电容电感的等效

电容电感的等效（共9篇）

电容电感的等效 篇1

0 引言

目前,变压器保护的主流配置都是以基尔霍夫电流定律为依据的纵联差动保护。由于变压器自身的特点,使用差动保护时如何区分励磁涌流和故障电流是一个固有的、不可回避的问题,多年来一直成为研究的热点。现在实际工程中主要使用基于电流波形特征的二次谐波制动、间断角制动等方法来判别励磁涌流。随着电力系统的复杂性增加,无功补偿用的并联电容器和超高压长输电线分布电容的存在,使得变压器发生内部故障时也会产生很大的二次谐波,而且大型变压器铁芯采用冷轧硅钢片后,励磁涌流的二次谐波含量有时会低至10%以下,这样二次谐波制动比很难选取;而基于间断角原理的励磁涌流识别方案也存在受CT传变影响等问题。实际上,三相变压器励磁涌流波形特征受系统电压、合闸初相角,剩磁大小等诸多因素的影响,因而以波形特征为依据来防止涌流引起误动的措施均难以保证变压器差动保护不误动[1]。

针对上述问题国内外学者进行了深入的研究,涌现出许多判别励磁涌流的新方法。近来,基于等效瞬时电感的方法取得了一定的突破。文献[2-3]提出了等效瞬时电感的概念,根据其涌流时大小交替变化,内部故障时恒定不变的特点来实现励磁涌流和内部故障的判定。文献[4]以非饱和区内等效瞬时电感大小作为依据来区分励磁涌流和短路故障。这两种方法都能避开励磁涌流的干扰,有效实现对变压器的保护,但计算等效瞬时电感时需要利用到变压器原副边电流,而Y/△联接变压器由于环流的影响△侧的相电流一般无法获取。文献[5]提出了一种计算变压器△侧绕组内部环流的方法,该方法在处理环流影响时用到了变压器副边的电压数据。在实际电力系统中,电压互感器一般都装设在母线上,变压器空投时二次侧的电压数据是无法获取的,因而空投变压器时保护会因不能获得所需的数据而无法进行工作。文献[6]在分析变压器△侧三相环流相等的特点基础上,利用任意两相电路方程相减,消去环流,求得励磁电感。此方法主要适用于求取一段时间内变压器励磁电感的变化趋势,而难以准确求取暂态过程中的等效瞬时电感值。而且以上方法都是利用至少一个周波的数据窗来分析等效瞬时电感的变化情况,动作时间一般均超过20 ms,在提高动作速度方面潜力有限[7]。

本文在分析双绕组三相Y/△联接变压器原理的基础上,引入等效瞬时电感的概念,根据正常变压器空投时,变压器铁芯磁通饱和前的等效瞬时电感较大,故障变压器空投时瞬时电感较小的特点,提出了一种基于等效瞬时电感参数辨识的方法来判别变压器空投时是否带有故障。该方法采用变压器空投后5 ms内的原边电压、电流数据进行等效瞬时电感参数辨识,能够实现故障变压器空投时快速的切除。数字仿真与动模试验验证了该保护原理的可行性和有效性。

1 基本原理

文献[2]明确给出了变压器副边空载时的等效瞬时电感概念,即从原边绕组看进去的基于原边电压及原副边差流的瞬时电感,并由定义得出了以下结论:

1)正常变压器等效瞬时电感为瞬时励磁电感与原边漏电感之和。

2)带内部故障变压器的瞬时电感由两部分组成,其一是瞬时励磁电感与故障线圈漏感的并联,其二是原边绕组的漏感,两者之和构成了变压器内部故障时的等效瞬时电感。

根据上述结论可得到单相双绕组变压器的等效瞬时电感分析电路[4],忽略所有支路的电阻。如图1所示。图1中LA1、iA、UA为原边绕组的漏感、电流以及端电压;LA 2、ia为副边折算到原边的漏感和电流;Lm、im为励磁电感与励磁电流;LA3为折算后的短路绕组漏感。

当开关K闭合时,相当于变压器发生匝间短路故障,此时的等效瞬时电感为:

从式(1)可以看出,故障变压器的等效瞬时电感在数量级上与绕组漏感相当。

当开关K断开时,变压器正常运行,此时的等效瞬时式电感为:

空载合闸时,变压器磁通从非饱和到饱和需要经历一段的时间。在这段时间内,正常变压器等效瞬时电感很大,故障变压器等效瞬时电感很小,因而可根据空载合闸后短时间内的等效瞬时电感大小来区分涌流与故障。

2 等效瞬时电感的辨识

若将图1所示的三个单相变压器Y/△-11联接,Y侧用A、B、C表示,△侧用a、b、c表示。当副边空载的时候变压器副边仅有环流流过,且副边三相环流是相等的,用i0表示环流,如图2所示。

当开关K断开时,即正常变压器空载合闸时,由图1以及图2的电压、电流相互之间的关系可以得到以下等式:

将式(3)、(4)结合消去含i0的微分项可得:

根据式(6),利用最小二乘法识别的矩阵为:

其中:

对于式(7),n<3时X的解由通解和特解组成,解的数目为无穷多个;n=3时X有唯一解;n>3时可以利用式(8)求得X在最小二乘意义下的近似解。

稳态运行时,输入的信号过于单一,式(6)待辨识参数的系数矩阵可能因出现不可逆的情况而难以被准确辨识[8],但实际上变压器空载合闸时刻是一个暂态过程,其电压、电流含有丰富的2次、3次、5次等谐波分量和非周期分量,因而此时的参数是具有可辨识性的。值得说明的是,变压器空载合闸时励磁电感进入饱和状态的时间难以确定。特别是速饱和变压器的非饱和时间非常短,如果采样时间过短就有可能因采样数据线性化而使得等效瞬时电感无法辨识,因而可以适当地采用磁通轻微饱和时的数据进行辨识。这样虽然会使等效瞬时电感辨识值略小于实际值,但是不会因数据窗过短而产生辨识结果发散的情况,多次试验的经验表明采用空载合闸后5 ms内的数据进行参数辨识比较合适。

3 保护判据

根据前面分析可知,正常变压器空投时,利用合闸后5 ms的数据得到的等效瞬时电感辨识值等于或略小于等效瞬时电感设定值;故障变压器空投时,故障相的等效瞬时电感辨识值会远远小于等效瞬时电感设定值。令:

定义保护判据为:

式中:Lk为变压器等效电感的辨识值;Lset为变压器等效瞬时电感的设定值,是由变压器铭牌数据计算出的原边漏感与励磁电感之和;kth为保护动作门槛值,根据多次实验经验,kth=0.1~0.2较为合适。

4 仿真验证

利用EMTP建立如图3所示的仿真系统。

三相变压器为Y/△-11联接,由3个单相变压器连接而成。单相变压器额定容量为20 MA,额定电压短路电压百分比为7.2%,空载电流为7.45%,变压器的等效瞬时励磁电感设定值为LA=LB=LC=10.23 H。仿真中的采样频率为10 k Hz。

图4为正常变压器空载合闸时一次侧的三相电流波形,合闸时间为0.01 s。

正常变压器空载合闸时励磁涌流因直流分量的影响而偏向于时间轴的一侧,且有明显的衰减分量[9]。在合闸5 ms内变压器没有明显的涌流特征,这说明这段时间内磁通还未饱和或者饱和程度很轻微,因而这段时间内变压器的等效瞬时电感辨识值应该等于或者略小于设定值Lset。取合闸后5 ms内的电压、电流数据进行参数辨识。

图5为带A相5%匝间故障变压器空载合闸时一次侧的三相电流波形,此时由于变压器A相发生故障出现了很大的故障电流,非故障相B、C将通过三角形绕组向A相输送功率,此时三角形绕组中的环流对故障相而言起励磁作用。也就是说,定义电流流入同名端为正方向时,环流方向与故障相原边电流相同,而与非故障相原边电流相反。因而,变压器原边两个非故障相的电流与故障相电流相反。

与等效瞬时电感设定值相比,正常变压器空投时等效瞬时电感的辨识值要略小,这是因为变压器空投5 ms时励磁电感已出现轻微饱和的情况,因而有部分电压、电流采样数据对应的是变压器磁通轻微饱和励磁电感变小后的情况。由于变压器三相磁通进入饱和区的时间不一定相同,各相励磁电感的饱和程度是有区别的。当带故障变压器空投时,等效瞬时电感值在数量级和变压器漏感相当,其辨识值远小于设定值。按式(10)计算的Kdz值如表1所示,取kth=0.2。

由表1可以看出,文中所提方法能够清晰识别空投变压器1%以上的匝间故障,且故障特征十分清晰。

5 动模试验

本文通过动模试验获得了变压器在各种运行状态下的大量真实数据,用这些数据对上述保护原理及判据进行了验证。动模试验系统接线如图6所示。

试验变压器为三单相变压器组Y/△-11连接。单相变压器参数分别为:额定容量2 k VA,额定电压U1:U2=1 040 V/220 V,空载电流为1.32%,空载损耗为1%;短路电压为13%~20%,短路损耗0.55%~0.6%。测量工具为DF1024便携式录波仪,采样频率50 k Hz。用动模试验数据进行瞬时等效电感辨识后得到的Kdz如表2所示,取kth=0.2。由表2可以看出,正常变压器空投时,其等效瞬时电感辨识值略小于设定值,其原因主要是辨识过程中采用了一定数量的铁心饱和时数据所致。而故障变压器空投时,其等效瞬时电感的数量级降至变压器漏感等级,远远小于设定值,故障特征十分明显。

6 结论

本文提出了一种基于等效瞬时电感辨识的方法来判断空投变压器是否带有故障。该方法只需要变压器空载合闸后一次侧5 ms的电压、电流数据就可辨识出变压器各相的等效瞬时电感,辨识所得的故障变压器等效瞬时电感与正常变压器等效瞬时电感在数值上有很大差异,因而可利用等效瞬时励磁电感的辨识值来判别空投变压器是否带有故障。

试验结果表明,本文所述的原理和算法能够正确地判别空投变压器是否带有故障。虽然电阻的忽略、系统不稳定等因素会使励磁电感的辨识存在一定的偏差,但是故障特征仍然十分明显。该方法原理简单,可靠性高,具有较好的应用前景。

参考文献

[1]王维俭.变压器保护运行不良的反思[J].电力自动化设备,2001,21(10):1-3.WANG Wei-jian.Consideration on the improper operation of the transformer protection[J].Electric Power Automation Equipment,2001,21(10):1-3.

