串聯(lián)諧振升壓原理

　　串聯(lián)諧振是一種電路性質(zhì)。同時(shí)也是串聯(lián)諧振試驗(yàn)裝置。

　　串聯(lián)諧振試驗(yàn)裝置分為調(diào)頻式和調(diào)感式。一般是由變頻電源、勵(lì)磁變壓器、電抗器和電容分壓器組成。被試品的電容與電抗器構(gòu)成串聯(lián)諧振連接方式；分壓器并聯(lián)在被試品上，用于測(cè)量被試品上的諧振電壓，并作過(guò)壓保護(hù)信號(hào)。

　　在電阻、電感及電容所組成的串聯(lián)電路內(nèi)，當(dāng)容抗XC與感抗XL相等時(shí)，即XC=XL，電路中的電壓u與電流i的相位相同，電路呈現(xiàn)電阻性，這種現(xiàn)象叫串聯(lián)諧振。當(dāng)電路發(fā)生串聯(lián)諧振時(shí)電路的阻抗Z=√R^2 +（XC-XL）^2=R，電路中總阻抗最小，電流將達(dá)到最大值。

　　如果諧振頻率等于電源頻率，則電感和電容上的電壓都可以超過(guò)電源電壓的好多倍，這好象和蕩秋千一樣，只要順應(yīng)它的節(jié)湊，不必用很大的力，就可越蕩越高，從而升壓。從理論上說(shuō)，反正電容和電感的阻抗相抵消，只剩下直流電阻，因此電流可以很大，電阻是耗能元件，電容和電感是儲(chǔ)能元件，電源是供能元件，如果一個(gè)周期內(nèi)補(bǔ)充的能量大于電阻消耗能量，系統(tǒng)能量增大（電感電容兩端電壓就升高），回路電流就增大，電阻耗能增大，從而達(dá)到平衡，電線電纜試驗(yàn)就是利用串聯(lián)升壓而得到高電壓。?

　　串聯(lián)諧振升壓原理

　　串聯(lián)諧振是由R、L、C元件組成的串聯(lián)電路在一定條件下發(fā)生的一種特殊現(xiàn)象。圖1所示R、L、C串聯(lián)電路，在正弦電壓Us激勵(lì)下，其復(fù)阻抗為：

　　式中電抗 是角頻率?的函數(shù)，X隨?變化的情況如圖2所示。

　　當(dāng)?從零開(kāi)始向∞變化時(shí)，X從﹣∞向﹢∞變化。在ω＜ωo時(shí)，X＜0，電路為容性；在ω＞ωo時(shí)，X＞0，電路為感性；在ω＝ωo時(shí)，

　　此時(shí)電路阻抗Z（ωo）＝R為純電阻。電壓和電流同相，電路此時(shí)的工作狀態(tài)稱(chēng)為諧振。由于這種諧振發(fā)生在R、L、C串聯(lián)電路中，所以又稱(chēng)為串聯(lián)諧振。式1就是串聯(lián)電路發(fā)生諧振的條件。由此式可求得諧振角頻率ωo如下：

　　由式（2）可知，串聯(lián)電路的諧振頻率是由電路自身參數(shù)L、C決定的．與外部條件無(wú)關(guān)，又稱(chēng)為電路的固有頻率。當(dāng)電源頻率一定時(shí)，可以調(diào)節(jié)電路參數(shù)L或C，使電路固有頻率與電源頻率一致而發(fā)生諧振，如工頻諧振升壓的調(diào)感法；在電路參數(shù)一定時(shí)，可以改變電源頻率使之與電路固有頻率一致而發(fā)生諧振，也叫調(diào)頻法。

　　串聯(lián)電路諧振時(shí)，其電抗X（ωo）＝0，所以電路的復(fù)阻抗 ，呈現(xiàn)為一個(gè)純電阻，而且阻抗為最小值。諧振時(shí)，雖然電抗 ，但感抗與容抗均不為零。諧振時(shí)的感抗或容抗為串聯(lián)諧振電路的特性阻抗，記為ρ，即

