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電子電路與新能源技術(shù)教程

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交流電路中的電感與電容
發(fā)布時(shí)間:2024-04-03 14:55 [ 我要自學(xué)網(wǎng)原創(chuàng) ] 發(fā)布人: 快樂(lè)小女

電感與電容作為儲(chǔ)能元件和動(dòng)態(tài)元件,在工程技術(shù)中的應(yīng)用非常廣泛,如在電子電路中的濾波、諧振,在電力系統(tǒng)中的補(bǔ)償、功率傳輸?shù)取?/span>


電感和電容在直流電路中的特性非常簡(jiǎn)單,簡(jiǎn)單來(lái)說(shuō),忽略電阻的情況下,電感在直流電路中相當(dāng)于短路,而電容在直流電路中相當(dāng)于開(kāi)路,如下圖1-1所示。


1-1

當(dāng)然,實(shí)際上的電感線圈和電容器多多少少都會(huì)有損耗,即存在電阻,例如電動(dòng)機(jī)線圈的電阻有幾歐到幾十歐不等,電容的電阻相對(duì)較小。

總的來(lái)說(shuō),電感和電容在直流電路中的應(yīng)用相對(duì)較少,例如電感線圈可以用于電磁鐵的勵(lì)磁,電容器可以用于隔直或儲(chǔ)能。它們更多的是應(yīng)用于交流電路。

那么,電感和電容在交流電路中又有著怎樣的表現(xiàn)呢?答案就讓我來(lái)給大家揭曉吧!

 

一、正弦交流電路

所謂交流電路,是指電路中的電壓和電流隨時(shí)間作周期性變化的電路,如下圖1-2所示。而上文所提及的交流電路,都是指的正弦交流電路。正弦交流電路的電壓和電流隨時(shí)間做正弦規(guī)律變化。這里的“正弦規(guī)律”可以是正弦函數(shù),也可以是余弦函數(shù),這是因?yàn)檎液瘮?shù)和余弦函數(shù)的變化規(guī)律相同,它們兩者間的區(qū)別僅在于相角差。另外,正弦交流電路也是我們?nèi)粘I罟ぷ髦兴佑|的電路。


1-2

顯然,正弦交流電路中電壓、電流的大小和方向都隨時(shí)間變化,而在電路中,往往需要標(biāo)定兩者的方向,所以這里就涉及到了參考方向和實(shí)際方向的問(wèn)題。如圖1-3所示,假定交流電壓源的電壓參考方向?yàn)樯险仑?fù),電流的參考方向?yàn)閺淖蟮接摇?/span>


1-3

結(jié)合電壓電流波形,當(dāng)電壓、電流波形為正半周時(shí),表明其實(shí)際方向和參考方向一致;當(dāng)波形處于負(fù)半周時(shí),表明電壓和電流實(shí)際方向和參考方向相反,圖1-3中的藍(lán)色圖形為實(shí)際方向,黑色為參考方向。

大概了解正弦交流電路后,我們進(jìn)入這次分享的主要內(nèi)容。

 

二、交流電路中的電感和電容

對(duì)于電阻而言,流過(guò)電阻的電流與電阻兩端的電壓同步變化,所以不管是大小還是方向,都保持一致的趨勢(shì),如圖1-4所示。換言之,其電壓和電流之間之間的區(qū)別僅在于一個(gè)比例系數(shù),這個(gè)比例系數(shù)就是電阻值。


1-4

但電感和電容比較特別,它們兩者的電壓和電流都不是同步變化的,而是有一個(gè)相位差。所謂相位差,可以理解為電壓和電流的變化趨勢(shì)差,例如在電感元件中,當(dāng)電流在計(jì)時(shí)零點(diǎn)的值為零,且隨時(shí)間變大時(shí),電壓在計(jì)時(shí)零點(diǎn)的值卻為最大值,且隨時(shí)間變小,如下圖1-5所示。


1-5

1-5所示的電感電壓電流波形圖,表示了電感的電壓超前電流90°,因?yàn)槠查_(kāi)時(shí)間,僅從波形圖來(lái)看,兩個(gè)波形的零點(diǎn)(都是正斜率或負(fù)斜率)間最小角度為90°。為什么電感的電壓和電流不同步呢?這是因?yàn)殡姼械碾妷汉碗娏鞑皇钦壤P(guān)系,而是成微分關(guān)系,所以不像電阻那樣簡(jiǎn)單。