[2]葛宝明,苏鹏声,王祥珩,等.基于瞬时励磁电感频率特性判别变压器励磁涌流[J].电力系统自动化,2002,26(17):35-39.GE Bao-ming,SU Peng-sheng,WANG Xiang-heng,et al.Distinguish inrush currents for transformers using frequency characteristic of instantantaneous excitation inductance[J].Automation of Electric Power Systems,2002,26(17):35-39.

[3]葛宝明,于学海,王祥珩.基于等效瞬时电感判别变压器涌流励磁涌流的新算法[J].电力系统自动化,2004,28(7):44-48.GE Bao-ming,YU Xue-hai,WANG Xiang-heng.A novel equivalent instaneous inductance based algorithm used to distinguish inrush currents for transformer[J].Automation of Electric Power Systems,2004,28(7):44-48.

[4]毕大强,王祥珩,王剑,等.基于非饱和区等效瞬时电感的变压器励磁涌流鉴别方法[J].电力自动化设备,2005,25(10):1-6.BI Da-qiang,WANG Xiang-heng,WANG Jian,et al.Indentification of transformer magnetizing inrush based on equivalent instantaneous inductance in nonsaturation zone[J].Electric Power Automation Equipment,2005,25(10):1-6.

[5]康小宁,何璐,焦在滨,等.基于励磁电感参数辨识的变压器涌流判别方法[J].西安交通大学学报,2007,41(10):1216-1218.KANG Xiao-ning,HE Lu,JIAO Zai-bin,et al.Distinguishing magnetizing inrush based on characteristic of excitation inductance[J].Journal of Xi’an Jiao Tong University,2007,41(10):1216-1218.

[6]索南加乐,焦在滨,宋国兵,等.一种适于Y/△接线变压器的励磁电感计算方法[J].电力系统自动化,2007,31(9):32-36.SUONAN Jia-le,JIAO Zai-bin,SONG Guo-bing,et al.An algorithm to calculate the eExcitation inductance of power transformer with Y-Delta connection[J].Automation of Electric Power Systems,2007,31(9):32-36.

[7]宗洪良,金华烽,朱振飞,等.基于励磁阻抗变化的变压器励磁涌流判别方法[J].中国电机工程学报,2001,21(7):91-94.ZONG Hong-liang,JIN Hua-feng,ZHU Zhen-fei,et al.Transformer inrush detected by the variation of magnetizing impedance[J].Proceedings of the CSEE,2001,21(7):91-94.

[8]杨浩,曾鑫,罗建.基于约束最小二乘法的变压器三相漏感辨识算法[J].电力系统自化,2009,33(13):68-72.YANG Hao,ZENG Xin,LUO Jian.A three-phase transformer leakage inductances parameter identification algorithm based on the constrained least squares method[J].Automation of Electric Power Systems,2009,33(13):68-72.

[9]王雪,王增平.变压器内部故障仿真模型的设计[J].电网技术,2004,28(12):50-52.WANG Xue,WANG Zeng-ping.Study of simulation of transformer with internal faults[J].Power System Technology,2004,28(12):50-52.

电容电感的等效 篇2

电源滤波时，采用大小电容相并联的电路，104即0.1uF L、运放的多级交流放大电路如何选用电容耦合？

其实很间单，一般瓷片电容就可搞定。要效果好的话可选用钽电容。按照你输入信号的频率范围高频的可选用103,104容值的电容，对于较低频率的交流信号可选用22uF左右的电解电容。

T、旁路电容和滤波电容，去耦电容分别怎么用?，可以举一些实例说明

答：这三种叫法的电容，其实都是滤波的，只是应用在不同的电路中，叫法和用法不一样。

滤波电容，这是我们通常用在电源整流以后的电容，它是把整流电路交流整流成脉动直流，通过充放电加以平滑的电容，这种电容一般都是电解电容，而且容量较大，在微法级。

旁路电容，是把输入信号中的高频成份加以滤除，主要是用于滤除高频杂波的，通常用瓷质电容、涤纶电容，容量较小，在皮法级。

去耦电容，是把输出信号的干扰作为滤除对象，去耦电容相当于电池，利用其充放电，使得放大后的信号不会因电流的突变而受干扰。它的容量根据信号的频率、抑制波纹程度而定。

电容在电路中各种作用汇总

A、电压源正负端接了一个电容(与电路并联)，用于整流电路时，具有很好的滤波作用，当电压交变时，由于电容的充电作用，两端的电压不能突变，就保证了电压的平稳。

当用于电池电源时，具有交流通路的作用，这样就等于把电池的交流信号短路，避免了由于电池电压下降，电池内阻变大，电路产生寄生震荡。

B、比如说什么样的电路中 串或者并个电容可以达到耦合的作用,不放电容和放电容有什么区别？

在交流多级放大电路中,因个级增益及功率不同.各级的直流工作偏值就不同!若级间直接藕合则会使各级工作偏值通混无法正常工作!利用电容的通交隔直特性既解决了级间交流的藕合,又隔绝了级间偏值通混,一举两得!C、基本放大电路中的两个耦合电容，电容+极和直流+极相接，起到通交隔直的作用，接反的话会怎么样，会不会也起到通交隔直的作用，为什么要那接呀！

接反的话电解电容会漏电，改变了电路的直流工作点，使放大电路异常或不能工作 D、阻容耦合放大电路中，电容的作用是什么？？

隔离直流信号，使得相邻放大电路的静态工作点相互独立，互不影响。

E、模拟电路放大器不用耦合电容行么，照样可以放大啊? 书上放大器在变压器副线圈和三极管之间加个耦合电容，解释是通交流阻直流，将前一级输出变成下一级输入，使前后级不影响，前一级是交流电，后一级也是交流电，怎么会相互影响啊，我实在想不通加个电容不是多此一举啊 你犯了个错误。前一级确实是交流电，但后一级是交流叠加直流。三极管是需要直流偏置的。如果没有电容隔直，则变压器的线圈会把三极管的直流偏置给旁路掉（因为电感是通直流的）F、基本放大电路耦合电容，其中耦合电容可以用无极性的吗

在基本放大电路中，耦合电容要视频率而定，当频率较高时，需用无极电容，特点是比较稳定，耐压可以做得比较高，体积相对小，但容量做不大。其最大的用途是可以通过交流电，隔断直流电，广泛用于高频交流通路、旁路、谐振等电路。（简单理解为高频通路）

当频率较低时，无极电容因为容量较低，容抗相对增大，就要用有极性的电解电容了，由于其内部加有电解液，可以把容量做得很大，让低频交流电通过，隔断直流电。但由于内部两极中间是有机介质的，所以耐压受限，多用于低频交流通路、滤波、退耦、旁路等电路。（简单理解为低频通路）

G、请电路高手告知耦合电容起什么作用

在放大电路中,利用耦合电容通交隔直的作用,使高频交流信号可以顺利通过电路,被一级一级地放大,而直流量被阻断在每一级的内部.H、请问用电池供电的电路中,电容为什么会充放电,起到延时的作用? 电容是聚集电荷的，你可把它想象成个水杯，充放电就是充放水。在充电过程中，电压是慢慢的上升的，放电反之。你只需检测电容两端电压就能实现延时。如充电，开始时，电容两端电压为零，随着充电时间延长，电压逐渐上升到你设定的电压就能控制电路的开关。当然，也可反过来利用放电。延时时间与电容容量、电容漏电，充电电阻，及电压有关，有时还要把负载电阻考虑进去。

I、阻容耦合，是利用电容的通交隔直特性，防止前、后级之间的直流成分引起串扰，造成工作点的不稳定。

J、阻容耦合放大电路只能放大交流信号，不能放大直流信号,对还是错

对.电容是一种隔直流阻交流的电子元件.所以阻容耦合放大电路只能放大交流信号.放大直流信号用直接耦合放大电路.K、放大电路中耦合电容和旁路电容如何判别? 耦合电容负极不接地，而是接下一级的输入端，旁路电容负极接地。L、运放的多级交流放大电路如何选用电容耦合？

其实很间单，一般瓷片电容就可搞定。要效果好的话可选用钽电容。按照你输入信号的频率范围高频的可选用103,104容值的电容，对于较低频率的交流信号可选用22uF左右的电解电容。

M、放大电路采用直接耦合，反馈网络为纯电阻网络，为什么电路只可能产生高频振荡？ 振荡来源于闭环的相移达到180度并且此时的环路增益是大于零的。采用纯电阻网络作为反馈网络是一定不会引入相移的，所以呢全部的相移是来自于放大器的开环电路。采用直接耦合的开环放大器在级之间是不会有电容元件引起相移的，那么能够引起相移的便是晶体管或MOS管内部的电容，这些电容都是fF，最大pF级的电容，这些电容与电路等效电阻构成的电路的谐振频率是相当高的。所以放大器采用直接耦合，反馈网络为纯阻网络只可能产生高频振荡。

N、阻容耦合放大电路的频带宽度是指（上限截至频率与下限截至频率之差）阻容耦合放大电路的上限截止频率是指（随着频率升高使放大倍数下降到原来的0.707倍，即-3dB时的频率）阻容耦合放大电路的下限截止频率是指（随着频率降低使放大倍数下降到原来的0.707倍，即-3dB时的频率）。阻容耦合放大电路的上限截止频率主要受(晶体管结电容，电路的分布电容)的影响，阻容耦合放大电路的下限截止频率主要受(隔直电容与旁路)电容的影响 O、运放的多级交流放大电路如何选用电容耦合？

其实很间单，一般瓷片电容就可搞定！要效果好的话可选用钽电容。按照你输入信号的频率范围高频的可选用103,104容值的电容，对于较低频率的交流信号可选用22uF左右的电解电容。

P、在多级放大电路里面电解电容是怎么耦合到下一级的呢 在电容里面的特性不是隔直的吗，它是怎么传送过去的呢。还有为电容要通过三极管的集电极来接呢，发射机为什么不可以呢？电解电容都是在交流放大器里面工作，而交流的电流方向呈周期性变化，三极管能正常导通吗。还有NPN型的三极管的集电极不是从C到B的吗,那它的电流是怎么通过流到下一级的三极管的基极的呢

用电解电容做耦合的放大器，都是交流放大器。电解电容在这里作“通交隔直”用。由三极管的哪个极输出，是电路形式的问题，两者都有。

Q、1.怎样估算第一级放大器的输出电阻和第二级放大器的输入电阻，2当信号源的幅度过大，在两级放大器的输出端分别会出现什么情况 3.用手在放大器的输入端晃动，观察放大器的输出端，看是否出现了什么？原因是什么？

