電容和電感正弦穩(wěn)態(tài)電抗的研究

武 鵬

神華國神集團(神東電力)郭家灣電廠 陜西 榆林 719000

引言

立足于電感器充放磁鏈以及儲能原理角度出發(fā)，將RL電路當成目標對象，采取一階電路解析方法，在正負交替方波激勵穩(wěn)態(tài)條件下，掌握電感電流被抑制條件下的頻率和強弱關(guān)系，利用仿真實驗進行驗證。針對電感于直流動態(tài)電路暫態(tài)中所體現(xiàn)出來的性質(zhì)和表現(xiàn)，以及其在正弦交流穩(wěn)態(tài)電路中所呈現(xiàn)出來的性質(zhì)和表現(xiàn)，給出以物理本質(zhì)為基礎(chǔ)的儲能、充放電的基礎(chǔ)解釋，幫助深入掌握正弦穩(wěn)態(tài)電抗。

一、電容、電感、電抗相關(guān)理論分析

(一)電容。電容主要是能夠準確表示電容器承載電荷容量的物理量。通常會在電容器兩極板之間電勢差適當增加一伏所需電量，即電容器電容。電容也是對電荷進行容納和釋放的主要電子元器件。電容的基礎(chǔ)運行原理為充放電，電容類型通常是絕緣介質(zhì)以及電極決定的。電容在實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，允許交流順利通過。第二是旁路即去偶，能夠為交流電路內(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，可以幫助交流信號順利通過，順利傳送到下一級電路內(nèi)。第四是濾波，其對于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。第五是溫度補償，主要是對其他元件無法有效適應(yīng)溫度所形成的影響，從而補償優(yōu)化電路運行穩(wěn)定性。第六是計時，電阻器和電容器兩者進行搭配利用，從而明確電路時間常數(shù)。第七是調(diào)諧，主要是針對頻率相關(guān)電路實施系統(tǒng)性調(diào)諧工作，包括電視機、收音機以及手機等。第八是整流，在預(yù)定時間階段對導(dǎo)體元件實施開閉操作。第九是儲能，可以對電能進行合理儲存，同時在需要的條件下將電能全面釋放出來。比如加熱裝置以及相機閃光燈等。電容于電路中針對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，線路并聯(lián)電抗器能夠?qū)€路容性充電電流進行合理補償，有效控制系統(tǒng)電壓升高以及操作電壓的形成，促進線路維持穩(wěn)定運行。站內(nèi)并聯(lián)電抗器能夠吸收無功，減少電壓，屬于無功補償?shù)闹匾侄沃弧Ｄ妇€串聯(lián)電抗器能夠?qū)Χ搪冯娏餍纬珊侠硐拗疲龠M母線維持較高殘壓。至于電容器組串聯(lián)電抗器能夠針對高次諧波進行合理控制，減少電抗。

電路內(nèi)，電流流經(jīng)導(dǎo)體過程中便會形成相應(yīng)的磁場，而電磁場的范圍大小除以電流的數(shù)值所得最終結(jié)果便是電感。電感也是對線圈形成電磁感應(yīng)能力進行準確衡量的物理量，針對某一線圈正常接入電流，則線圈周圍便會形成某種磁場，線圈中會出現(xiàn)磁通量經(jīng)過。隨著線圈連接電源的不斷擴大，則其磁場能力相繼增強，經(jīng)過線圈的磁通量也進一步擴大。相關(guān)實驗證明，線圈中經(jīng)過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)，同時也可以將其稱作為電感。電感的基礎(chǔ)單位是亨，同時還有微亨以及毫亨單位。電感僅能針對非穩(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)過不同電流時所形成的瞬時變化率，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)過非穩(wěn)恒電流過程中所產(chǎn)生的磁場變化，該種磁場同樣還會對電流產(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，便會出現(xiàn)磁場變化，從而對電流產(chǎn)生某種影響，而所有導(dǎo)體都不可避免會產(chǎn)生自感現(xiàn)象。在主板中還能夠發(fā)現(xiàn)較多銅線纏繞而成的線圈，而該種線圈便是電感，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，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，線圈內(nèi)部阻抗進一步擴大。而電路中的電感器普遍是和電容共同工作運行，組成了IC振蕩器、LC濾波器等。除此之外，人們還進一步借助電感特性，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所發(fā)揮出來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、電容對于交流電所形成的阻力，直流電路內(nèi)電容屬于開路狀態(tài)，電感在不結(jié)合線圈電阻進行綜合考慮的條件下，不會對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作為電抗。因為處于電感和電容中，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。而一開始阻抗理念的提出便被確定為傳輸線路內(nèi)外加電容勢趨勢、的電動振勢幅以及電流振幅之比。對于學(xué)習(xí)者來說，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)理念缺少直觀有效的物理意義支撐，同時也是產(chǎn)生問題的原因之一。于此構(gòu)成反差的是，電容器和電感器基礎(chǔ)屬性、儲能水平以及基礎(chǔ)運行方式，電的充放等具有直觀物理意義。假如可以抓住電容器和電感器充放電和儲能，證明正弦穩(wěn)態(tài)交流電路中，儲能元件的具體表現(xiàn)和性質(zhì)，以及其在動態(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。

將正負交替方波下電流抑制現(xiàn)象，結(jié)合仿真實驗以及數(shù)學(xué)推導(dǎo)，準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)下針對儲能元件形成感性認識，深入感悟電壓和電流表現(xiàn)以及周期大小之間的關(guān)系。合理選擇軟件實施仿真實驗，而對應(yīng)結(jié)論以及過程按照對偶原理能夠應(yīng)用到電容器內(nèi)。將正負交替方波當成電路對應(yīng)激勵，進行系統(tǒng)研究分析，正負交替的方波與正弦波存在較大的相似處，同時還和正負階躍波存在相似直流性質(zhì)，滿足本文立足于直流電對交流現(xiàn)象進行解釋的思路特征。正負交替方波屬于多樣化頻率正弦波疊加，借助正負交替方波形成最終結(jié)論，對正弦波激勵現(xiàn)象進行準確解釋，保證基礎(chǔ)邏輯的科學(xué)性與合理性。在正負交替方波激勵電壓充放電時間以及翻轉(zhuǎn)周期出現(xiàn)相對大小不同條件下，電感電流對應(yīng)波形特征也會產(chǎn)生某種變化。假如調(diào)整激勵電壓周期，則電感電流波形在維持指數(shù)規(guī)律基礎(chǔ)上，相關(guān)峰值會隨周期擴大而擴大，隨周期減少而縮小。

(二)繼電保護分析。電力系統(tǒng)內(nèi)部某個元件出現(xiàn)異常故障的條件下，可以有選擇地迅速在系統(tǒng)中斷開各種異常故障元件，同時促進其他設(shè)備維持正常有序運轉(zhuǎn)的裝置便是繼電保護裝置，比如高頻保護、零序保護、距離保護以及電流保護等。結(jié)合故障電路中電流突然擴大特點形成電流保護裝置，在線路故障電流到達保護整定值的條件下，電流保護裝置便會立刻動作。而進入時間整定值后，線路斷路器便會自動跳閘[3]。

結(jié)語

綜上所述，電容器和電感器為代表的相關(guān)能量儲存元件于正弦穩(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激勵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)。