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串联谐振升压原理
2021-02-24

串联谐振是由R、L、C元件组成的串联电路在一定条件下发生的一种特殊现象。图1所示R、L、C串联电路,在正弦电压Us激励下,其复阻抗为:


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当从零开始向∞变化时,X从﹣∞向﹢∞变化。在ω<ωo时,X<0,电路为容性。在ω>ωo时,X>0,电路为感性。在ω=ωo时,此时电路阻抗Z(ωo)=R为纯电阻。电压和电流同相,电路此时的工作状态称为谐振,由于这种谐振发生在R、L、C串联电路中,所以又称为串联谐振,式1就是串联电路发生谐振的条件,由此式可求得谐振角频率ωo如下:


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由式(2)可知,串联谐振电路的谐振频率是由电路自身参数L、C决定的,与外部条件无关,又称为电路的固有频率。当电源频率一定时,可以调节电路参数L或C,使电路固有频率与电源频率一致而发生谐振,如工频谐振升压的调感法。在电路参数一定时,可以改变电源频率使之与电路固有频率一致而发生谐振,也叫调频法。


串联谐振


串联谐振电路谐振时,其电抗X(ωo)=0,所以电路的复阻抗 ,呈现为一个纯电阻,而且阻抗为最小值,谐振时,虽然电抗 ,但感抗与容抗均不为零,谐振时的感抗或容抗为串联谐振电路的特性阻抗,记为ρ,即


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工程上常用特性阻抗与电阻的比值来表征谐振电路的性能,并称此比值为串联电路的品质因数,用Q表示,即品质因数简称为Q值,它是由电路参数R、L、C共同决定的一个量。


串联谐振时,电路中各元件的电压分别为


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由式(3)可知,谐振时虽然总的电抗电压为0,但电感电压和电容电压均不为0,它们有效值相等,且均为外施电压的Q倍,但电感电压超前外施电压900,电容电压落后外施电压900,电阻电压和外施电压相等且同相,外施电压全部加在电阻R上,电阻上的电压达到了最大值,各元件的电压电流相量关系如图3所示。


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在电路Q值较高时(串联谐振升压装置的Q值一般都大于10,可达10~30),电感电压和电容电压的数值都将远大于外施电压的值,即可以用较小的试验电压在被试设备上产生很高的试验电压,从而使谐振激磁电源的容量只需试验容量的1/Q。


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由式(2)的分析知谐振升压方法有工频谐振升压法和变频谐振升压法。工频谐振升压法主要用于发电机、变压器和电容式电压互感器的试验,变频谐振升压法主要用于交联电缆的试验,能满足电缆因长度不同,电容量在较大范围内变化的要求。


工频谐振升压系统是在工频条件下(现场试验为50Hz)使得电感和被试品电容谐振,产生工频高压,工频谐振升压系统一般采用调节电感感抗的方式在激励源的作用下使得电抗器和被试品电容谐振,通常称为调感式,也可以采用在被试品两端并联电容器的方式改变被试系统的电容量使得在激励源的作用下与电抗器谐振,通常称为调容式,还可以同时改变电抗器的感抗和被试系统的电容量使得系统达到谐振状态,通常称为调感调容式,调感式通常采用调节铁心电抗器的气隙的方式,可以连续平滑的调节感抗值,操作比较方便,电容则不能连续的调节,所以现场操作一般使用调感法或调感调容法。

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