大學物理課件-互感-福州大學李培官

互感互感是電磁感應(yīng)的一種情況,兩個或多個磁場相互作用產(chǎn)生感應(yīng)電動勢。它在電力系統(tǒng)、電子通信系統(tǒng)等諸多領(lǐng)域有廣泛應(yīng)用,是大學物理課程的核心內(nèi)容之一。課程簡介課程目標本課程旨在讓學生全面掌握互感的基本概念和原理，深入理解自感和互感的關(guān)系。知識體系課程涵蓋從磁通量、互感系數(shù)到變壓器工作原理等,全面介紹互感在電力系統(tǒng)中的應(yīng)用。實踐應(yīng)用通過案例分析和實驗操作,幫助學生將理論知識應(yīng)用到實際問題解決中。課程目標掌握互感的基本概念了解磁通量、磁通概念,學習互感的定義和特點。理解互感系數(shù)的計算掌握互感系數(shù)的計算方法,學會評估自感和互感之間的關(guān)系。學習變壓器的工作原理深入理解變壓器的工作機理,包括效率、電壓變換比和容量等。探討互感在電力系統(tǒng)中的應(yīng)用了解互感在電流互感器、電壓互感器等電力設(shè)備中的作用和應(yīng)用。知識點講解物理定律與方程深入了解物理學的基本定律和方程,掌握它們的應(yīng)用場景和基本原理。實驗與驗證通過實驗操作和數(shù)據(jù)分析,驗證物理定律,加深對相關(guān)概念的理解。問題分析與解決運用物理知識,分析和解決實際問題,培養(yǎng)學生的邏輯思維和問題解決能力。前沿技術(shù)應(yīng)用介紹物理學在新興技術(shù)領(lǐng)域的最新應(yīng)用,激發(fā)學生對科學的興趣和好奇心。磁通量與磁通磁通量磁通量是磁場中的磁力線通過特定面積的數(shù)量。它是衡量磁場強度的重要參數(shù)。磁通磁通是在特定時間內(nèi)通過某一面積的磁通量。它表示磁場的總通量變化情況。磁通與電磁感應(yīng)磁通的變化會產(chǎn)生電磁感應(yīng)電動勢,這是電磁感應(yīng)的物理基礎(chǔ)?；ジ懈拍钕嗷ヱ詈袭攦蓚€電路或電磁回路相互耦合時，一個回路中的電流變化會在另一個回路中產(chǎn)生電動勢。這種相互影響就是互感的基本概念。電流相互影響當一個電路中的電流發(fā)生變化時，它產(chǎn)生的變化磁通會通過相鄰的另一個電路,從而在該電路中產(chǎn)生感應(yīng)電動勢。磁通相互影響一個電磁回路的磁通變化會影響相鄰的另一個回路,從而在該回路中產(chǎn)生感應(yīng)電動勢,這種相互影響的現(xiàn)象就是互感?；ジ邢禂?shù)互感系數(shù)是表示兩個相互耦合電路之間磁通鏈接程度的一個量化參數(shù)。它描述了一個電路中的電流變化會在另一個電路中誘導(dǎo)出多大的電壓?；ジ邢禂?shù)的大小決定了兩個電路之間的磁耦合強度?；ジ邢禂?shù)描述兩個磁性耦合電路間的磁通鏈接程度取值范圍0≤M≤√(L1*L2)單位亨利（H）互感系數(shù)的定義1相互耦合互感系數(shù)描述了兩個電路之間的相互耦合程度。2磁通鏈接當電流變化時,一個線圈產(chǎn)生的磁通鏈接到另一個線圈的比例。3無量綱互感系數(shù)是一個無量綱的數(shù)值,在0到1之間變化。4最大值當兩個線圈完全耦合時,互感系數(shù)取最大值1。自感和互感自感自感是描述單一電感元件本身電磁性質(zhì)的參數(shù)。它反映了電感元件對自身電流變化產(chǎn)生的電動勢?；ジ谢ジ惺敲枋鰞蓚€電感元件之間磁耦合的參數(shù)。它反映了一個電感元件的電流變化所產(chǎn)生的磁通量對另一個元件的影響。關(guān)系自感和互感是密切相關(guān)的概念。電感元件之間的耦合程度越強，互感也就越大。自感和互感共同描述了電感元件的電磁特性。互感系數(shù)的計算1定義互感系數(shù)是描述兩個電路之間磁耦合強度的參數(shù)2計算通過測量一個線圈的電壓來計算與另一個線圈的互感系數(shù)3公式M=互感系數(shù)=Vk/(Ip*ω)4應(yīng)用互感系數(shù)廣泛應(yīng)用于變壓器、電機等電磁設(shè)備設(shè)計計算互感系數(shù)的關(guān)鍵在于通過測量一個線圈受到的感應(yīng)電壓，結(jié)合已知的電流和頻率，利用互感系數(shù)公式M=Vk/(Ip*ω)來得出兩個線圈之間的互感系數(shù)。