類似的,電容的電壓和電流也有一個(gè)相位差。但區(qū)別于電感,在電容元件中,當(dāng)電流在計(jì)時(shí)零點(diǎn)的值為零,且隨時(shí)間變大時(shí),電壓在計(jì)時(shí)零點(diǎn)的值卻為最小值(負(fù)值),且隨時(shí)間變大,如下圖1-6所示。


1-6

電容的電壓與電流存在相位差的原因與電感一樣,都是因?yàn)槠潆妷汉碗娏鞑皇钦壤P(guān)系,但電容的電壓與電流成積分關(guān)系,所以電感和電容兩種的電壓電流關(guān)系也有區(qū)別。為了讓大家能夠直觀看出這個(gè)區(qū)別,我們以電感和電容的串并聯(lián)電路為例。

 

1、電感和電容串聯(lián)時(shí)的電壓電流關(guān)系

如圖1-7所示,電感和電容串聯(lián),所以它們流過(guò)同一個(gè)電流。但它們不會(huì)因?yàn)榇?lián)而導(dǎo)致各自電壓電流關(guān)系變化,所以依然是如圖1-5和圖1-6所示的關(guān)系。顯然,基于同一電流的情況下,電感的電壓和電容的電壓處于反相關(guān)系。


1-7

簡(jiǎn)單來(lái)說(shuō),就是在LC串聯(lián)的正弦交流電路中,任一時(shí)刻,電感電壓和電容電壓方向相反,如圖1-8所示。另外,大家可以舉一反三,思考一下,是否存在電感電壓與電容電壓方向相反、大小相等的情況呢?


1-8

顯然是存在的,且當(dāng)電感電壓和電容電壓大小相等、方向相反時(shí),電感電容的串聯(lián)組合對(duì)外就相當(dāng)于短路,因?yàn)槠浣M合兩端的電位相等,大家可以自行賦值舉例進(jìn)行理解。就好比拿兩個(gè)電壓相等的干電池以正極接正極的方式串聯(lián),對(duì)外沒(méi)有電壓。LC串聯(lián)電壓反相,那并聯(lián)會(huì)怎樣呢?我們接著往下看。

 

2、電感和電容并聯(lián)時(shí)的電壓電流關(guān)系

電感和電容并聯(lián),所以它們承受同一個(gè)電壓。同樣的,它們并不會(huì)因?yàn)椴⒙?lián)而導(dǎo)致各自電壓電流關(guān)系變化,所以依然是如圖1-5和圖1-6所示的關(guān)系。顯然,基于同一電壓的情況下,電感的電流和電容的電流處于反相關(guān)系,如圖1-8所示。


1-9

簡(jiǎn)單來(lái)說(shuō),就是在LC并聯(lián)的正弦交流電路中,任一時(shí)刻,電感電流和電容電流方向相反,如圖1-10所示。另外,大家仍然可以舉一反三,思考一下,是否存在電感電流與電容電流方向相反、大小相等的情況呢?


1-10

顯然也是存在的,且當(dāng)電感電流和電容電流大小相等、方向相反時(shí),電感電容的并聯(lián)組合對(duì)外就相當(dāng)于開(kāi)路,因?yàn)樗鼈兊碾娏骱蜑榱,?duì)外沒(méi)有電流。為了便于理解,大家可以自行賦值舉例,在此我就不再過(guò)多闡述。就好比拿兩個(gè)電壓相等的干電池以首尾相連的方式并聯(lián),對(duì)外沒(méi)有電流。

綜上所述,當(dāng)電感和電容串聯(lián)時(shí),兩者電流相等,電壓反相,若電壓大小相等,其串聯(lián)組合就相當(dāng)于短路,這也叫電感和電容的串聯(lián)諧振;當(dāng)電感和電容并聯(lián)時(shí),兩者電壓相等,電流反相,若電流大小相等,其并聯(lián)組合就相當(dāng)于開(kāi)路,這也叫電感和電容的并聯(lián)諧振。關(guān)于諧振的更多內(nèi)容,基于其內(nèi)容較為復(fù)雜,在此我也不再展開(kāi)講解。

至此,這次的分享就到這里,感謝大家的閱讀。

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