1.第二级放大器的输入电阻就是第一级放大器的输出电阻。2 失真。杂波，人体感应

R、电容可以起到耦合作用？比如说什么样的电路中 串或者并个电容可以达到耦合的作用,不放电容和放电容有什么区别？

在交流多级放大电路中,因个级增益及功率不同.各级的直流工作偏值就不同!若级间直接藕合则会使各级工作偏值通混无法正常工作!利用电容的通交隔直特性既解决了级间交流的藕合,又隔绝了级间偏值通混,一举两得!S、怎么利用电容的充放电，理解滤波，去耦，旁路.....电容就是充放电。那怎么利用电容的充放电，去理解滤波，去耦，旁路.....答:电容隔直流通交流，隔直流好理解，通交流不好理解，只要理解了通交流就理解了滤波、去耦和旁路。

电容就是充放电，不错。但交流电的方向，正反向交替变化。振幅的大小也做周期性变化。整个变化的图像就是一条正弦曲线。

电容器接在交流电路中，由于交流电压的周期性变化，它也在周期性的充放电变化。线路中存在充放电电流，这种充放电电流，除相位比电压超前90度外，形状完全和电压一样，这就相当于交流通过了电容器。

和交流电通过电阻是不同，交流电通过电阻，要在电阻上消耗电能（发热）。而通过电容器只是与电源做能量交换，充电时电源将能量送给电容器，放电时电容器又将电能返还给电源，所以这里的电压乘电流所产生的功率叫无功功率。

需要明确的是，电容器接在交流电路中，流动的电子（电流）并没有真正的冲过绝缘层，却在电路中产生了电流。这是因为在线路中，反向放电和正向充电是同一个方向，而正向放电和反向充电是同一个方向，就象接力赛跑，一个团队跑完交流电的正半周，另一个团队接过接力棒继续跑完交流电的负半周。

理解了电容器通交流，那么，交流成份旁路到地，完成滤波也就可以理解了。T、旁路电容和滤波电容，去耦电容分别怎么用?，可以举一些实例说明

答：这三种叫法的电容，其实都是滤波的，只是应用在不同的电路中，叫法和用法不一样。

滤波电容，这是我们通常用在电源整流以后的电容，它是把整流电路交流整流成脉动直流，通过充放电加以平滑的电容，这种电容一般都是电解电容，而且容量较大，在微法级。

旁路电容，是把输入信号中的高频成份加以滤除，主要是用于滤除高频杂波的，通常用瓷质电容、涤纶电容，容量较小，在皮法级。

去耦电容，是把输出信号的干扰作为滤除对象，去耦电容相当于电池，利用其充放电，使得放大后的信号不会因电流的突变而受干扰。它的容量根据信号的频率、抑制波纹程度而定。

U、什么是耦合电容,去耦电容,有什么特点和作用

耦合电容是传递交流信号的，接在线路中。去耦电容是将无用交流信号去除的，一段接在线路中、一端接地。

V、关于电容有几作用,在什么情况才电容耦合,在什么情况才电容滤波? 答：电容器在电路里的十八般武艺归根到底就是两个!充电荷!放电荷。

其特性就是通交流!隔直流!电容两端加上交变电压后会随电流交变频率而不断的充放电!此时电路里就有同频率的交变电流通过!这就是电容的通交特性!在频率合适的情况下电容对电路可视为通路!前级交流输出经电容就可传至后级电路!

而对直流来说它却是隔绝的!因为两端电压充至与电路电压相等时就不会再有充电电流了。作用于前后级交流信号的传递时就是藕合!作用于滤除波动成份及无用交流成分时就是滤波!W、大家都知道，整流电路的电容滤波是利用其充放电；但是有时候滤波是利用电容对不通频率信号的容抗不同，比如旁路电容。所以分析电容滤波时到底用哪个角度分析啊？ 其实不论是哪种说法都是一个道理，利用充放电的理论较笼统一些，利用容抗的的理论则更深入一些，电容的作用就是利用了其充放电的特性，看你想滤除什么成份，滤低频用大电容，滤高频用小电容，在理论上低频整流电路中的滤波和高频中的旁路是相同的都是利用了容抗的不同。

X、电容如何实现充放电、整流、滤波的功能

电容的充电，放电，整流和滤波甚至包括它的移相，电抗等功能，都 是电容的存储功能在起作用。电容之所以能够存储电荷，是利用了正负电荷之间有较强的互相吸引的特性来实现的。在给电容充电时，人们通过电源将正电荷引入正极板，负电荷引入到电容的负极板。但是正负电荷又到不了一起这是因为有一层绝缘模阻隔着它们。隔模越大越薄引力也就越大。存储的电荷也就越多。正负电荷在十个极板间是吸引住了但是如果你给它提供一个外电路它们就会能过这个外电路互相结合，也就是放电。它们毕竟是一高一低麻。形像来说电容就像一个储水池。它可以形像地说明它的整流波波的作用。

Y、滤波电容 充电 满了之后然后对后面回路放电然后在充放循环？稳压二极管是击穿稳压还是不击穿稳压

其实你说的很对，它在电路中就是这么一个工作的过程，但是他跟信号的频率有关系，首先看你要把电容放在电路中用着什么，当用作滤波时，它把一定频率信号滤除到地，如芯片电源前端的电容，有的则是去耦，你说的现象就像稳压关前的滤波电容和开关电源输出的滤波电容，关于稳压管我给你举个例子吧，假如有个5V的稳压管，当电压小与5V，电压就等与它本身的电压，当电压高于5V,稳压管就把电压稳到5V，多余的电压把稳压关击穿通道第上去了

Z、电容的耦合是什么具体意思啊？它和滤波有什么区别吗？ 耦合指信号由第一级向第二级传递的过程，一般不加注明时往往是指交流耦合。退耦是指 对电源采取进一步的滤波措施，去除两级间信号通过电源互相干扰的影响。耦合常数是指 耦合电容值与第二级输入阻抗值乘积对应的时间常数。

退耦有三个目的：1.将电源中的高频纹波去除，将多级放大器的高频信号通过电源相互串 扰的通路切断；2.大信号工作时，电路对电源需求加大，引起电源波动，通过退耦降低大 信号时电源波动对输入级/高电压增益级的影响；3.形成悬浮地或是悬浮电源，在复杂的系 统中完成各部分地线或是电源的协调匹

有源器件在开关时产生的高频开关噪声将沿着电源线传播。去耦电容的主要功能就是提供一个局部的直流电源给有源器件，以减少开关噪声在板上的传播和将噪声引导到地。

Aa、电容的作用是什么？我只知道滤波，就是滤除交流信号，不只是滤波，全部给你吧：

1.电容器主要用于交流电路及脉冲电路中，在直流电路中电容器一般起隔断直流的作用。2.电容既不产生也不消耗能量，是储能元件。

3.电容器在电力系统中是提高功率因数的重要器件；在电子电路中是获得振荡、滤波、相移、旁路、耦合等作用的主要元件。

4.因为在工业上使用的负载主要是电动机感性负载,所以要并电容这容性负载才能使电网平衡.5.在接地线上,为什么有的也要通过电容后再接地咧? 答：在直流电路中是抗干扰，把干扰脉冲通过电容接地（在这次要作用是隔直——电路中的电位关系）；交流电路中也有这样通过电容接地的，一般容量较小，也是抗干扰和电位隔离作用.6.电容补尝功率因数是怎么回事? 答：因为在电容上建立电压首先需要有个充电过程，随着充电过程，电容上的电压逐步提高，这样就会先有电流，后建立电压的过程，通常我们叫电流超前电压90 度（电容电流回路中无电阻和电感元件时，叫纯电容电路）。电动机、变压器等有线圈的电感电路，因通过电感的电流不能突变的原因，它与电容正好相反，需要先在线圈两端建立电压，后才有电流（电感电流回路中无电阻和电容时，叫纯电感电路），纯电感电路的电流滞后电压90度。由于功率是电压乘以电流，当电压与电流不同时产生时（如：当电容器上的电压最大时，电已充满，电流为0；电感上先有电压时，电感电流也为0），这样，得到的乘积（功率）也为0！这就是无功。那么，电容的电压与电流之间的关系正好与电感的电压与电流的关系相反，就用电容来补偿电感产生的无功，这就是无功补偿的原理。

Ab、电容器在电路中是如何起到滤波作用的？电容是开路的，交流电通过时是在给电容充电吗？电容是并联还是串联？

电容器的容抗随着两端加的交流电的频率不同而改变，Z=1/2*3.14*FC。根据需要滤除哪个频率的电流，设置不同的容值。这样就可以把不需要的电流引到地，就完成了滤波。而对需要的频率的电流，电容是通路的或阻抗很小。交流电通过时，是反复充电和放电的过程。Ac、退偶电容，滤波电容，旁路电容，三者都有什么作用，它们之间的区别和联系是什么？ 例如，晶体管放大器发射极有一个自给偏压电阻，它同时又使信号产生压降反馈到输入端形成了输入输出信号耦合，这个电阻就是产生了耦合的元件，如果在这个电阻两端并联一个电容，由于适当容量的电容器对交流信号较小的阻抗（这需要计算）这样就减小了电阻产生的耦合效应，故称此电容为去耦电容。

旁路电容不是理论概念，而是一个经常使用的实用方法，在50--60年代，这个词也就有它特有的含义，现在已不多用。电子管或者晶体管是需要偏置的，就是决定工作点的直流供电条件。例如电子管的栅极相对于阴极往往要求加有负压，为了在一个直流电源下工作，就在阴极对地串接一个电阻，利用板流形成阴极的对地正电位，而栅极直流接地，这种偏置技术叫做“自偏”，但是对（交流）信号而言，这同时又是一个负反馈，为了消除这个影响，就在这个电阻上并联一个足够大的点容，这就叫旁路电容。后来也有的资料把它引申使用于类似情况。

滤波电容就更好理解了，电容有通交流阻直流的功效，滤波就是我可以通过选择不同的滤波电容，把一定频率的交流信号滤掉，留下想要的频率信号 Ad、请问耦合电容就是去耦电容么

完全不同，耦合电容是信号传递，去耦电容是减少干扰。Ae、电容去耦的原理是什么

直流电路窜入交流信号或交流放大电路的自激回授,都会产生不良后果!为了阻止该交流成份逐级藕合放大,在级间设置电容使之回流入地!该电容就是退藕电容!Af、耦合和去耦有什么区别，耦合电容和去耦电容的作用分别是什么，在电路中如何放置，有什么原则？

藕合电容的做用是将前级的交流信号输送到下一级!藕合电容的位置是跨接在前级的输出和后级的输入两端!退藕电容的做用是将放大器级间窜藕的无益交流信号短路入地!退藕电容的位置是在某输入级的对地间!Ag、如何区分电子电路中的电容是滤波电容还是旁路电容啊？

