華意電力是一家專業研發生產串聯諧振的廠家,本公司生產的串聯諧振在行業內都廣受好評,以打造最具權威的“串聯諧振“高壓設備供應商而努力。
今天將和大家討論串聯諧振的原理,并分析串聯諧振現象的一些特點,探索串聯諧振現象的一些基本規律,以便在應用中能更自如的使用串聯諧振電源產品和分析在試驗過程中發生的一些現象。
串聯諧振的產生:
諧振是由R、L、C元件組成的電路在一定條件下發生的一種特殊現象。首先,我們來分析R、L、C串聯電路發生諧振的條件和諧振時電路的特性。圖1所示R、L、C串聯電路,在正弦電壓U作用下,其復阻抗為:
式中電抗X=Xl—Xc是角頻率ω的函數,X隨ω變化的情況如圖2所示。當ω從零開始向∞變化時,X從﹣∞向﹢∞變化,在ω<ωo時、X<0,電路為容性;在ω>ωo時,X>0,電路為感性;在ω=ωo時
此時電路阻抗Z(ωo)=R為純電阻。電壓和電流同相,我們將電路此時的工作狀態稱為諧振。由于這種諧振發生在R、L、C串聯電路中,所以又稱為串聯諧振。式1就是串聯電路發生諧振的條件。由此式可求得諧振角頻率ωo如下:
諧振頻率為
由此可知,串聯電路的諧振頻率是由電路自身參數L、C決定的.與外部條件無關,故又稱電路的固有頻率。當電源頻率一定時,可以調節電路參數L或C,使電路固有頻率與電源頻率一致而發生諧振;在電路參數一定時,可以改變電源頻率使之與電路固有頻率一致而發生諧振。
串聯諧振電源在電力系統應用中的特點:
1、所需電源容量大大減小。串聯諧振電源是利用諧振電抗器和被試品電容諧振產生高電壓和大電流的,在整個系統中,電源只需要提供系統中有功消耗的部分,因此,試驗所需的電源功率只有試驗容量的1/Q。
2、設備的重量和體積大大減少。串聯諧振電源中,不但省去了笨重的大功率調壓裝置和普通的大功率工頻試驗變壓器,而且,諧振激磁電源只需試驗容量的1/Q,使得系統重量和體積大大減少,一般為普通試驗裝置的1/3-1/5。
3、改善輸出電壓的波形。諧振電源是諧振式濾波電路,能改善輸出電壓的波形畸變,獲得很好的正弦波形,有效的防止了諧波峰值對試品的誤擊穿。
4、防止大的短路電流燒傷故障點。在串聯諧振狀態,當試品的絕緣弱點被擊穿時,電路立即脫諧,回路電流迅速下降為正常試驗電流的1/Q。而并聯諧振或者試驗變壓器方式做耐壓試驗時,擊穿電流立即上升幾十倍,兩者相比,短路電流與擊穿電流相差數百倍。所以,串聯諧振能有效的找到絕緣弱點,又不存在大的短路電流燒傷故障點的憂患。
5、不會出現任何恢復過電壓。試品發生擊穿時,因失去諧振條件,高電壓也立即消失,電弧即刻熄滅,且恢復電壓的再建立過程很長,很容易在再次達到閃落電壓前斷開電源,這種電壓的恢復過程是一種能量積累的間歇振蕩過程,其過程長,而且,不會出現任何恢復過電壓。
串聯諧振裝置是華意電力在積累多年工頻諧振升壓裝置研發、生產和試驗的基礎上設計出來的新一代諧振升壓裝置。變頻諧振試驗是一種全新的高壓試驗方法,利用電抗器與被試品電容實現串聯諧振,在被試品上獲得高電壓大電流,是當前高電壓試驗的一種新的方法和潮流,在國外已經得到廣泛的應用。變頻諧振試驗適用于大容量、高電壓的電容試品,如發電機、大型變壓器、GIS和高壓交聯電力電纜等,是用于交接和預防性試驗的現場試驗裝置。
諧振的定義:電容和電感元件的線性無源二端網絡對某一頻率的正弦激勵(達到穩態時)所表現的端口電壓與電流同相的現象。諧振電路分為并聯諧振電路與串聯諧振電路。本次主要討論串聯諧振電路的應用。
在電子設備中,經常需要完成在許多不同頻率的信號中,只選擇某個頻率的信號進行處理,而其他頻率信號被濾除的任務,如(收音機和電視機等)。最常用的具有選頻功能的電路是諧振電路,因此說諧振電路的作用之一就是選頻。
另外變頻諧振試驗方法主要用于對大電容值的容性電力設備的現場交流耐壓試驗,這類電力設備包括交聯聚乙烯絕緣聚氯乙烯護套電力電纜(XLPE),全封閉高壓組合電器(GIS)、發電機定子、大型變壓器、架空線電力線路、電力電容器等。該作用主要是利用諧振時被試品電容兩端電壓為電源電壓的Q倍;諧振時源的激勵功率僅為電容C上電功率容量的1/Q,Q越大激勵功率越小。基于上述兩個優點串聯變頻諧振方式進行容性試品的交流耐壓試驗成為流行趨勢。
串聯諧振產生的條件
串聯諧振電路由電感線圈和電容器串聯組成,其電路模型如右圖,其中,R和L分別為線圈的電阻和電感,C為電容器的電容。在角頻率
為w的正弦電壓作用下,該電路的復阻抗為:
式中,感抗XL=wl,容抗XC=1/wc,電抗X=XL-XC、阻抗角ΨZ = arctg(X/Z)均為電源角頻率ω的函數。那么諧振時U’S和I’同相,即Ψ=0,所以電路諧振時應滿足,X=0,即XL=XC,wl=1/wc。
串聯諧振的頻率、電路的固有頻率
設電源角頻率w=w0(f=f0)時,電路發生串聯諧振,由上面式子wl=1/wc可得:w0=或f0= 式子說明,RLC串聯電路諧振時w0(或f0)僅取決于電路參數L和C,當L、C一定時,w0(或f0)也隨之而定,故稱w0(或f0)為電路的固有頻率。
對于給定的R、L、C串聯電路,當電源角頻率等于電路的固有頻率時,電路發生諧振。若電源頻率 w一定,要使電路諧振,可以通過改變電路參數L或C,以改變電路的固有頻率w0使w=w0時電路諧振。調節L或C使電路發生諧振的過程稱為諧振。
通過諧振條件產生的原因,可知有兩種調節方式產生諧振。
調節L或C使電路諧振,電感元件與電容元件的關系為:L=L0=;C=C0=。調節電源頻率,使得電源輸出頻率與電路固有頻率相等:W=W0=。
可見要使電路滿足諧振條件,可以通過改變L、C或f來實現。諧振時,電路的復阻Z=R+j[L-(1/C)]=R是一個純電阻,這時阻抗為最小值,阻抗角=0。若外加電壓的有效值U及電路中的電阻R為定值,則諧振時電路中電流的有效值達到最大值I0=I(f0)=U/R。
串聯諧振有以下特征:
(1)電流與電壓同相位,電路呈現純阻性;
(2)阻抗最小,電流最大。因為諧振時,電抗X=0,故Z=R+jX=R,其值最小,電路中的電流I=U/R=I0為最大;
(3)電感的端電壓UL與電容的端電壓UC大小相等,相位相反,相互補償,外加電壓與電阻上的電壓相平衡,即UR=Ui;
(4)電感或電容的端電壓可能大大超過外加電壓。電感或電容的端電壓與外電壓之比為串聯諧振電路的品質因數Q: