諧振現(xiàn)象是正弦交流電路的一種特定現(xiàn)象,它在電子和通訊工程中得到廣泛應(yīng)用,但在電力系統(tǒng)中,發(fā)生諧振有可能破壞系統(tǒng)的正常工作。
諧振一般分串聯(lián)諧振和并聯(lián)諧振。顧名思義,串聯(lián)諧振就是在串聯(lián)電路中發(fā)生的諧振。并聯(lián)諧振就是在并聯(lián)電路中發(fā)生的諧振。
串聯(lián)諧振
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)純電阻性,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)電路中總阻抗最小,電流將達(dá)到最大值。
串聯(lián)諧振發(fā)生的條件
一個(gè)串聯(lián)電路中,要想發(fā)生諧振,需要滿(mǎn)足一定的條件。
● 總阻抗值最小
● 電源電壓一定時(shí),電流最大
● 電路呈電阻性,電容或電感上的電壓可能高于電源電壓
諧振時(shí)電路中的能量變化
電路向電源吸收的 Q=0 ,諧振時(shí)電路能量交換在電路內(nèi)部的電場(chǎng)與磁場(chǎng)間進(jìn)行。電源只向R提供能量。
高電壓可能會(huì)損壞設(shè)備。在電力系統(tǒng)中應(yīng)避免發(fā)生串聯(lián)諧振。而串聯(lián)諧振在無(wú)線(xiàn)電工程中有廣泛應(yīng)用。
串聯(lián)諧振電路的應(yīng)用
利用串聯(lián)諧振產(chǎn)生工頻高電壓,應(yīng)用在高電壓技術(shù)中,為變壓器等電力設(shè)備做耐壓試驗(yàn),可以有效的發(fā)現(xiàn)設(shè)備中危險(xiǎn)的集中性缺陷,是檢驗(yàn)電氣設(shè)備絕緣強(qiáng)度的最有效和最直接的方法。應(yīng)用在無(wú)線(xiàn)電工程中,常常利用串聯(lián)諧振以獲得較高的電壓。
在收音機(jī)中,常利用串聯(lián)諧振電路來(lái)選擇電臺(tái)信號(hào),這個(gè)過(guò)程叫做調(diào)諧,下圖即為其典型電路。
并聯(lián)諧振
在電感和電容并聯(lián)的電路中,當(dāng)電容的大小恰恰使電路中的電壓與電流同相位,即電源電能全部為電阻消耗,成為電阻電路時(shí),叫作并聯(lián)諧振。
并聯(lián)諧振是一種完全的補(bǔ)償,電源無(wú)需提供無(wú)功功率,只提供電阻所需要的有功功率。諧振時(shí),電路的總電流最小,而支路的電流往往大于電路的總電流,因此,并聯(lián)諧振也稱(chēng)為電流諧振。
發(fā)生并聯(lián)諧振時(shí),在電感和電容元件中流過(guò)很大的電流,因此會(huì)造成電路的熔斷器熔斷或燒毀電氣設(shè)備的事故;但在無(wú)線(xiàn)電工程中往往用來(lái)選擇信號(hào)和消除干擾。
并聯(lián)諧振發(fā)生條件
在以下兩類(lèi)電路中
● 電壓一定時(shí),諧振時(shí)電流最小
● 總阻抗最大
● 電路呈電阻性,支路電流可能會(huì)大于總電流
并聯(lián)諧振電路的應(yīng)用
LC并聯(lián)諧振回路在通信電子電路中的應(yīng)用由它的特點(diǎn)決定。具體來(lái)說(shuō),主要包括三大類(lèi),其一是工作于諧振狀態(tài),作為選頻網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用,此時(shí)呈現(xiàn)為大的電阻,在電流的激勵(lì)下輸出較大的電壓;其二是工作于失諧狀態(tài),此時(shí)呈現(xiàn)為感性或容性,與電路中其他電感和電容一起,滿(mǎn)足三點(diǎn)式振蕩電路的振蕩條件,形成正弦波振蕩器;其三是工作于失諧狀態(tài),即工作于幅頻特性曲線(xiàn)或相頻特性曲線(xiàn)的一側(cè),實(shí)現(xiàn)幅頻變換、頻幅變換以及頻相變換、相頻變換,構(gòu)成角度調(diào)制與解調(diào)電路。
1、用作選頻匹配網(wǎng)絡(luò)的LC并聯(lián)諧振回路
選頻即從輸入信號(hào)中選擇出有用頻率分量而抑制掉無(wú)用頻率分量或噪聲。在通信電子電路中,LC并聯(lián)諧振回路作為選頻網(wǎng)絡(luò)而使用是最普遍的,它廣泛地應(yīng)用于高頻小信號(hào)放大器、丙類(lèi)高頻功率放大器、混頻器等電路中。這些電路的共同特點(diǎn)是:LC諧振回路不僅是一種選頻網(wǎng)絡(luò),通過(guò)變壓器連接方式,還起到阻抗變換的作用,減小放大管或負(fù)載對(duì)諧振回路的影響,可獲得較好的選擇性。
高頻小信號(hào)選頻放大器用來(lái)從眾多的微弱信號(hào)中選出有用頻率信號(hào)加以放大,并對(duì)其他無(wú)用頻率信號(hào)予以抑制,它廣泛應(yīng)用于通信設(shè)備的接收機(jī)中。單調(diào)諧放大器電路及交流通路如下圖所示。
2、作為電容構(gòu)成泛音晶體振蕩器的LC并聯(lián)諧振回路
在外加交變電壓的作用下,石英晶片產(chǎn)生的機(jī)械振動(dòng)中,除了基頻的機(jī)械振動(dòng)外,還有許多奇次頻率的泛音。當(dāng)需要工作頻率很高的晶體振蕩器時(shí),多使用泛音晶體振蕩器。下圖所示為泛音晶體振蕩器。
3、實(shí)現(xiàn)幅頻變換和頻相轉(zhuǎn)換功能的LC并聯(lián)諧振回路
LC并聯(lián)諧振回路阻抗的相頻特性是一條具有負(fù)斜率的單調(diào)變化曲線(xiàn),利用曲線(xiàn)中,線(xiàn)性部分可以進(jìn)行頻率與相位的線(xiàn)性轉(zhuǎn)換,這主要應(yīng)用在相位鑒頻電路中;同樣,LC并聯(lián)諧振回路阻抗的幅頻特性曲線(xiàn)中的線(xiàn)性部分也可以進(jìn)行頻率與幅度的線(xiàn)性轉(zhuǎn)換,因而在斜率鑒頻電路中也得到了應(yīng)用。
以斜率鑒頻器為例,如圖所示,圖(a)是諧振回路的輸入電流與輸出電壓。圖(b)是其中的頻率一振幅變換原理。圖(c)為單失諧回路鑒頻器原理圖。