電容和電感正弦穩(wěn)態(tài)電抗的研究

武 鵬

神華國(guó)神集團(tuán)(神東電力)郭家灣電廠(chǎng) 陜西 榆林 719000

引言

立足于電感器充放磁鏈以及儲(chǔ)能原理角度出發(fā)，將RL電路當(dāng)成目標(biāo)對(duì)象，采取一階電路解析方法，在正負(fù)交替方波激勵(lì)穩(wěn)態(tài)條件下，掌握電感電流被抑制條件下的頻率和強(qiáng)弱關(guān)系，利用仿真實(shí)驗(yàn)進(jìn)行驗(yàn)證。針對(duì)電感于直流動(dòng)態(tài)電路暫態(tài)中所體現(xiàn)出來(lái)的性質(zhì)和表現(xiàn)，以及其在正弦交流穩(wěn)態(tài)電路中所呈現(xiàn)出來(lái)的性質(zhì)和表現(xiàn)，給出以物理本質(zhì)為基礎(chǔ)的儲(chǔ)能、充放電的基礎(chǔ)解釋?zhuān)瑤椭钊胝莆照曳€(wěn)態(tài)電抗。

一、電容、電感、電抗相關(guān)理論分析

(一)電容。電容主要是能夠準(zhǔn)確表示電容器承載電荷容量的物理量。通常會(huì)在電容器兩極板之間電勢(shì)差適當(dāng)增加一伏所需電量，即電容器電容。電容也是對(duì)電荷進(jìn)行容納和釋放的主要電子元器件。電容的基礎(chǔ)運(yùn)行原理為充放電，電容類(lèi)型通常是絕緣介質(zhì)以及電極決定的。電容在實(shí)際操作中具有多樣化用途，具體如下。第一是隔直流，主要作用是防止直流通過(guò)，允許交流順利通過(guò)。第二是旁路即去偶，能夠?yàn)榻涣麟娐穬?nèi)的部分并聯(lián)元件創(chuàng)造低阻抗的傳輸通道。第三是耦合，屬于兩種電路之間銜接模塊，可以幫助交流信號(hào)順利通過(guò)，順利傳送到下一級(jí)電路內(nèi)。第四是濾波，其對(duì)于DIY具有重要作用，顯卡中的電容普遍也是發(fā)揮出相關(guān)作用。第五是溫度補(bǔ)償，主要是對(duì)其他元件無(wú)法有效適應(yīng)溫度所形成的影響，從而補(bǔ)償優(yōu)化電路運(yùn)行穩(wěn)定性。第六是計(jì)時(shí)，電阻器和電容器兩者進(jìn)行搭配利用，從而明確電路時(shí)間常數(shù)。第七是調(diào)諧，主要是針對(duì)頻率相關(guān)電路實(shí)施系統(tǒng)性調(diào)諧工作，包括電視機(jī)、收音機(jī)以及手機(jī)等。第八是整流，在預(yù)定時(shí)間階段對(duì)導(dǎo)體元件實(shí)施開(kāi)閉操作。第九是儲(chǔ)能，可以對(duì)電能進(jìn)行合理儲(chǔ)存，同時(shí)在需要的條件下將電能全面釋放出來(lái)。比如加熱裝置以及相機(jī)閃光燈等。電容于電路中針對(duì)交流電所形成的阻礙作用便是容抗，頻率和容抗兩者屬于反比關(guān)系[1]。

(二)電感。電抗器便是電感，其在電力系統(tǒng)內(nèi)主要作用如下，線(xiàn)路并聯(lián)電抗器能夠?qū)€(xiàn)路容性充電電流進(jìn)行合理補(bǔ)償，有效控制系統(tǒng)電壓升高以及操作電壓的形成，促進(jìn)線(xiàn)路維持穩(wěn)定運(yùn)行。站內(nèi)并聯(lián)電抗器能夠吸收無(wú)功，減少電壓，屬于無(wú)功補(bǔ)償?shù)闹匾侄沃弧Ｄ妇€(xiàn)串聯(lián)電抗器能夠?qū)Χ搪冯娏餍纬珊侠硐拗?，促進(jìn)母線(xiàn)維持較高殘壓。至于電容器組串聯(lián)電抗器能夠針對(duì)高次諧波進(jìn)行合理控制，減少電抗。