這一參數(shù)在電磁設(shè)備設(shè)計中廣泛應(yīng)用，是描述磁耦合強度的重要指標。相互影響1相互感應(yīng)當兩個線圈相互靠近時，一個線圈的變化磁通會誘導(dǎo)出另一個線圈中的電動勢。這就是相互感應(yīng)的現(xiàn)象。2磁耦合兩個線圈由于磁場的相互耦合而產(chǎn)生相互影響。這種磁耦合關(guān)系可以用互感系數(shù)來表示。3能量傳遞靠相互感應(yīng)的作用,可以通過一個線圈向另一個線圈傳遞能量,這就是變壓器的工作原理。自感與互感的關(guān)系自感的產(chǎn)生當電流通過導(dǎo)體時,會產(chǎn)生磁場,從而在導(dǎo)體內(nèi)部產(chǎn)生自感電動勢。這就是自感的本質(zhì)。互感的產(chǎn)生當兩個電感或更多電感相互耦合,彼此的磁場會相互影響,從而產(chǎn)生互感電動勢。這就是互感的來源。自感與互感的關(guān)系自感和互感是相互關(guān)聯(lián)的。自感是單個電感自身的特性,而互感則體現(xiàn)了多個電感之間的相互作用?；ジ械膽?yīng)用互感在電力系統(tǒng)中廣泛應(yīng)用,主要包括變壓器、電流互感器和電壓互感器等?；ジ衅骺梢詫崿F(xiàn)電壓、電流的變換和隔離,是電力系統(tǒng)中不可或缺的重要元件。除此之外,互感還在電機啟動電路、檢測與測量等領(lǐng)域有特殊用途,發(fā)揮著重要作用。通過互感的原理和特性,可以實現(xiàn)電力設(shè)備的有效控制和保護,提高電力系統(tǒng)的安全性和可靠性。變壓器變壓器是一種利用電磁感應(yīng)原理將電壓從一個電路轉(zhuǎn)換到另一個電路的設(shè)備。其主要由初級繞組和次級繞組組成，通過改變繞組匝數(shù)比來調(diào)節(jié)電壓。變壓器可廣泛應(yīng)用于電力系統(tǒng)、電子設(shè)備等領(lǐng)域。變壓器的工作原理1交流輸入交流電源供給變壓器的初級繞組2電磁感應(yīng)交流電流在初級繞組中產(chǎn)生交變磁場3電磁耦合交變磁場通過磁芯耦合到次級繞組4電壓變換次級繞組感應(yīng)出經(jīng)過變換的交流電壓變壓器的工作原理是利用電磁感應(yīng)的原理來實現(xiàn)電壓的變換。交流電流通過初級繞組產(chǎn)生交變磁場,通過磁芯耦合到次級繞組,從而在次級繞組感應(yīng)出變換后的交流電壓。這種電磁耦合的原理使得變壓器可以實現(xiàn)對交流電壓的升壓或降壓。變壓器效率變壓器工作時會產(chǎn)生一定的能量損耗,使得輸出功率小于輸入功率。變壓器效率定義為輸出功率與輸入功率的比值,反映了變壓器轉(zhuǎn)換電能時的性能指標。影響變壓器效率的主要因素包括鐵損和銅損。要提高變壓器效率,可采取提高鐵芯材質(zhì)、減少線圈繞組線圈長度等措施,降低鐵損和銅損,從而提高變壓器的整體性能。典型的高效變壓器效率可達到97%以上。變壓器電壓變換比1:1等比一次側(cè)電壓等于二次側(cè)電壓。1:N升壓比一次側(cè)電壓小于二次側(cè)電壓。N:1降壓比一次側(cè)電壓大于二次側(cè)電壓。變壓器的電壓變換比決定了變壓器的輸入電壓和輸出電壓之間的關(guān)系。這是變壓器最重要的工作特性之一。變壓器容量100MVA容量變壓器能夠傳輸?shù)淖畲笥泄β?500V電壓變壓器的原邊和副邊額定電壓40A電流變壓器的額定電流99.5%效率變壓器的工作效率變壓器勵磁特性電磁感應(yīng)原理變壓器的勵磁特性受電磁感應(yīng)原理的支配,通過初級繞組產(chǎn)生的交流磁場會在鐵芯中感應(yīng)出交流磁通量。鐵芯磁化曲線變壓器鐵芯的磁化曲線決定了勵磁電流隨磁通量的變化規(guī)律。鐵芯材料的性能直接影響勵磁特性?？蛰d電流當變壓器處于空載狀態(tài)時,僅需要較小的勵磁電流來維持鐵芯中的磁通量,這就是變壓器的空載電流。變壓器的損耗銅損變壓器的銅損主要來源于繞組電阻造成的能量損失。主要影響因素有繞組電流大小和繞組電阻值。鐵損鐵損指變壓器鐵芯在交變磁場作用下產(chǎn)生的能量損失。主要包括渦流損和滯回損。其他損耗還包括冷卻介質(zhì)的流動阻力損耗、和絕緣材料的介質(zhì)損耗等。這些損耗較小但不可忽視。總損耗變壓器的總損耗是銅損、鐵損和其他損耗的總和。