滤波电容在电源电路中；旁路电容在信号电路中；其实作用是基本一样的，滤波电容：将脉动的电流成份旁路或称滤除掉并起充放电作用。旁路电容：将电路中的高频或低频成份滤除或旁路掉。

Ah、请问有那位高手知道去耦电容和旁路电容的区别啊？谢谢

旁路电容不是理论概念，而是一个经常使用的实用方法，电子管或者晶体管是需要偏置的，就是决定工作点的直流供电条件。例如电子管的栅极相对于阴极往往要求加有负压，为了在一个直流电源下工作，就在阴极对地串接一个电阻，利用板流形成阴极的对地正电位，而栅极直流接地，这种偏置技术叫做“自偏”，但是对（交流）信号而言，这同时又是一个负反馈，为了消除这个影响，就在这个电阻上并联一个足够大的点容，这就叫旁路电容。

去耦电容在集成电路电源和地之间的有两个作用：一方面是本集成电路的蓄能电容，另一方面旁路掉该器件的高频噪声。数字电路中典型的去耦电容值是0.1μF。这个电容的分布电感的典型值是5μH。0.1μF的去耦电容有5μH的分布电感，它的并行共振频率大约在7MHz左右，也就是说，对于10MHz以下的噪声有较好的去耦效果，对40MHz以上的噪声几乎不起作用。1μF、10μF的电容，并行共振频率在20MHz以上，去除高频噪声的效果要好一些。每10片左右集成电路要加一片充放电电容，或1个蓄能电容，可选10μF左右。最好不用电解电容，电解电容是两层薄膜卷起来的，这种卷起来的结构在高频时表现为电感。要使用钽电容或聚碳酸酯电容。去耦电容的选用并不严格，可按C=1/F，即10MHz取0.1μF，100MHz取0.01μF。

一般来说，容量为uf级的电容，象电解电容或钽电容，他的电感较大，谐振频率较小，对低频信号通过较好，而对高频信号，表现出较强的电感性，阻抗较大，同时，大电容还可以起到局部电荷池的作用，可以减少局部的干扰通过电源耦合出去；容量为0.001~0.1uf的电容，一般为陶瓷电容或云母电容，电感小，谐振频率高，对高频信号的阻抗较小，可以为高频干扰信号提供一条旁路，减少外界对该局部的耦合干扰

旁路是把前级或电源携带的高频杂波或信号滤除；去藕是为保正输出端的稳定输出（主要是针对器件的工作）而设的“小水塘”，在其他大电流工作时保证电源的波动范围不会影响该电路的工作；补充一点就是所谓的藕合：是在前后级间传递信号而不互相影响各级静态工作点的元件

有源器件在开关时产生的高频开关噪声将沿着电源线传播。去耦电容的主要功能就是提供一个局部的直流电源给有源器件，以减少开关噪声在板上的传播和将噪声引导到地。

从电路来说，总是存在驱动的源和被驱动的负载。如果负载电容比较大，驱动电路要把电容充电、放电，才能完成信号的跳变，在上升沿比较陡峭的时候，电流比较大，这样驱动的电流就会吸收很大的电源电流，由于电路中的电感，电阻（特别是芯片管脚上的电感，会产生反弹），这种电流相对于正常情况来说实际上就是一种噪声，会影响前级的正常工作。这就是耦合。

去耦电容就是起到一个电池的作用，满足驱动电路电流的变化，避免相互间的耦合干扰。

旁路电容实际也是去耦合的，只是旁路电容一般是指高频旁路，也就是给高频的开关噪声提高一条低阻抗泄防途径。高频旁路电容一般比较小，根据谐振频率一般是0.1u，0.01u等，而去耦合电容一般比较大，是10u或者更大，依据电路中分布参数，以及驱动电流的变化大小来确定。

Ai、如何区分电子电路中的电容是滤波电容还是旁路电容啊？

滤波电容在电源电路中；旁路电容在信号电路中；其实作用是基本一样的，滤波电容：将脉动的电流成份旁路或称滤除掉并起充放电作用。旁路电容：将电路中的高频或低频成份滤除或旁路掉。

Aj、高手请讲::二极管,三极管,电容.在电路中怎样起作用? 1.二极管起单向导电作用。

2.三极管在模拟电路中起放大作用，在数字电路中起开关作用。

3.电容总体来说起通交流隔直流作用，如滤波电容、耦合电容等等，根本宗旨就是“通交隔直”。

Ak、虑波电容在电路上起什么作用？

低频滤波电容主要用于市电滤波或变压器整流后的滤波，其工作频率与市电一致为50Hz；而高频滤波电容主要工作在开关电源整流后的滤波，其工作频率为几千Hz到几万Hz。当我们将低频滤波电容用于高频电路时，由于低频滤波电容高频特性不好，它在高频充放电时内阻较大，等效电感较高。因此在使用中会因电解液的频繁极化而产生较大的热量。而较高的温度将使电容内部的电解液气化，电容内压力升高，最终导致电容的鼓包和爆裂。

Al、电阻:具有上下拉电压的作用。电容:具有滤波整流与储能作用.二极管:具有稳压与单

电容电感的等效 篇3

关键词：涡流,线圈,电感

1 引言

基于涡流的磁浮系统在铁路道岔转辙、克服静摩擦力等领域有着广阔的应用前景[1~3], 具有重要的研究意义。为研究该新颖的悬浮方式在道岔转辙工程中的应用, 通过多次实验, 制作了一套实验装置。其实验装置原理图如图1所示。电源为50Hz、220V的交流电源;自耦变压器用于调节激励电流;线圈及铝板为系统关键部分, 线圈同时亦为负重物。扁平线圈平放在铝板上, 当线圈中的正弦交变电流增大到某一值, 线圈便被浮起, 继续增大电流, 悬浮高度增加。

2 理想情况分析

理想情况是指:扁平线圈下方的完纯导电平面应无限大, 线圈由理想导体绕制而成, 扁平线圈平均半径a及悬浮高度ξ远大于导体半径R。实际装置取了多个近似。

先考察理想情况下半径为a1的单匝线圈。线圈可看作由无数段直导体构成, 由镜像法[4,5], 可得线圈的电感为:

ξ远大于导体半径R, 上式可简写为

由于扁平线圈从内径到外径变化很大, 可将线圈等效为平均半径为a的N匝线圈, 则其电感量为单匝线圈电感量的N2倍, 该电感记为LN, 则:

3 等效电感确定方法

此实验中, 线圈由聚氯乙烯绝缘聚氯乙烯护套电线自行绕制。实验中所用各设备参数如下:铝芯聚氯乙烯绝缘电线[6]:B L V型, 4 5 0/7 5 0 V, 1×6 mm 2, 绝缘皮厚度0.8mm;线圈:匝数200匝, 内半径2.5cm, 外半径9.6cm, 厚5.0cm, 重量2.1kg, 用数字万用表测得线圈常温下直流电阻0.9欧。表1是实验测量取得的原始数据, 其中, U是加在线圈上的电压, I是实测到的通入线圈的电流。

由于线圈由铝芯聚氯乙烯绝缘电线绕制而成, 其平整性、紧固程度不一致, 电感计算受绝缘皮、绕制状况等诸多因素的影响, 计算极其困难。这里在处理计算时, 从作用效果上将实际线圈等效为重量不变、线芯直径不变 (约2.5 m m) 、线圈平均半径为a (a远大于导线半径) 的N匝理想铝导体线圈。下面将从磁能量的角度, 对线圈等效电感进行分析计算。

在50Hz交变磁场激励下, 铝板仍可近似看做完纯导体, 系统电感L (ξ) 是悬浮高度ξ的函数, 可近似认为系统电感与线圈电感相等, 即L (ξ) =LN。因对不同悬浮高度下所作的等效线圈, 其平均半径a并不一定相同, 且不能确定a究竟为多少, 选择给出一般化的描述, 这里ai是悬浮高度为ξi时所作等效线圈的平均半径。实际上, L0是ξ和温度t的函数, 考虑到温度t对L0的影响并不大, 故只考虑L0与ξ的关系, 并将在后文根据不同悬浮高度下的等效线圈对L0作数值量化, 结合 (3) 式得:

式中的R为导线半径。

将铝板和载流线圈组合看成一个磁系统, 则其磁场能量为:

取线圈与铝板之间的相对位移即悬浮高度ξ为广义坐标, 则按虚位移法可求得作用于该系统的电动推斥力f[4,5]:

结合 (7) 式分析可知, 在通入相同大小电流的情况下, 等效系统与实际系统具有相同的线圈悬浮高度。下面根据 (7) 式, 代入测量数据可以得到L0与悬浮高度ξ的关系, 见表2。

考虑到L0的物理意义, 选择自然对数曲线为原型对数据进行曲线拟合, 在Matlab中的拟合曲线如图2。

图中, 横坐标点为, 纵坐标为L0, 表中点为 (ξ, L0) 数据, 终拟合曲线为:

(m H, ξ代入单位为厘米的数值进行计算) (8)

有了此量化表达式 (8) , 将其代入 (7) 式, 即可得到电流I的值。即可以估算使得线圈能够起浮的浮升电流和达到某一给定悬浮高度所需要的电流值, 其计算结果与实际情况的误差较小。

4 结束语

从以上分析, 量化L0后, 即可对线圈等效电感及系统电感、系统能量、线圈浮升电流以及给定高度下对应的激磁电流进行较准确的预测和估计。此等效方法亦可推广到其它复杂线圈能量系统, 对复杂线圈能量系统的分析处理具有参考意义。

参考文献

[1]吴祥明.磁浮列车[M].上海:上海科技出版社.2003.