電路內(nèi)，電流流經(jīng)導(dǎo)體過(guò)程中便會(huì)形成相應(yīng)的磁場(chǎng)，而電磁場(chǎng)的范圍大小除以電流的數(shù)值所得最終結(jié)果便是電感。電感也是對(duì)線(xiàn)圈形成電磁感應(yīng)能力進(jìn)行準(zhǔn)確衡量的物理量，針對(duì)某一線(xiàn)圈正常接入電流，則線(xiàn)圈周?chē)銜?huì)形成某種磁場(chǎng)，線(xiàn)圈中會(huì)出現(xiàn)磁通量經(jīng)過(guò)。隨著線(xiàn)圈連接電源的不斷擴(kuò)大，則其磁場(chǎng)能力相繼增強(qiáng)，經(jīng)過(guò)線(xiàn)圈的磁通量也進(jìn)一步擴(kuò)大。相關(guān)實(shí)驗(yàn)證明，線(xiàn)圈中經(jīng)過(guò)的磁通量以及通入電流屬于正比關(guān)系，兩者比值為自感系數(shù)，同時(shí)也可以將其稱(chēng)作為電感。電感的基礎(chǔ)單位是亨，同時(shí)還有微亨以及毫亨單位。電感僅能針對(duì)非穩(wěn)恒定電流發(fā)揮作用，其主要特征是兩端電壓正比在經(jīng)過(guò)不同電流時(shí)所形成的瞬時(shí)變化率，其自感便是其比例系數(shù)。電感能夠發(fā)揮出自身功能作用主要原因是其在經(jīng)過(guò)非穩(wěn)恒電流過(guò)程中所產(chǎn)生的磁場(chǎng)變化，該種磁場(chǎng)同樣還會(huì)對(duì)電流產(chǎn)生某種影響，因此能夠看出，任意導(dǎo)體，只要其流經(jīng)非穩(wěn)恒電流，便會(huì)出現(xiàn)磁場(chǎng)變化，從而對(duì)電流產(chǎn)生某種影響，而所有導(dǎo)體都不可避免會(huì)產(chǎn)生自感現(xiàn)象。在主板中還能夠發(fā)現(xiàn)較多銅線(xiàn)纏繞而成的線(xiàn)圈，而該種線(xiàn)圈便是電感，電感具體可以分成空心電感以及磁心電感兩種形式。而磁心電感相關(guān)電感量普遍會(huì)應(yīng)用到濾波電路內(nèi)，空心電感的相關(guān)電感量較小，普遍應(yīng)用到高頻電路內(nèi)。電感和電容兩者特性正好相反，其具備防控交流電通過(guò)，允許直流電順利流通的特征。電感特性即阻交流，通直流，隨著頻率的不斷提升，線(xiàn)圈內(nèi)部阻抗進(jìn)一步擴(kuò)大。而電路中的電感器普遍是和電容共同工作運(yùn)行，組成了IC振蕩器、LC濾波器等。除此之外，人們還進(jìn)一步借助電感特性，創(chuàng)造出繼電器、變壓器和阻流圈等。電路中電感面向交流電時(shí)所發(fā)揮出來(lái)的阻礙作用便是感抗，而頻率和感抗兩者屬于正比關(guān)系。

(三)電抗。電抗主要是電感、電容對(duì)于交流電所形成的阻力，直流電路內(nèi)電容屬于開(kāi)路狀態(tài)，電感在不結(jié)合線(xiàn)圈電阻進(jìn)行綜合考慮的條件下，不會(huì)對(duì)直流電形成任何阻力。交流電路內(nèi)，電容器存在傳導(dǎo)電流流經(jīng)，而對(duì)交流電所形成的阻力便是容抗。電感面向交流電的阻力則是感抗。容抗以及感抗兩者組合在一起共同稱(chēng)作為電抗。因?yàn)樘幱陔姼泻碗娙葜?，相位中的交流電壓以及交流電流存在滯后或超前九十度的關(guān)系。電路中電感和電流面向交流電所形成的阻礙作用綜合便是電抗結(jié)果[2]。