優(yōu)化設(shè)計可以降低損耗,提高變壓器效率。三相變壓器連接方式星形連接三相變壓器的一種常用連接方式,變壓器三相繞組的一端連成一個公共點(中性點)。這種連接方式可以降低變壓器的線電壓,并且當有一相故障時,其他兩相也可以繼續(xù)工作。三角形連接三相變壓器的另一種連接方式,三相繞組呈三角形連接。這種連接可以提高系統(tǒng)的功率因數(shù),降低線電流,適用于大功率的供電系統(tǒng)。星-三角形連接結(jié)合了星形和三角形兩種連接方式,可以實現(xiàn)線電壓和線電流的變換。廣泛用于電動機和變壓器的啟動電路中。其他連接方式還有其他一些特殊的三相變壓器連接方式,如V型連接、開Δ連接等,適用于不同的工藝需求和供電環(huán)境。三相變壓器的容量三相變壓器的容量一般為單相變壓器容量的3倍。這是因為三相系統(tǒng)中的三條線路同時承擔功率傳輸任務(wù)，相比單相變壓器可以傳輸更大的功率。三相變壓器通常用于大功率電力系統(tǒng)中，滿足高功率需求。三相變壓器的連接1星形連接三相變壓器的一種常見連接方式是星形連接,其中三個相繞組的一端接在一起形成中線,另三個端接在三相供電線上。這種連接可實現(xiàn)三相穩(wěn)壓供電。2三角形連接另一種連接方式是三角形連接,三個相繞組端接在三相供電線的三個線上。這種連接可實現(xiàn)三相電壓降低,適合于大負載供電。3兼容性這兩種不同的連接方式可以在電力系統(tǒng)中靈活切換,以滿足不同的供電需求和負載特點。變壓器調(diào)壓1調(diào)壓功能變壓器可以調(diào)整輸出電壓的大小2分接頭調(diào)壓通過改變初級線圈的匝數(shù)來調(diào)整輸出電壓3旋轉(zhuǎn)式調(diào)壓通過改變初級線圈的接入點來調(diào)整輸出電壓4電磁式調(diào)壓通過改變初級線圈和次級線圈的相對位置來調(diào)整輸出電壓變壓器的輸出電壓可以通過多種方式進行調(diào)整,如分接頭調(diào)壓、旋轉(zhuǎn)式調(diào)壓和電磁式調(diào)壓。這些調(diào)壓方式可以滿足不同的用電需求,確保輸出電壓的穩(wěn)定性和可靠性。電動機啟動電路1直接啟動直接將電機接入電源,適用于小功率電機2星三角啟動先以星型連接,再切換為三角連接,適用于中功率電機3軟啟動使用可控硅等裝置控制電流,適用于大功率電機電動機啟動時需要解決電流突增的問題,常用的解決方式包括直接啟動、星三角啟動和軟啟動等。不同方式適用于不同功率的電機,能夠有效控制電流,平穩(wěn)啟動電機。互感在電力系統(tǒng)中的應(yīng)用電流互感器電流互感器可用于電力系統(tǒng)中的電流檢測和保護,可提高測量精度和系統(tǒng)安全性。電壓互感器電壓互感器可用于電壓檢測和監(jiān)控,確保電力系統(tǒng)的穩(wěn)定運行。變壓器變壓器利用互感原理實現(xiàn)交流電壓的變換,在電力系統(tǒng)中廣泛應(yīng)用。無線電功率傳輸互感原理也可用于無線電功率傳輸,為新興的無線充電技術(shù)提供基礎(chǔ)?；ジ衅鞯脑砗蛻?yīng)用原理互感器基于電磁感應(yīng)原理,通過變壓器的原理將一個電路的電流或電壓信號傳輸?shù)搅硪粋€電路。電流互感器電流互感器用于測量交流電路中的電流,廣泛應(yīng)用于電力系統(tǒng)測量和電能表計。電壓互感器電壓互感器用于測量交流電路中的電壓,常用于高壓電網(wǎng)的電壓測量。電流互感器1工作原理電流互感器采用電磁感應(yīng)原理,通過主線圈感應(yīng)電流變化來產(chǎn)生二次電流。2結(jié)構(gòu)特點電流互感器由鐵心、初級繞組和二次繞組三部分組成,安裝在主電路中。3應(yīng)用場景廣泛應(yīng)用于各類儀表、繼電保護、電能計量等領(lǐng)域,實現(xiàn)電流的采集和變換。4精度指標電流互感器的準確度可達到1級或更高,滿足專業(yè)應(yīng)用的精度要求。電壓互感器工作原理電壓互感器通過感應(yīng)線圈感應(yīng)被測電壓,從而輸出一個與被測電壓成比例的電壓信號。這種感應(yīng)原理使其能夠長期穩(wěn)定工作,不會對被測電壓造成負載。結(jié)構(gòu)特點電壓互感器由一次繞組和二次繞組構(gòu)成,一次繞組連接在被測電壓端,二次