[2]彭显付, 叶云岳, 林国斌.低速磁浮列车悬浮系统的电磁分析与应用设计[J].机电工程.2006, 23 (2) :35-38

[3]屠旭永.磁浮列车悬浮系统建模及悬浮控制策略的研究[D].浙江大学.2006

[4]冯慈璋.电磁场[M].北京:高等教育出版社.2001

[5]傅君眉, 冯恩信.高等电磁理论[M].西安:西安交通大学出版社.2000

电容电感的等效 篇4

知识改变命运，学习成就未来

演示甲图，电键分别接到交、直流电源上，引导学生观察两次灯的亮度（灯的亮度相同。说明电阻对交流和直流的阻碍作用相同。）

演示乙图，电键分别接到交、直流电源上，引导学生观察两次灯的亮度（电键接到直流上，亮度不变；接到交流上时，灯泡亮度变暗。说明线圈对直流电和交变电流的阻碍作用不同。）

线圈对直流电的阻碍作用只是电阻；而对交变电流的阻碍作用除了电阻之外，还有电感。问题1：为什么会产生这种现象呢？

答：由电磁感应的知识可知，当线圈中通过交变电流时，产生自感电动势，阻碍电流的变化。问题2：电感对交变电流阻碍作用的大小，用感抗来表示。感抗的大小与哪些因素有关？请同学们阅读教材后回答。

答：感抗决定于线圈的自感系数和交变电流的频率。线圈的自感系数越大，自感作用就越大，感抗就越大；交变电流的频率越高，电流变化越快，自感作用越大，感抗越大。

线圈在电子技术中有广泛应用，有两种扼流圈就是利用电感对交变电流的阻碍作用制成的。出示扼流圈，并介绍其构造和作用。（1）低频扼流圈

构造：线圈绕在闭合铁芯上，匝数多，自感系数很大。

作用：对低频交变电流有很大的阻碍作用。即“通直流、阻交流”。（2）高频扼流圈

构造：线圈绕在铁氧体芯上，线圈匝数少，自感系数小。

作用：对低频交变电流阻碍小，对高频交变电流阻碍大。即“通低频、阻高频”。

2、交变电流能够通过电容器

演示：电容对交、直流的影响。实验电路如图所示：

开关S分别接到直流电源和交变电流源上，观察现象（接通直流电源，灯泡不亮；接通交变电流源，灯泡亮了说明了直流电不能够通过电容器，交变电流能够“通过”电容器。）

电容器的两极板间是绝缘介质，为什么交变电流能够通过呢？用CAI课件展示电容器接欢迎各位老师踊跃投稿，稿酬丰厚 邮箱：zxjkw@163.com

知识改变命运，学习成就未来

到交变电流源上，充、放电的动态过程。强调自由电荷并没有通过电容器两极板间的绝缘介质，只是当电源电压升高时电容器充电，电荷向电容器的极板上集聚，形成充电电流；当电源电压降低时电容器放电，电荷从电容器的极板上放出，形成放电电流。电容器交替进行充电和放电，电路中就有了电流，表现为交流通过了电容器。

3、电容器对交变电流的阻碍作用

演示：电容器对交变电流的影响：将刚才实验电路中“1000 μF，15 V”的电容器去掉，观察灯泡的亮度，说明了什么道理？

答：灯泡的亮度变亮了。说明电容器对交变电流也有阻碍作用。（的确是这样。物理上用容抗来表示电容器对交变电流阻碍作用的大小。）

问题2：容抗跟哪些因素有关呢？请同学们阅读教材后回答。

答：容抗决定于电容器电容的大小和交变电流的频率。电容越大，在同样电压下电容器容纳电荷越多，因此充放电的电流越大，容抗就越小；交变电流的频率越高，充放电进行得越快，充放电电流越大，容抗越小。即电容器的电容越大，交变电流频率越高，容抗越小。

电容器具有“通交流、隔直流”“通高频、阻低频”的特点。

4、课堂总结、点评

本节课主要学习了以下几个问题：

1、由于电感线圈中通过交变电流时产生自感电动势，阻碍电流变化，对交变电流有阻碍作用。电感对交变电流阻碍作用大小用感抗来表示。线圈自感系数越大，交变电流的频率越高，感抗越大，即线圈有“通直流、阻交流”或“通低频，阻高频”特征。

2、交变电流“通过”电容器过程，就是电容器充放电过程。由于电容器极板上积累电荷反抗自由电荷做定向移动，电容器对交变电流有阻碍作用。用容抗表示阻碍作用的大小。电容器的电容越大，交流的频率越高，容抗越小。故电容器在电路中有“通交流、隔直流”或“通高频、阻低频”特征。

5、实例探究

电感对交变电流的影响

【例1】如图所示电路中，L为电感线圈，R为灯泡，电流表内

RAVL阻为零。电压表内阻无限大，交流电源的电压u=2202sin10

uπt V。若保持电压的有效值不变，只将电源频率改为25Hz，下列说法中正确的是（）

欢迎各位老师踊跃投稿，稿酬丰厚 邮箱：zxjkw@163.com

知识改变命运，学习成就未来

1.电流表示数增大 B.电压表示数减小 C.灯泡变暗 D.灯泡变亮 电感和电容对交变电流的影响

例

2、图所示是电视机电源部分的滤波装置，当输入端输入含有直流成分、交流低频成分的电流后，能在输出端得到较稳定的直流电，试分析其工作原理及各电容和电感的作用。

L输入C1C2输出

6、巩固练习

1、关于低频扼流圈，下列说法正确的是

A.这种线圈的自感系数很小，对直流有很大的阻碍作用 B.这种线圈的自感系数很大，对低频电流有很大的阻碍作用

C.这种线圈的自感系数很大，对高频交流的阻碍作用比低频交流的阻碍作用更大 D.这种线圈的自感系数很小，对高频交流的阻碍作用很大而对低频交流的阻碍作用很小

2、在图所示电路中，u是有效值为200 V的交流电源，C是电容器，R是电阻。关于交流电压表的示数，下列说法正确的是（）A.等于220 V B.大于220 V

D.等于零

uRVCC.小于220 V

3、在图所示的电路中，a、b两端连接的交流电源既含高频交流，又含低频交流；L是一个25 mH的高频扼流圈，C是一个100 pF的电容器，R是负载电阻，下列说法中正确的是（）

LA.L的作用是“通低频，阻高频” B.C的作用是“通交流，隔直流” C.C的作用是“通高频，阻低频”

aCbRD.通过R的电流中，低频电流所占的百分比远远大于高频交流所占的百分比

电容电感的等效 篇5

随着电子行业的快速发展, 电感电容成为电路设计中必不可少的器件, 电感电容性能的好坏以及数值的准确性直接影响电路的最终结果。电感电容虽然能满足出厂时的技术指标, 但是在标称值左右仍有5%或10%的误差, 并且安装到实际的微带电路中会表现出不同的特性, 尤其在设计高性能射频微波电路时, 电感电容数值的准确性及所携带的寄生参数效应对微波电路性能有很大影响。因此, 在出厂时的误差范围内, 获得电感电容在实际工作条件下的准确数值, 有助于高效快速地设计出高性能射频微波电路, 具有十分重要的意义。

传统电感电容的测量大多采用谐振法[1]或电桥法[2], 操作繁琐, 测量时间长, 且精度不高。在自动化高速发展的今天, 为了满足现代测量系统追求高效、精确的需求, 数字智能化测量方法应用越来越多[3]。基于单片机, 文献[4]通过谐振法设计了电阻电容电感测试仪, 文献[5]利用电压转换法设计了一款新型电感电容测量仪。文献[6]则对电容器和电感器交流参数测量方法进行了对比研究, 指出了电容和电感测量方法的发展趋势。

本文对实际微带电路中表面贴装的电感电容精确数值测量进行了研究, 并给出详细的设计思路, 制作了测量电感电容的硬件电路, 编写出测量系统的软件界面, 最终实现数据的自动采集和处理, 直接计算并显示出实际电路中的待测电感或电容值。

1 硬件电路设计

电感电容测量的基本原理是基于LC电路谐振理论, 将已知标准电容 (电感) 元件与被测电感 (电容) 元件并联构成并联谐振电路, 当电路谐振时则有:

只要知道已知标准元器件值和谐振频率便可以得到被测元器件的值。谐振频率可以通过矢量网络分析仪测量S参数曲线获得, 问题的关键就是设计制作与矢量网络分析仪连接的测量夹具, 并得到准确的已知标准电感 (电容) 元器件值。

测量夹具的设计基于微带传输线理论, 选用高品质微波介质板, 介电常数为3.5, 厚度1.52mm, 损耗角正切0.001, 使用ADS软件计算50欧姆微带线宽为3.5mm。两条微带线的间隔需要根据电感电容最小尺寸进行设置, 本文微带线缝隙宽1.5mm, 这个宽度适合测量尺寸为0805、1206和1210的贴片元件。考虑到寄生参数的影响和所测频率范围的限制, 需恰当地选取已知标准电感电容元件, 一般已知元器件值大于寄生参数值100倍以上。然后将被测电感电容与已知元件并行放置在微带线空隙处, 构成并联谐振电路, 进行S参数测量即可, 所设计的微带电路测量夹具如图1所示。

已知标准电感电容元器件数值的准确性成为测量精度的重要保证。为了提高测量精度, 标准电感和电容选择Murata品牌的品质因数较高的电感和电容, 尽管出厂标称值仅有5%的误差, 但是放到实际微带电路里还是会受寄生参数影响而存在变化, 为了获得实际电路中的准确值, 本文采用田口方法[7]进行优化计算, 并使用Murata编程实现该算法。

首先选取一个标称值在可测范围内的电感电容进行测量, 从矢量网络分析仪中获得实测S参数曲线, 如图2 (a) 所示。图2 (a) 中S (2, 1) 为理想曲线, S (4, 3) 为实测曲线, 可观测到实测曲线和理想曲线存在偏差, 表明实际电路受寄生参数的影响, 其等效电路如图2 (b) 所示。根据实测曲线和等效电路的对应关系, 采用田口方法反推出电路中包含寄生参数在内的各元器件值, 选用54阶的正交矩阵, 将理想等效电路S参数值和实测曲线获得的值作差值运算, 通过不断拟合, 直到差值几乎为零, 得出电路中各元器件值。最后根据推导值使用ADS仿真, 可知其仿真结果非常接近实际电路测量结果。因此, 当进行实际测量时, 寄生参数的影响则通过软件计算校准掉。而且为了增加田口方法推导数值的可靠性, 在选择标准电感 (电容) 为已知元件时, 可以并联不同数值的电容 (电感) 构成并联谐振电路, 然后通过矢网测量获得相应的实测S参数曲线并进行田口优化拟合, 最后把拟合出的多组已知电感 (电容) 值进行平均作为最终的标准值。

2 软件界面设计

该系统的软件设计是基于GPIB接口实现程控。GPIB接口作为一种桥梁, 将各种可编程仪器与计算机紧密联系起来[8]。以前GPIB仪器是通过GPIB电缆线与计算机相连, 随着科技的发展, 现在已经出现了即插即用的GPIB接口卡, 无须GPIB电缆就可以和仪器连接。本文采用的GPIB接口卡为安捷伦公司生产的82357B, 通过安装Agilent Connection Expert驱动软件实现仪器的程控, 测量流程如图3所示。

GPIB接口程序设计语言是可编程仪器标准命令SCPI, SCPI命令可以控制不同型号的仪器, 有很好的兼容性, 并且可工作在多种软件开发环境下。本文选用编程简单、有良好人机交互界面和数据可视化的VC++6.0为软件开发平台, 编程实现用户界面的设计, 完成数据的自动处理计算。在该平台下基于GPIB接口编程实现计算机与矢量网络分析仪通信时, 可以直接利用VISA函数库对仪器参数设置进行控制, 因此需要将Agilent Connection Expert中的visa32.lib链接到VC++6.0中, 并在程序头文件位置添加相关的头文件“visa.h”。最终软件界面主要包括以下几个模块。