二、電容、電感的正弦穩(wěn)態(tài)電抗

(一)正弦穩(wěn)態(tài)電抗。電感器以及電容器相關(guān)正弦交流穩(wěn)態(tài)電抗主要是利用數(shù)學(xué)方法得到的。而一開(kāi)始阻抗理念的提出便被確定為傳輸線(xiàn)路內(nèi)外加電容勢(shì)趨勢(shì)、的電動(dòng)振勢(shì)幅以及電流振幅之比。對(duì)于學(xué)習(xí)者來(lái)說(shuō)，電感和電容的正弦穩(wěn)態(tài)電抗概念在具體深入理解方面存在較大難度。電容電感相關(guān)正弦穩(wěn)態(tài)電抗基礎(chǔ)理念缺少直觀(guān)有效的物理意義支撐，同時(shí)也是產(chǎn)生問(wèn)題的原因之一。于此構(gòu)成反差的是，電容器和電感器基礎(chǔ)屬性、儲(chǔ)能水平以及基礎(chǔ)運(yùn)行方式，電的充放等具有直觀(guān)物理意義。假如可以抓住電容器和電感器充放電和儲(chǔ)能，證明正弦穩(wěn)態(tài)交流電路中，儲(chǔ)能元件的具體表現(xiàn)和性質(zhì)，以及其在動(dòng)態(tài)直流電路內(nèi)的表現(xiàn)和性質(zhì)，擁有較大的相似性，且都是以相同物理現(xiàn)象為基礎(chǔ)，對(duì)于揭露正弦穩(wěn)態(tài)電抗本質(zhì)具有重要作用，能夠幫助學(xué)生充分掌握、接受學(xué)習(xí)正弦穩(wěn)態(tài)電抗。

將正負(fù)交替方波下電流抑制現(xiàn)象，結(jié)合仿真實(shí)驗(yàn)以及數(shù)學(xué)推導(dǎo)，準(zhǔn)確分析電感電流整體表現(xiàn)和周期之間的聯(lián)系。在周期穩(wěn)態(tài)下針對(duì)儲(chǔ)能元件形成感性認(rèn)識(shí)，深入感悟電壓和電流表現(xiàn)以及周期大小之間的關(guān)系。合理選擇軟件實(shí)施仿真實(shí)驗(yàn)，而對(duì)應(yīng)結(jié)論以及過(guò)程按照對(duì)偶原理能夠應(yīng)用到電容器內(nèi)。將正負(fù)交替方波當(dāng)成電路對(duì)應(yīng)激勵(lì)，進(jìn)行系統(tǒng)研究分析，正負(fù)交替的方波與正弦波存在較大的相似處，同時(shí)還和正負(fù)階躍波存在相似直流性質(zhì)，滿(mǎn)足本文立足于直流電對(duì)交流現(xiàn)象進(jìn)行解釋的思路特征。正負(fù)交替方波屬于多樣化頻率正弦波疊加，借助正負(fù)交替方波形成最終結(jié)論，對(duì)正弦波激勵(lì)現(xiàn)象進(jìn)行準(zhǔn)確解釋?zhuān)ＷC基礎(chǔ)邏輯的科學(xué)性與合理性。在正負(fù)交替方波激勵(lì)電壓充放電時(shí)間以及翻轉(zhuǎn)周期出現(xiàn)相對(duì)大小不同條件下，電感電流對(duì)應(yīng)波形特征也會(huì)產(chǎn)生某種變化。假如調(diào)整激勵(lì)電壓周期，則電感電流波形在維持指數(shù)規(guī)律基礎(chǔ)上，相關(guān)峰值會(huì)隨周期擴(kuò)大而擴(kuò)大，隨周期減少而縮小。

(二)繼電保護(hù)分析。電力系統(tǒng)內(nèi)部某個(gè)元件出現(xiàn)異常故障的條件下，可以有選擇地迅速在系統(tǒng)中斷開(kāi)各種異常故障元件，同時(shí)促進(jìn)其他設(shè)備維持正常有序運(yùn)轉(zhuǎn)的裝置便是繼電保護(hù)裝置，比如高頻保護(hù)、零序保護(hù)、距離保護(hù)以及電流保護(hù)等。結(jié)合故障電路中電流突然擴(kuò)大特點(diǎn)形成電流保護(hù)裝置，在線(xiàn)路故障電流到達(dá)保護(hù)整定值的條件下，電流保護(hù)裝置便會(huì)立刻動(dòng)作。而進(jìn)入時(shí)間整定值后，線(xiàn)路斷路器便會(huì)自動(dòng)跳閘[3]。

結(jié)語(yǔ)

綜上所述，電容器和電感器為代表的相關(guān)能量?jī)?chǔ)存元件于正弦穩(wěn)態(tài)條件下所形成的電抗，其本質(zhì)屬于基礎(chǔ)性充放磁、充放電屬性于周期信號(hào)激勵(lì)下電壓變化以及電流抑制的表現(xiàn)，換而言之，電磁充放屬于正弦穩(wěn)態(tài)電抗的物理本質(zhì)。