по которой замыкаются потоки взаимной индукции, доля потоков рассеяния уменьшается.
Выразим потоки через токи катушек, числа витков, индуктивности и взаимную индуктивность следующим образом:
;
;
;
.
Тогда
.
ЭДС взаимной индукции
Если в отдельных индуктивных элементах цепи наводятся ЭДС взаимной индукции, то при расчете таких цепей необходимо учитывать напряжения, компенсирующие эти ЭДС. Сами эти напряжения uм21 , uм12, называемые напряжениями взаимоиндукции, как и напряжения на индуктивностях, пропорциональны скоростям изменения токов, их обуславливающих, т.е.
u
м12=Mdi 2/dt, uм21=Mdi 1/dt.Если токи
i 1 и i 2 синусоидальны, то напряжение взаимоиндукции можно определить на основании закона Ома в комплексной форме. Так комплекс напряжения взаимоидукции второй катущки, обусловленного током первой катушки можно записать в виде,
где Z
M=jXM -комплексное сопротивление взаимоиндукции или сопротивление связи, а XM = w M -реактивное сопротивление взаимной индукции катушек. Таким образом, напряжение взаимоиндукции второй катушки опережает ток первой катушки на 90 градусов . Аналогично, напряжение взаимоиндукции первой катушки, обусловленное током второй катушки опережает ток второй катушки на 90 градусов , а комплекс этого напряжения определяется выражением.
Согласное и встречное включение катушек
При расчете ЭЦ, где имеет место явление взаимоиндукции, учет этого явления производится путем включения в уравнения, составленные на основании второго закона Кирхгофа , дополнительных слагаемых в виде напряжений взаимоиндукции. Так для первой из катушек , представленных на рис. 7.1,б, уравнение Кирхгофа имеет вид
u1= uR1+ uL1
± uм12.Если напряжение на индуктивности первой катушки u
L1 и напряжение взаимоиндукции uм12., обусловленные током второй катушки направлены одинаково , то перед последним слагаемым ставится знак (+), если противоположно - то (-). Указанные напряжения будут направлены одинаково, если поток самоиндукции первой катушки и поток взаимоиндукции, обусловленный током второй катушки , в первой катушке направлены одинаково. Аналогичноu2= uR2+ uL2
± uм21.В тех случаях, когда картина магнитных потоков катушек непосредственно не рассматривается, при расчетах условились ставить знак (+) перед последним слагаемым в случае , когда катушки включены согласно и знак (-) -когда они включены встречно.
Катушки считаются включенными согласно, если токи в них ориентированы одинаково относительно некоторых зажимов, помеченных на схеме цепи точками или звездочками и называемых одноименными и встречно, если они ориентированы противоположно.
Зажимы катушек считаются одноименными, если одинаково ориентированные относительно них токи, обуславливают одинаково направленные в катушках потоки самоиндукции и взаимоиндукции.
Физически направления магнитных потоков в катушках определяется правилом правоходового винта. Например, потоки Фм1 и Фм2 на рис. 7.2,а направлены
противоположно при заданных направлениях токов
i 1 и i 2 , т.е. катушки включены встречно. Однако, если бы эти токи были ориентированы одинаково относительно зажимов соответственно 1 и 4, то потоки были бы направлены одинаково. Следовательно, эти зажимы можно считать одно-именными.На рис. 7.2,б изображена эл. схема, соответствующая рисунку 7.2,а, где
наличие индуктивной связи между катушками показано дугой с стрелками, над которой стоит символ "М", а одноименные зажимы помечены символами (*).
Расчет цепей синусоидального тока с последовательно-соединенными и индуктивно-связанными катушками
Схема цепи, подлежащей расчету приведена на рис. 7.3. Пусть известны параметры катушек
Положим вначале, что катушки включены согласно. Тогда на основании второго закона Кирхгофа для рассматриваемой цепи можно написать уравнение для мгновенных значений токов и напряжений в виде
.
Если напряжение на зажимах цепи синусоидально, то указанное уравнение можно записать в комплексной форме
.
Следовательно, комплекс тока в цепи определяется выражением
,
где Lэкв
=L1+L2+2M - эквивалентная индуктивность цепи.Таким образом, две индуктивно-связанные катушки, соединенные последовательно при согласном включении эквивалентны катушке, имеющей активное сопротивление и индуктивность
. Как видно индуктивная связь между катушками в данном случае увеличивает эквивалентную индуктивность цепи.
Пусть теперь катушки включены встречно. Тогда
.
Следовательно
,
где - эквивалентная индуктивность цепи.
Таким образом, наличие индуктивной связи между катушками при их встречном включении уменьшает эквивалентную индуктивность цепи .