(1) 测量模式模块:用户选择是电容测量或是电感测量, 并将已知感值或容值显示出来。

(2) 参数设置模块:设置起始频率, 终止频率, 扫描点数, 扩展带宽, 扩展次数。

(3) 图形显示模块:将矢量网络分析仪所测曲线实时显示。

(4) 结果显示模块:显示所测电感值或电容值以及中心谐振频率。

所设计的软件具有多种功能:可以选择测量模式, 自动显示已知元器件值, 并可人为修改;可以人为输入矢网控制参数, 实时显示测量曲线和计算结果;支持在中心谐振频率处自动扩展带宽, 且可多次扩展;利用三次插值法获得更多采样数据;实现了元器件的批量测量和测量的自动化、智能化。

3 联机实验测试

硬件电路和软件界面设计完毕后, 开始进行整体的系统测试。首先测量夹具通过SMA线缆和矢量网络分析仪相连, GPIB卡插在矢量网络分析仪的接口处, 并通过数据线和计算机的USB口相连。然后将被测元器件放置在测量夹具上, 对矢量网络分析仪校准后进行S参数的测量。最后在用户界面设置各个参数, 计算机运行程序, 并通过GPIB接口对矢量网络分析仪控制, 进行数据采样计算和显示结果。

确定已知元器件值后, 谐振频率是测量时的唯一基准量, 因此谐振频率的准确获取对计算结果有着非常大的影响。为提高测量频率的精度, 软件程序将在谐振频率附近多次细化扫描频率范围, 直到满足要求, 但由于矢量网络分析仪内部噪声的影响, 应合适选取扫描次数。另外, 为了保证测量值的有效性, 采用多次测量谐振频率、取其平均值的方式。表1给出了计算机自动从矢量网络分析仪中获得数据并计算的实测结果, 结果与标称值相比, 非常接近, 在标称值左右5%以内, 说明系统测量精度高, 关键是获得了电感电容在实际微带电路中的精确数值。

4 结束语

本文提出一种基于矢量网络分析仪的电感电容自动测量系统, 能够获得安装到实际微带电路中的电感电容准确值。设计制作了测量夹具, 基于GPIB接口并通过VC++6.0进行软件编程, 实现对电感电容的自动测量。本系统的优点是测量方法简便, 测量速度快, 测量范围宽, 测量误差小。最大特点是通过田口方法优化计算已知电感电容值, 并采用三次样条插值, 获得更多采样点, 在谐振频率处可以多次任意扩展频宽, 达到精确测量。

摘要：为了得到贴片电感电容在微带电路中的精确值, 提出一种基于矢量网络分析仪的电感电容自动测量系统。依据LC谐振电路和微带传输线理论设计制作测量夹具, 通过Matlab编写田口优化算法计算得到已知电感电容值, 并基于GPIB接口对矢量网络分析仪实现程控, 采用VC++6.0工具开发自动测量系统的用户界面。给出了具体的设计思路和测量方法, 实测结果表明, 该系统实现了对微带电路中电感电容的快速精准测量, 具有很高的实用价值。

关键词：矢量网络分析仪,田口方法,GPIB接口,VC++6.0,Matlab

参考文献

[1]苏岱安, 黎福海.应用谐振法实现高性能RLC测量[J].微计算机信息, 2006, 22 (35) :282-284.

[2]周生景.高精度LCR测量系统的设计研究[J].电子测量与仪器学报, 2003, 17 (3) :1-5.

[3]何飞, 荣军, 黄广华, 等.智能电阻电容电感测量仪的设计与开发[J].电子技术, 2013 (1) :63-65.

[4]王秀霞.电阻电容电感测试仪的设计与制作[J].电子技术, 2012 (8) :51-53.

[5]韦炜.新型电容电感测量仪的设计[J].现代科学仪器, 2013 (1) :69-72.

[6]韦炜.电容器和电感器交流参数测量方法的对比研究[J].现代电子技术, 2012, 35 (13) :105-107.

[7]付世强.圆极化微带天线及其在海事卫星通信中的应用[D].大连:大连海事大学, 2010.

智能电阻、电容、电感测试仪设计 篇6

1 系统硬件设计

1.1 电路方框图及说明

系统分三大部分, 即测量电路、通道选择和控制电路, 系统电路方框图如图1所示。

1.2 各部分测试电路

1.2.1 电阻测量电路

电阻的测量采用“脉冲计数法”, 由555电路构成的多谐振荡电路, 555接成多谐振荡器的形式[1], 其振荡周期为:

1.2.2 电容测量电路

电容的测量同样采用“脉冲计数法”, 由555电路构成的多谐振荡电路, 通过计算振荡输出的频率来计算被测电容的大小[1]。555接成多谐振荡器的形式, 其振荡周期为

我们设置R1=R2, 得出

1.2.3 电感测量电路

电感的测量是采用电容三点式振荡电路来实现的。LC回路中与发射极相连的两个电抗元件是同性质的, 另外一个电抗元件为异性质的, 而与发射极相连的两个电抗元件同为电容时的三点式电路, 成为电容三点式电路[2]。

2 系统软件设计

2.1 主程序流程图

本系统是通过定时器定时并在定时期间对RLC电路所产生的脉冲进行统计, 通过内部程序计算出相应的值并在LCD上显示。主程序流程图如图2所示。

2.2 中断服务程序流程

我们这里采用Timer的T0接口, T0定时3s时间, 3s时间到则产生中断[3], 具体中断服务程序如图3所示。

3 系统测量误差分析

电阻、电容、电感测量数据对照如表1、表2、表3所示。

4 结语

51单片机是很常用的单片机, 其功能满足我们设计的需要, 其32路I/O口为我们硬件设计提供了便利的条件, 其常用性为我们设计过程中查阅资料提供了很大的方便, 加之其价格便宜为我们的设计减少了元器件上的开销。LCD更直观的查看和切换模式, 使现代化的测试工具更加智能化。

摘要：本设计是利用51单片机测量电阻、电容和电感对应振荡电路所产生的频率, 从而实现各个参数的测量。一方面测量精度较高, 另一方面便于使仪表实现智能化。

关键词：单片机,多谐振荡电路,电容三点式振荡

参考文献

[1]阎石.数字电子技术基础 (第5版) [M].高等教育出版社, 2006.

[2]华成英, 童诗白.模拟电子技术基础 (第4版) [M].高等教育出版社, 2006.

电容电感的等效 篇7

一、采用同步对比实验进行演示电感和电容对交变电流的影响

对于“电感对交变电流的影响”演示实验, 笔者将原实验优化设计成图2所示电路, 不仅操作方便而且增加了实验对比度。器材如下:A和B为2个完全相同的小灯泡 (2.5V, 3.8W) , R为滑动变阻器 (最大值50Ω) , S为双刀双掷开关, L为学生用原副线圈, 用学生电源供电。实验过程:先接直流6V挡, 调节滑动变阻器R使B和A灯泡亮度相同。然后改接为交流6V挡, 对比A和B灯泡的亮度, 会发现A灯比B灯暗。以上现象可说明线圈L对交流电除电阻阻碍外, 又产生新的阻碍电流因素感抗。

将实验装置中的线圈换成电容器, 且将滑动变阻器接入电路的阻值放置为最小, 便可用来对比演示“电容对交变电流的影响”, 效果亦同样十分明显。使用该实验装置还可以进一步演示感抗与自感系数的关系、容抗与电容量的关系, 具体方法和过程在这里不再赘述。

二、用信号发生器作为电源演示交流电频率对感抗和容抗的影响

对于感抗与交流电频率的关系, 可采用如图3所示的实验电路来进行演示。图3与图1所不同的是, 学生电源改换成了J2465型学生信号发生器。此外为了能从听觉上直观感知交流电频率的不同, 增加实验对比度, 电路中添加了一个J2468型音频功率放大器。过程如下:连接好电路, 先将信号发生器置5Hz, 调节音频功率放大器使小灯泡较亮, 再打开音频功率放大器的监听功能, 此时可听到啸叫声, 然后增加信号发生器的频率 (用低频部分5～50Hz) , 在听到啸叫声变尖的同时可看到小灯泡变暗, 说明交流电频率越高, 感抗越大。

电容电感的等效 篇8

手持式电动工具是指需要手握持操作的、装有电源线并内装电源开关的、由电动机或由电磁铁做动力来驱动的电动工具。手持式电动工具的特点是转速高、体积小、功率大、结构非常紧凑、便于携带和产品内部空间小。大多数带电源线的手持式电动工具采用串励电动机, 定、转子带有励磁绕组, 通电后形成电磁场从而带动电机的运转, 由于换向器和碳刷的作用产生交变电磁场, 维持转子的旋转。转子是通过跨接在换向器两端的导电碳刷来连接电源的, 换向器由换向片组成, 它相当于一个旋转的开关装置, 换向片之间的间隙造成间歇性的接触, 决定了转子电磁场能量形成的时间和顺序。由于碳刷与换向片之间触点快速接通和断开, 会产生高频的尖峰电压突变和电流突变, 具体表现为换向火花, 由此产生的电磁骚扰会通过电源线传导到电网, 影响供电质量[1]。影响电磁骚扰的因素通常包括:磁场平衡、换向性能、碳刷等级、碳刷压力, 碳刷配合、换向器参数和工艺、转子动平衡、电动机转速和杂散电容。通常的抑制手段包括:电容抑制、电感抑制、屏蔽和铁氧体磁珠[2]。手持式电动工具普遍使用电容和电感抑制手段, 以达到国家标准GB4343.1-2009《家用电器、电动工具和类似器具的电磁兼容要求第1部分:发射》的限值要求。从历年来的手持式电动工具国家监督抽查结果来看, 骚扰电压的不合格现象主要发生在低频段, 这是由于电动机和可控硅这类的干扰源会在电源线上产生差模干扰, 而差模干扰一般频率较低[3]。

关于电动工具电磁骚扰抑制方面的研究, 程丽玲[4]在滤波, 接地和设计制造工艺上提出应对措施;柯懿栒[5]对抑制骚扰源和减小骚扰源和敏感电路之间的耦合提出建议;金川[6]通过多种测试方案研究了电容电感组合的测试结果。

本研究通过从电容电感的高频特性入手, 通过实验, 研究不同型式、不同容量的电容和电感对手持式电动工具的电磁骚扰性能的影响, 找到影响抑制效果的最佳方案, 在满足标准的情况下尽可能节约制造成本。