　　ρ的單位為歐姆，它是一個(gè)由電路參數(shù)L、C決定的量，與頻率無(wú)關(guān)。

　　工程上常用特性阻抗與電阻的比值來(lái)表征諧振電路的性能，并稱(chēng)此比值為串聯(lián)電路的品質(zhì)因數(shù)，用Q表示，即

　　品質(zhì)因數(shù)簡(jiǎn)稱(chēng)為Q值。它是由電路參數(shù)R、L、C共同決定的一個(gè)無(wú)量綱的量。

　　串聯(lián)諧振時(shí)電路中各元件的電壓分別為

　　由式（3）可知，諧振時(shí)雖然總的電抗電壓為0，但電感電壓和電容電壓均不為0。它們有效值相等，且均為外施電壓的Q倍，但電感電壓超前外施電壓900，電容電壓落后外施電壓900，電阻電壓和外施電壓相等且同相，外施電壓全部加在電阻R上，電阻上的電壓達(dá)到了最大值。各元件的電壓電流相量關(guān)系如圖3所示。

　　在電路Q(chēng)值較高時(shí)（串聯(lián)諧振升壓裝置的Q值一般都大于10，可達(dá)10~30），電感電壓和電容電壓的數(shù)值都將遠(yuǎn)大于外施電壓的值，即可以用較小的試驗(yàn)電壓在被試設(shè)備（如電容式電壓互感器）上產(chǎn)生很高的試驗(yàn)電壓。從而使諧振激磁電源的容量只需試驗(yàn)容量的1/Q。

　　由式（2）的分析知諧振升壓方法有工頻諧振升壓法和變頻諧振升壓法，工頻諧振升壓法主要用于發(fā)電機(jī)、變壓器和電容式電壓互感器的試驗(yàn)，變頻諧振升壓法主要用于交聯(lián)電纜的試驗(yàn)。能滿足電纜因長(zhǎng)度不同，電容量在較大范圍內(nèi)變化的要求。

　　工頻諧振升壓系統(tǒng)是在工頻條件下（現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)為50Hz）使得電感和被試品電容諧振，產(chǎn)生工頻高壓。工頻諧振升壓系統(tǒng)一般采用調(diào)節(jié)電感感抗的方式在激勵(lì)源的作用下使得電抗器和被試品電容諧振，通常稱(chēng)為調(diào)感式；也可以采用在被試品兩端并聯(lián)電容器的方式改變被試系統(tǒng)的電容量使得在激勵(lì)源的作用下與電抗器諧振，通常稱(chēng)為調(diào)容式；還可以同時(shí)改變電抗器的感抗和被試系統(tǒng)的電容量使得系統(tǒng)達(dá)到諧振狀態(tài)，通常稱(chēng)為調(diào)感調(diào)容式。調(diào)感式通常采用調(diào)節(jié)鐵心電抗器的氣隙的方式，可以連續(xù)平滑的調(diào)節(jié)感抗值，操作比較方便。電容則不能連續(xù)的調(diào)節(jié)，所以現(xiàn)場(chǎng)操作一般使用調(diào)感法或調(diào)感調(diào)容法。

　　電力系統(tǒng)中，有的類(lèi)型的試品的的電容量是幾個(gè)固定的量，比如CVT，它只有幾個(gè)固定的電容值。有的試品是根據(jù)試品的容量和電壓等級(jí)及其他特征而變化的，比如發(fā)電機(jī)，變壓器，電纜等。因此，工頻諧振大多分為兩類(lèi)，一類(lèi)為電抗器電抗值需要連續(xù)可調(diào)節(jié)的，另一種只需要電抗值在幾個(gè)固定值之間選擇的。第一類(lèi)主要適合發(fā)電機(jī)和變壓器，第二類(lèi)主要適合CVT。