串联谐振电路实验原理_串联谐振的特点_串联谐振的原理图

　　串联谐振试验装置又叫串联谐振，分为调频式和调感式。一般是由变频电源、励磁变压器、电抗器和电容分压器组成。被试品的电容与电抗器构成串联谐振连接方式；分压器并联在被试品上，用于测量被试品上的谐振电压，并作过压保护信号。

　　在电阻、电感及电容所组成的串联电路内，当容抗XC与感抗XL相等时，即XC=XL，电路中的电压U与电流I的相位相同，电路呈现纯电阻性，这种现象叫串联谐振。当电路发生串联谐振时电路的阻抗Z=√R^2 +（XC-XL）^2=R，电路中总阻抗最小，电流将达到最大值。

　　串联谐振的特点

　　电路呈纯电阻性，端电压和总电流同相，此时阻抗最小，电流最大，在电感和电容上可能产生比电源电压大很多倍的高电压，因此串联谐振也称电压谐振。 在电力工程上，由于串联谐振会出现过电压、大电流，以致损坏电气设备，所以要避免串联谐振。 在电感线圈与电容器并联的电路中，出现并联电路的端电压与电路总电流同相位的现象，叫做并联谐振。 并联谐振电路总阻抗最大，因而电路总电流变得最小，但对每一支路而言，其电流都可能比总电流大得多，因此电流谐振又称电流谐振。 并联谐振不会产生危及设备安全的谐振过电压，但每一支路会产生过电流。

　　串联谐振原理

　　

　　

　　我们已知，在回路频率

　　

　　时，回路产生谐振，此时试品上的电压是励磁变高压端输出电压的Q倍。Q为系统品质因素，即电压谐振倍数，一般为几十到一百以上。先通过调节变频电源的输出频率使回路发生串联谐振，再在回路谐振的条件下调节变频电源输出电压使试品电压达到试验值。由于回路的谐振，变频电源较小的输出电压就可在试品CX上产生较高的试验电压。

　　串联谐振电路的特征图解

　　

　　1.电路阻抗Z最小，且为纯电阻，即Z=R。

　　谐振时谐振时，阻抗的虚部为零值，阻抗角为零。

　　

　　2.电路中的电流I达到最大值（US一定），且与电源电压同相位。

　　电路发生串联谐振时的电流称为谐振电流，用 I0 表示。

　　当电源电压一定时：

　　可根据RLC串联电路的电流是否达到最大来判断电路是否发生了串联谐振。

　　3.L、C上电压大小相等，方向相反，相互抵消。

　　　

　　则：

　　因此串联谐振又称电压谐振。

　　谐振时电感和电容两端的等效阻抗为0，相当于短路。

　　

　　4.电阻上的电压等于电源电压，达到最大值。

　　

　　5.功率问题

　　（1）有功功率为

　　电源发出的功率就是电路电阻消耗的功率，且功率最大。

　　（2）功率因数

　　（3）无功功率为

　　谐振时，电路不从外部吸收无功功率，但电路内部的电感与电容之间周期性地进行磁场能量与电场能量的交换。

　　（4）电路的复功率：

　　6.能量问题

　　电容和电感上的总能量为

　　谐振时，设：

　　则：

　　

　　串联谐振时的电磁场能量

　　

　　

　　

　　谐振时，电感电容储能的总值与品质因数的关系：

　　

　　

　　

　　品质因数Q是反映谐振回路中电磁振荡程度的量。

　　谐振时，电感、电容无功功率与电路有功功率关系：

　　　

　　谐振时，电感或电容中的无功功率与电路有功功率比值即为品质因数。

　　

　　串联谐振试验系统装置工作原理分析

　　1、串联谐振系统介绍

　　串联谐振试验系统装置是利用在工作频率下电抗器的感抗和电缆电容的容抗产生谐振的原理来产生高电压的。典型的串联谐振试验系统的简化线路如图2a所示，可调自耦变压器T1为励磁变压器T2提供一个可变的工作电压，T2供给谐振回路功率，并将试品回路与电源回路隔开，电容器C代表试品电容及其它并联电容，例如电压分压器电容、套管电容等等。电感L代表可变电抗器，其电感量L调节至抵消电容C的容抗时，回路将达到谐振状态。

　　

　　图2b所示的是串联谐振试验系统的等效电路，假定励磁变压器无损耗，它的漏感集中到电抗器L的电感内，系统的总损耗用串联电阻R表示，则可得

　　

　　式中：Uc为电容电压；U为励磁变压器输出电压；XL为电抗器的感抗；Xc为系统容抗；R为系统总损耗。

　　在谐振状态下

　　

　　式中：ω为电源角频率；Q为谐振回路的品质因素。

　　对于高质量电容性负载，典型系统的Q值在50-80之间。在谐振状态下，谐振回路中的电流I与励磁变压器电压U同相。因此输入功率为存有功率P，即cosφ=1，P=UIcosφ=UI。

　　在谐振状态下，电容负载C上的无功功率Wc为

　　Wc=UcI=QUI=QP （3）

　　因此，馈电回路元件，如断路器、调压器、接触器等的额定容量降到了所需无功功率的1/Q，大大降低了对供电系统的要求。

　　2、串联谐振畸变

　　前面已经假定了在稳态条件下输入电压无畸变，电压增益函数，即Uc对U之比可以表示为

　　

　　该函数可以简化成

　　

　　式中：n为输入电源频率的谐波（n》l）。

　　所以，当串联谐振回路在输入电源频率下（n=1）调谐时，会产生产生很大的电压增益，减弱了输人电源频率各次谐波对系统的影响。这种串联谐振回路典型的谐波畸变水平总低于0.5%。

　　3、串联谐振试验系统的暂态计算

　　一个串联谐振回路，由闪络产生的电弧熄灭所引起的输出电压的恢复速率是很慢的，该恢复电压可用下式表示

　　

　　在公式（5）中，时间t是从电弧熄灭瞬间算起，指数ωt/2Q可以用闪络后的周波数N这一变量改写成

　　ωt/2Q=Nπ/Q （6）

　　当Nπ/Q≈3或者当N≈Q时，式（5）给出的电压Uc（t）将恢复到原值的96%，因此，经一次闪络后大约需Q个周波，电源才能将负载电容充电到全电压，通常，试验装置的过载保护在远未达到这个数值之前便已动作了。

　　4、串联谐振试验系统的调谐

　　通过调节电抗器铁芯气隙，使电抗器的电感量连续地从铁芯完全闭合时的最大值改变到铁芯完全打开时的最小值（通常，电抗器能在4%至90%的铁芯气隙范围内进行调谐），当电抗器感抗与回路容抗相等时，系统达到谐振。此时

　　ωL=1/ωC

　　式中：L为电抗器电感；C为负载电容；ω为角频率（ω=2πf，f为输入电源频率）。

　　以上是对串联谐振试验系统装置工作原理的简单分析，武汉鼎升电力自动化有限责任公司是串联谐振试验装置的生产厂家，我公司生产的串联谐振试验装置荣获多项国家技术专利，经各省级计量技术研究院等机构认证。可按客户要求特殊定制10KV、35KV、110KV、220KV、500KV电压等级的串联谐振试验装置。DAXZ串联谐振试验装置适用于大容量，高电压的电容性试品的交接和预防性试验，串联谐振试验系统人机交互界面友好。