1 实验研究

1.1 实验原理和设计方案

电容抑制骚扰的原理是:电容的阻抗是Zc=1/ (2πf C) , 频率越高则电容阻抗越小, 在高频时电容为线路提供了一个并联的低阻抗回路。根据这个特性, 在电动工具中, 通过在干扰源 (串励电动机) 附近设置高频低阻抗回路, 来减小通过电源线回馈到市电的干扰。在II类电动工具中普遍使用差模电容的接法 (并接在电源线L与N之间) 来消除差模干扰, 在Ⅰ类工具中也可以同时使用差模电容和共模电容的方法, 共模电容连接到定子引线和地之间。

电容的高频等效电路如图1所示。

L—引线的寄生电感

串联电路的阻抗:

谐振频率:

当工作频率小于谐振频率时, 频率越高, 等效电容值越大。当工作频率超过谐振频率时, 电容实际上已经变成电感, 随着频率升高阻抗越来越大了。因此, 要改善电容的高频特性, 应该尽可能缩短电容的引线, 减小电感。

电感具有过滤噪声, 稳定电流等特点, 从而起到抑制电磁干扰的效果。电感的阻抗为:ZL=2πf L, 频率越高阻抗越大, 在高频时给线路提供了高阻抗串联回路。

电感的高频等效电路如图2所示。

C—电感匝与匝之间的分布电容

并联电路的阻抗:

谐振频率:

当工作频率小于谐振频率时, 频率越高, 等效阻抗越大。当工作频率超过谐振频率时, 分布电容的影响占主导, 阻抗已经降低了。因此, 要改善电感的高频特性, 应该尽可能减小匝间的分布电容。

本研究以电锤为例, 进行实验研究。布置图如图3所示。电锤是一种附有气动锤击机构的一种带安全离合器的电动式旋转锤钻。它利用活塞运动, 压缩气体冲击钻头, 不需要手施加过多的力量, 即可在混凝土、砖、石头等硬性材料上开孔, 在工程施工现场应用非常普遍。

按照GB4343.1-2009《家用电器、电动工具和类似器具的电磁兼容要求第1部分:发射》标准的要求[7], 本研究在电磁屏蔽室中, 使用罗德与施瓦茨公司的ESCI3接收机, V型人工电源网络, 模拟手对一款电锤进行了电容电感的更换模拟实验, 测试内容为150 k Hz~30 MHz的电源端子骚扰电压。该电锤原厂使用了0.22μF的差模抑制电容, 并联在电源线火线和零线之间, 未安装抑制电感。

为了研究不同电容值对骚扰电压的影响, 该试验方案将更换同型式不同容量的电容, 分别在0.1μF, 0.22μF, 0.33μF, 0.47μF和无电容情况下进行测试。为了研究不同电感值对骚扰电压的影响, 笔者在试验中更换11μH, 21μH的大差模电感和小差模电感, 更换21μH的差模电感和方形共模电感下进行测试。

1.2 实验结果分析

从测试结果来看, 在不装电容的情况下, 骚扰电压电平远远超过装了抑制电容的数据。随电容量的增大, 对骚扰电压的抑制效果会更好, 但是在不同频段不同电容抑制效果并不同。

1.2.1 不同电容值对低频段骚扰电压的影响

为了研究电容在低频段的抑制效果, 150 k Hz~700 k Hz的测试数据如表1所示。

在图4中可以明显看出, 在150 k Hz~250 k Hz的频段, 电容量由小变大, 骚扰电压的电平值逐渐降低, 变化比较明显, 250 k Hz~700 k Hz频率范围内, 电容量的大小对骚扰电压的影响并不明显。电容量0.47μF电容在150 k Hz~250 k Hz的频段里, 体现出了电容量更大的优势。根据电容阻抗公式, 相同频率范围情况下电容量越大阻抗越小, 更多的骚扰信号通过低阻抗回路, 从而减少了通过电源线传导的骚扰信号, 因此抑制效果越好。

1.2.2 不同电容值对高频段骚扰电压的影响

为了研究电容在高频段的抑制效果, 270 k Hz~24 MHz的测试数据如表2所示。

由图5可以发现, 频段在2 MHz~7 MHz之间, 0.1μF电容的抑制效果较差, 而7 MHz以上, 电容量的大小对骚扰电压的影响并不明显。随着频率的增大, 当工作频率超过谐振频率时, 电容阻抗越来越大, 抑制效果越来越差。

1.2.3 不同电感值对骚扰电压的影响

抑制电感主要分共模电感和差模电感。电感量在10μH~25μH。电感往往和接地的电容一起形成低通滤波器, 滤波器的带宽要大于单使用电容的带宽, 这样抑制效果比单用电容或单用电感效果更好。不同电感值对骚扰电压的影响对比如表3所示。

从图6可以看出, 大小相同的电感, 电感量越大抑制效果越好。

从图7可以看出, 相同电感量情况下, 小电感由于容易磁饱和, 抑制效果不如大电感。

1.2.4 差模电感和共模电感对骚扰电压的影响

差模电感和共模电感的测试数据比较如表4所示。

从图8可以看出, 对30 MHz以下的电磁干扰, 共模电感抑制效果不如差模电感。

2 结束语

从上述数据和理论分析可以看出, 电容和电感在高频情况下, 电容量不是越大滤波效果越好, 电容量越大对低频干扰的旁路效果虽然好, 但是由于电容在较低的频率发生了谐振, 阻抗开始随频率的升高而增加, 对高频噪声的旁路效果变差。一旦频率超过谐振频率, 那么抑制效果就会消失。因此, 在运用中, 要关注如何提高谐振频率, 一方面要缩短电容的引线, 减小寄生电感, 另一方面也要尽量减小电感的分布电容。这样才能取得良好的骚扰电压抑制效果。当要滤除的噪声频率确定时, 可以通过调整电容量, 使谐振点刚好落在骚扰频率上。

因此, 在电动工具的设计和维修应用中, 为了取得较好的骚扰电压抑制效果, 笔者建议采用0.22μF, 0.33μF电容量, 电容的引线应尽可能短, 电容安装尽量靠近换向器, 在不影响工具通风散热的前提下, 电感安装尽量靠近定子线圈, 通过使用大差模电感来抑制骚扰电压。

摘要：针对手持式电动工具的电磁骚扰问题, 对电磁骚扰的来源、影响因素和抑制手段进行了归纳, 建立了电容和电感的高频等效电路和谐振频率模型, 基于更换不同型式、不同容量的电容和电感的滤波器, 利用测试接收机、人工电源网络和模拟手对150 k Hz30 MHz的骚扰电压项目进行了测试。分析了不同频段差模干扰的抑制效果, 提出了电容、电感的选用和安装建议。研究结果表明, 为抑制手持式电动工具电磁骚扰, 应充分重视电容电感的高频特性, 合理地选择容量和型式, 缩短引线, 提高谐振频率, 从而在较低的成本下实现最佳的抑制效果。

关键词：手持式电动工具,骚扰电压,电容,电感

参考文献

[1]GANESAN R, DAS S K, SINHA B K.Analysis and Control of EMI from Single Phase Commutator Motor used in Household Mixer[C]//Proceedings of Electromagnetic Interference and Compatibility.Madras:[s.n.], 1995:423-427.

[2]JABBAR M A, RAHMAN M A.Radio frequency interference of electric motors and associated controls[J].Industry Applications, IEEE Transactions, 1991, 27 (1) :27-31.

[3]杨继深.共模干扰和差模干扰[J].安全与电磁兼容, 2002 (2) :48-50.

[4]程丽玲.电动工具的电磁干扰抑制[J].安全与电磁兼容, 2004 (1) :52-54.

[5]柯懿栒, 刘金华.电动工具EMC问题分析及解决[J].环境技术, 2008 (4) :23-25.

[6]金川.电动工具电磁干扰抑制技术的研究[J].机械研究与应用, 2011 (2) :45-46.

电容电感的等效 篇9

风能作为可再生能源, 具有极大的发展潜力。随着风电技术的不断发展, 变速恒频风力发电机组已逐步取代恒速机组, 而其中双馈异步型风力发电机组是风电市场上的主力机型。其原理是在转子中施加转差频率的电流或电压进行励磁, 调节励磁电压的幅值、频率和相位, 实现定子恒频恒压输出。也正因为双馈异步发电机有着励磁变换器容量小、变速运行范围宽等优点, 近年来成为业界关注的焦点[1]。

双馈异步发电机转子励磁采用背靠背 (Backto-Back) 形式的三相两电平电压型PWM变换器结构, 通过直流母线将网侧变换器和转子侧变换器进行连接。在能量双向传递的过程中, 网侧变换器的作用是控制输入功率因数、输入电流正弦和在不同工况下保持直流侧电压稳定;转子侧变换器的作用是控制有功功率和无功功率。矢量控制策略包括定子电压矢量、定子磁链矢量、气隙磁链矢量和电网虚拟磁链矢量[2,3], 网侧变换器最常采用的是基于定子 (电网) 电压矢量定向控制策略, 但由于电子元件参数的选择不当, 容易导致控制系统不稳定。

为了深入研究电容、电感参数对控制系统的影响, 本文采用含前馈的电网电压矢量定向控制方式, 对网侧变换器实行电压外环、电流内环的双闭环控制, 通过建立数学模型, 详细分析各电容、电感参数与网侧变换器控制系统之间的关系, 为控制系统的设计提供理论依据, 在此基础上搭建仿真平台, 研究了不同电容和电感取值对网侧变换器性能的影响。

2 双馈异步风力发电机网侧变换器数学模型

双馈异步发电机网侧变换器通过对输入电流的控制来实现直流母线电压稳定, 并实现交流侧输入电流正弦且谐波含量少, 可运行在单位功率因数状态[4]。其结构如图1所示, 三相电网电压输入, 经过进线电抗器与电阻到达交流侧, 通过变换器与直流侧负载相连。图1中, uga、ugb、ugc分别为三相电网相电压;iga、igb、igc为交流侧输入电流;vga、vgb、vgc为交流侧三相电压;Lg、Rg分别为进线电感及其等效电阻;Udc为直流侧电压;C为直流母线电容;iload为直流侧的负载电流。

假定三相电网电压平衡, 即uga+ugb+ugc=0, 则各相桥臂开关函数与三相相电压之间的关系为:

其中:Sga、Sgb、Sgc分别为三相桥臂中的开关函数, Sk=1表示上桥臂导通, Sk=0表示下桥臂导通 (k=ga、gb、gc) 。

根据基尔霍夫电流定律, 可知iga+igb+igc=0。网侧变换器在三相静止坐标系下的数学模型为:

