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串联谐振升压原理
2021-07-08

串联谐振是一种电路特性。它也是一种串联谐振试验装置。


串联谐振试验装置分为调频式和电感调制式。它一般由变频电源、励磁变压器、电抗器和电容器分压器组成。被测产品的电容器和电抗器形成串联谐振连接;被测产品并联一个分压器,用于测量被测产品上的谐振电压,并发出过压保护信号。


在由电阻、电感和电容组成的串联电路中,当容抗 XC 与感抗 XL 相等,即 XC=XL 时,电路中的电压 u 和电流 i 同相,电路出现电阻。这种现象称为串联共振。当电路串联谐振时,电路阻抗Z=√R^2 + (XC-XL)^2=R,电路中的总阻抗最小,电流会达到最大值。


串联谐振


如果谐振频率等于电源频率,电感和电容上的电压可以超过电源电压很多倍,就像摆动一样。只要它符合它的结,你就可以在不使用很大力的情况下越来越多地摆动。高,从而提振。理论上,反正电容的阻抗和电感抵消了,只剩下直流电阻,所以电流可以很大。电阻是耗能元件,电容和电感是储能元件,电源是供能元件。补充能量大于电阻消耗的能量,系统能量增加(电感电容两端电压增加),回路电流增加,电阻能耗增加,从而达到平衡。电线电缆测试是使用串联升压来获得高电压。


串联谐振是在一定条件下,由R、L、C组成的串联电路中发生的一种特殊现象。图1所示的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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式中,电抗是角频率的函数,X随的变化如图2所示。


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当从零变为∞时,X从﹣∞变为﹢∞。当ω<ωo,X<0时,电路为容性;当ω>ωo,X>0时,电路为感性;当ω=ωo时,


此时,电路阻抗Z(ωo)=R为纯电阻。电压和电流同相,此时电路的工作状态称为谐振。由于这种谐振发生在R、L、C的串联电路中,所以也称为串联谐振。等式 1 是串联电路谐振的条件。由这个公式,可以得到谐振角频率ωo如下:


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由式(2)可知,串联电路的谐振频率由电路自身的参数L和C决定,与外界条件无关,也称为电路的固有频率。当电源频率一定时,可以调整电路参数L或C,使电路的固有频率与电源频率一致而发生谐振,如工频谐振提升法;当电路参数不变时,可以改变电源频率,使其按照电路的固有频率发生谐振,也称为调频。


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串联电路谐振时,其电抗X(ωo)=0,所以电路的复阻抗表现为纯电阻,阻抗最小。在谐振时,虽然电抗是,但感抗和容抗不为零。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
ρ的单位是欧姆,是由电路参数L和C决定的一个量,与频率无关。


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,这个比值称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 和 C 确定的无量纲量。


串联谐振时电路中各元件的电压为


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由式(3)可知,虽然谐振时总电抗电压为0,但电感电压和电容电压不为0,它们的有效值相同,是外加电压的Q倍,但电感电压超前外加电压的 900 倍,电容电压比外加电压低 900 倍。电阻电压和外加电压相等同相,外加电压都加在电阻 R 上,电阻两端的电压有达到了最大值。每个元件的电压和电流相量关系如图3所示。


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当电路Q值较高时(串联谐振升压器件的Q值一般大于10,可达10~30),电感电压值和电容电压值会远大于施加的值电压,即可以使用较小的值 测试电压在被测设备(如电容式电压互感器)上产生非常高的测试电压。因此,谐振励磁电源的容量只需为测试容量的1/Q即可。


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由式(2)分析可知,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。升压法主要用于交联电缆的测试。可满足电缆的电容因长度不同而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(现场测试为50Hz)使被测产品的电感和电容发生谐振,产生工频高压。工频谐振升压系统一般采用调整电感和电感的方法,使电抗器和被测产品的电容在激励源的作用下发生谐振,通常称为可调电感式;也可采用在被测产品两端并联电容器的方法,改变被测系统的电容,使其在激励源的作用下与电抗器发生谐振,通常称为调容型;还可以同时改变电抗器的感抗和被测系统的电容,使系统达到谐振状态,通常称为调节体积感。可调电感式通常采用调节铁芯电抗器气隙的方法,可以连续平稳地调节电感值,操作更方便。电容器不能连续调节,所以现场操作一般采用电感调节法或电感调节法。


在电力系统中,一些类型的测试产品的电容是几个固定的量,比如CVT,它只有几个固定的电容值。一些测试产品根据其容量、电压等级等特性而有所不同,如发电机、变压器、电缆等。因此,工频谐振大多分为两类,一类是电抗器的电抗值需要连续可调,另一个只需要在几个固定值之间选择电抗值。第一种主要适用于发电机和变压器,第二种主要适用于CVT。

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