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串并联谐振的计算

发表时间:2018-03-20 16:50

L是电感,C是电容

在含有电容和电感的电路中,如果电容和电感并联,可能出现在某个很小的时间段内:电容的电压逐渐升高,而电流却逐渐减少;与此同时电感的电流却逐渐增加,电感的电压却逐渐降低。而在另一个很小的时间段内:电容的电压逐渐降低,而电流却逐渐增加;与此同时电感的电流却逐渐减少,电感的电压却逐渐升高。电压的增加可以达到一个正的最大值,电压的降低也可达到一个负的最大值,同样电流的方向在这个过程中也会发生正负方向的变化,此时我们称为电路发生电的振荡。

电容和电感串联,电容器放电,电感开始有一个逆向的反冲电流,电感充电;当电感的电压达到最大时,电容放电完毕,之后电感开始放电,电容开始充电,这样的往复运作,称为谐振。而在此过程中电感由于不断的充放电,于是就产生了电磁波。

电路振荡现象可能逐渐消失,也可能持续不变地维持着。当震荡持续维持时,我们称之为等幅振荡,也称为谐振。

谐振时间电容或电感两锻电压变化一个周期的时间称为谐振周期,谐振周期的倒数称为谐振频率。所谓谐振频率就是这样定义的。它与电容C和电感L的参数有关,即:f=1/√LC。

在研究各种谐振电路时,常常涉及到电路的品质因素Q值的问题,那末什么是Q值呢?下面我们作详细的论述。

1是一串联谐振电路,它由电容C、电感L和由电容的漏电阻与电感的线电阻R所组成。此电路的复数阻抗Z为三个 元件的复数阻抗之

Z=R+jωL+(-j/ωC)=R+j(ωL-1/ωC) ⑴

上式电阻R是复数的实部,感抗与容抗之差是复数的虚部,虚部我们称之为电抗用X表示, ω是外加信号的角频率。

当X=0时,电路处于谐振状态,此时感抗和容抗相互抵消了,即式⑴中的虚部为零,于是电路中的阻抗最小。因此电流最大,电路此时是一个纯电阻性负载电路,电路中的电压与电流同相。电路在谐振时容抗等于感抗,所以电容和电感上两端的电压有效值必然相等,

电容上的电压有效值UC=I*1/ωC=U/ωCR=QU 品质因素Q=1/ωCR,这里I是电路的总电流。

电感上的电压有效值UL=ωLI=ωL*U/R=QU 品质因素Q=ωL/R

因为:UC=UL 所以Q=1/ωCR=ωL/R

电容上的电压与外加信号电压U之比UC/U= (I*1/ωC)/RI=1/ωCR=Q

上的电压与外加信号电压U之比UL/U= ωLI/RI=ωL/R=Q

从上面分析可见,电路的品质因素越高,电感或电容上的电压比外加电压越高。

电路的选择性:图1电路的总电流I=U/Z=U/[R2+(ωL-1/ωC)2]1/2=U/[R2+(ωLω0/ω0-ω0/ωCω0)2]1/2 ω0是电路谐振时的角频率。当电路谐振时有:ω0L=1/ω0C

所以I=U/{R2+[ω0L(ω/ω0-ω0/ω)]2}1/2= U/{R2+[R2(ω0L/R)2](ω/ω0-ω0/ω)2}1/2= U/R[1+Q2(ω/ω0-ω0/ω)2]1/2

因为电路谐振时电路的总电流I0=U/R,

所以I=I0/[1+Q2(ω/ω0-ω0/ω)2]1/2有:I/I0=1/[1+Q2(ω/ω0-ω0/ω)2]1/2作此式的函数曲线。设(ω/ω0-ω0/ω)2=Y

曲线如图2所示。这里有三条曲线,对应三个不同的Q值,其中有Q1>Q2>Q3。从图中可看出当外加信号频率ω偏离电路的谐振频率ω0时, I/I0均小于1。Q值越高在一定的频偏下电流下降得越快

并联谐振时电感和电容上的电压等于电源电压,谐振电流高于总电流许多倍。串联谐振时电感或电容上的电压才高出电源电压很多倍。有的串联谐振电路看上去很像并联谐振,但其实它是串联谐振电路。判断是串联还是并联谐振的关键是看电源或信号源是送到哪两端的。比如收音机和电视机的中频放大电路,在中频变压器的初级,信号是加在LC并联电路两端的,是并联谐振。而在同一个变压器的次级线圈上往往也并联一个电容,看上去也是并联谐振,但其实它是串联谐振,因为信号是从次级线圈上感应出来的,相当与信号串联在LC电路中,而不是加在LC并联电路两端。

电路发生串联谐振时,电容上的电压和电感上的电压大小相等,方向相反,所有电源电压(或信号源电压相当于全部加在了电路的等效串联电阻上了。这个等效电阻越小,电路里的总电流就越大。而电容和电感的阻抗又是不变的,其上电压=感抗
X
电流。所以,电感和电容上的电压会很高,可达电源电压的百倍甚至千倍。这个倍数叫做谐振电路的品质因数。它直接代表了谐振电路的好坏。品质因数越高,说明谐振电路的损耗越小。

通常电感和电容的损耗是随其上电流的频率升高而增大的。谐振频率越高,等效损耗电阻越大。折算到谐振电路里的串联电阻就越大。电路的品质因数下降。所以谐振电压降低。

电路的品质因数=感抗/串联电阻。从公式上看,频率升高,品质因数应该升高才对啊。其实不然,频率升高,容抗降低,而电路谐振时,感抗又必须和容抗相等,所以电路的品质因数也降低。为了提高电路的品质因数,应尽量提高谐振电路的电感量。相反,在电源电路中,千万不要发生串联谐振!

在发生串联和并联谐振时,电路两端的电压和电路的总电流都是同相位。此时用电设备和电源之间没有无功功率交换。所以,工厂里常采用并联谐振电路提高线路的功率因数。

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