再将式 (2) 转换到同步旋转坐标 (dq) 系下, 则有:

其中:ugd、ugq分别为电网电压的d、q分量;igd、igq交流侧电流的d、q分量;vgd、vgq分别为交流侧电压的d、q分量;Sd、Sq分别为开关函数的d、q分量。

3 网侧变换器的控制策略

3.1 电压电流双闭环控制策略

目前采用最广泛的是电压电流双闭环控制策略, 其系统结构如图2所示。从图中可以看到, 直流母线电压外环的反馈信号经过电压外环控制器形成有功电流参考值, 将此有功电流参考值与无功电流参考值作为电流内环控制的指令信号, 实现有功电流的内环控制。对输入电流有功分量的控制可以实现交流侧有功功率的控制, 实际上对输入电流无功分量的控制就能实现输入功率因数的控制, 只要使交流侧与直流侧有功功率平衡就能保证直流母线电压稳定。

3.2 基于电网定向电压的双闭环控制

由于基于电网定向电压的双闭环控制策略控制方案简单, 控制效果好, 所以在网侧变换器中得到了广泛的应用。当d轴定向于电网电压矢量时, ugd=Ug, ugq=0, 并引入PI控制器, 忽略进线电阻。同步旋转dq坐标系下, 网侧变换器交流侧d、q轴电压参考值表达式为:

其中:i*gd、i*gq分别为d、q轴电流参考值;kdp、kdi分别为电流控制器d轴的比例、积分系数;kqp、kqi分别为电流控制器q轴的比例、积分系数。

式 (4) 表明, 对d、q轴电流影响因素有:交流侧电压参考值v*gd、v*gq, 电流交叉耦合项ω1Lgigd、ω1Lgigq和电网电压ugd。通过消除电流交叉耦合项及电网电压扰动, 可以对电流进行更加有效的控制。如图3所示为电网电压定向网侧变换器控制原理框图。

4 元件参数设计

直流侧支撑电容与交流侧进线电感参数的选取, 对整个网侧变换器系统的特性有着显著的影响。任意地选取元件参数, 会造成系统在电网侧以及负载扰动时的不稳定, 使网侧变换器无法实现整流或逆变。

4.1 直流侧电压的选取

直流电压的选择在满足负载要求的同时, 也必须满足电压空间矢量的关系, 同时又因为交流侧功率与直流侧功率平衡[5], 可得直流侧电压的范围为:

其中:ugamax为A相电压最大值;φ为功率因数角;Pg为电网输出功率。

根据电网线电压为690V, 求得电网A相电压最大值ugamax为563.4V, 电网输出功率Pg为24.2kW, 并将其他条件代入式 (5) 可得直流侧电压的范围是:Udc≥1003V, 直流母线电压一般选取1100V。

4.2 直流侧支撑电容的选取

直流侧电容有两个作用, 一是过滤纹波电流和电压, 使直流母线电压的波动幅度在允许范围内;二是储能, 在交直流之间建立缓冲空间, 在负载或电网扰动下稳定直流侧电压。从满足电压环响应速度的角度来说, 直流侧电容应尽量小;而从抗干扰性的角度来说, 直流侧电容应尽可能大, 以限制负载扰动时的直流电压动态变化幅度[6]。三相电网的A相电流最大值可表示为:

直流电压控制环最长响应时间发生在电源电压最大并且和桥式电路输出电压符号相同时, 据此可以估算直流电压控制环响应时间为:

将电容的范围规定为:

根据条件求得三相电网的A相电流最大值igamax为28.6A, 直流电压控制环响应时间Tr为0.005s, 并代入式 (8) 可得直流侧支撑电容的范围是:C≥2020μf, 电容值越大滤波效果越好, 综合考虑电容价格因素, 本文电容值选取6000μf。

4.3 交流侧电感的选取

交流侧电感在网侧PWM变换器中抑制高频信号, 起到滤波的作用, 在换器获得良好的电流波形的同时, 还可以向电网传输无功功率, 甚至实现网侧纯电感、纯电容运行。此外, 变换器控制系统也获得了一定的阻尼特性, 有利于控制系统的稳定运行[7,8]。交流侧电感需要满足电流瞬态跟踪指标, 并且电感上压降尽可能小, 一般不大于电源额定电压的30%。综合可得网侧变换器滤波电感取值范围为

其中:Ts为开关周期;ugamax为A相电压最大值;△imax为交流侧电流最大变化值。

由于电网A相电流最大值igamax为28.6A, 取最大允许谐波电流最大脉动量为10%的电流最大值, 则△imax为2.86A, 并将其它条件代入式 (9) 可得交流侧电感的范围是:4.6mH≤Lg≤18.8mH, 根据滤波效果, 本文选取15mH。

5 仿真验证与分析

为了验证控制策略的有效性, 以及不同直流电容和进线电感对网侧变换器性能的影响, 本文在利用Matlab/Simulink环境下, 对网侧变换器进行建模仿真。以典型的1.5MW的风力发电机为例, 电网线电压设定为690V, 工频50Hz。直流侧负载电阻Rload选取50Ω, 开关周期Ts选取0.0001s, 调制比为0.89%。

图4所示分别给出了当1.5s至2.5s电网电压出现幅值为0.4pu的阶跃扰动时, A相电压、电流的波形曲线图, 由图4可以看出, 通过该控制策略可实现交直流的变换, 网侧相电压为正弦曲线, 稳定运行时最大值为563.4V, 电网电压出现扰动时相电压最大值为788.7V;相电压、相电流在扰动时能够较快恢复稳定运行时的参数, 说明该控制策略在快速性、稳定性上有良好的性能指标。图5所示为整流时A相电流的傅立叶谐波分析图, 由图5可以得到总谐波畸变率THD值为3.86%, 符合国家关于电网电流谐波THD值控制在5%以内的要求。非线性阻抗特性的供用电设备使得实际的电流波形偏离正弦波, 由此说明该控制策略下能够较好地控制电流畸变率。

网侧三相电流经过dq轴变换, 可得电流d、q轴分量igd、igq。图6所示为电网电压阶跃扰动下d、q轴电流的变化曲线, 由图6可以看出, 由于在1.5s至2.5s电网电压出现幅值为0.4pu的阶跃扰动、igd、igq发生波动, igd调节后稳定在28A, igq最后稳定在0A, 响应时间短。可见该控制策略的实质, 是以实现了对电流内环igd、igq的解耦控制为基础的。

如图7所示为直流侧支撑电容值发生变化后的直流侧电压曲线。可以看出, 支撑电容值选取2000μf时, 当电网电压出现0.4pu的阶跃扰动, 直流侧电压波动范围为:1068V至1144V, 经控制系统调节仍在1100V有一个为2V的小幅震荡;支撑电容值选取6000μf时, 波动范围为:1089V至1114V, 经控制系统及时调节能够较快的恢复额定电压1100V, 说明此时系统有着较好的抗电网电压扰动能力;支撑电容值选取10000μf时, 波动范围为:1094V至1107V, 震荡较6000μf时小。由此说明, 支撑电容选取过小会造成系统的不稳定, 支撑电容的增大使抗扰动能力增强, 但电容容量的选择并不是越大越好。因为大电容会使纹波电流升高, 增加了功率损耗。

图8所示为交流侧电感值发生变化后的直流侧电压曲线, 可以看出, 交流侧电感选取3mH时, 当电网电压出现0.4pu的阶跃扰动时, 直流侧母线电压波动较大范围的波动 (1068V至1129V) , 直流侧电压稳定性差;另外交流侧电感选取过小, 会使PWM在整流/逆变过程中向电网注入过大的谐波。图9所示为电感3mH时的交流侧电流谐波分析图。从图9可以看出电感为3mH时, 其THD达到了11.44%, 远远超出了国家标准。而交流侧电感选取25mH时, 当电网电压出现扰动, 抗扰动能力与交流侧电感选取15mH时没有太大区别, 但却增加了控制系统的响应时间。可见交流侧电感值的选取很重要, 若取值不合理, 过小的电感会使直流侧电压出现较大的波动, 大大降低稳定性, 造成直流侧超负荷, 对电子器件造成伤害;过大的电感会使调节时间加长, 影响控制的快速性。

6 结束语

本文通过对网侧变换器进行建模和仿真, 验证了控制策略的有效性并通过在Simulink中搭建仿真模型, 研究了不同直流支撑电容值、进线电感值对控制系统响应特性的影响。结果表明:1直流支撑电容的取值增大会对稳定直流电压、隔绝扰动起到积极的作用, 但由于电容容量增加会使纹波电流增大, 导致电容上的损耗增加。所以电容选取时应该在满足系统纹波电流基础上尽可能的小;2电感的选取需要考虑PWM调制过程中向电网注入谐波的问题。电感值过小, 满足不了谐波要求;过大则会造成系统响应时间降低。

可以看出, 如电容和电感取值不当, 会使超调量增加、调节时间增长, 甚至使系统无法达到稳定, 这对控制系统的稳定性、准确性、快速性有严重影响。

下期要目

●电动钻机并网机组功率均衡控制研究

●电励磁同步电机磁链观测模型研究

●提高发电厂BOP鲁棒性的策略研究

●晶闸管控制三相电容器投切过程分析及仿真研究

●自动化控制系统中的软件设计

●某电厂主变冷却控制系统PLC程序的完善

●基于数字化电解铝整流系统的工程应用

参考文献

[1]贺益康, 胡家兵, 徐烈.并网双馈异步风力发电机控制运行[M].北京:中国电力出版社, 2012:52-68.

[2]徐君, 黄晓波, 刘昌金等.基于定子电压定向的双馈风电系统变参数策略设计[J].电力系统自动化, 2010, 18:90-94.

[3]Petersson A, Harnefors L, Thiringer T.Comparison Between Stator-Flux and Grid-Flux-Oriented Rotor Current Control of Doubly-Fed Induction Generators[C].Proc.IEEE Annual Power Elect Speci Conf, 2004, 1:482-486.

[4]郭家虎, 张鲁华, 蔡旭.双馈风力发电系统在电网故障下的动态响应分析[J].太阳能学报, 2010, 08:1023-1029.

[5]史伟伟, 蒋全, 胡敏强等.三相电压型PWM整流器的数学模型和主电路设计[J].东南大学学报 (自然科学版) , 2001, 32 (1) :50-55.

[6]杨波.双馈异步风力发电系统网侧PWM变换器的研究[D].西安:西安理工大学, 2008.

[7]张永峰, 程新功, 宗西举等.基于切换系统理论的有源电力滤波器交流侧电感值设计[J].电力系统保护与控制, 2011, 15:110-116.