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)諧振試驗裝置。

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

　　在電阻、電感及電容所組成的串聯(lián)電路內，當容抗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，電路呈現電阻性，這種現象叫串聯(lián)諧振。當電路發(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，只要順應它的節湊，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，電容和電感是儲能元件，電源是供能元件，如果一個(gè)周期內補充的能量大于電阻消耗能量，系統能量增大（電感電容兩端電壓就升高），回路電流就增大，電阻耗能增大，從而達到平衡，電線(xiàn)電纜試驗就是利用串聯(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)生的一種特殊現象。圖1所示R、L、C串聯(lián)電路，在正弦電壓Us激勵下，其復阻抗為：

　　式中電抗 是角頻率?的函數，X隨?變化的情況如圖2所示。

　　當?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。當電源頻率一定時(shí)，可以調節電路參數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感法；在電路參數一定時(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，也叫調頻法。

　　串聯(lián)電路諧振時(shí)，其電抗X（ωo）＝0，所以電路的復阻抗 ，呈現為一個(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，用Q表示，即

　　品質(zhì)因數簡(jiǎn)稱(chēng)為Q值。它是由電路參數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10~30），電感電壓和電容電壓的數值都將遠大于外施電壓的值，即可以用較小的試驗電壓在被試設備（如電容式電壓互感器）上產(chǎn)生很高的試驗電壓。從而使諧振激磁電源的容量只需試驗容量的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、變壓器和電容式電壓互感器的試驗，變頻諧振升壓法主要用于交聯(lián)電纜的試驗。能滿(mǎn)足電纜因長(cháng)度不同，電容量在較大范圍內變化的要求。

　　工頻諧振升壓系統是在工頻條件下（現場(chǎng)試驗為50Hz）使得電感和被試品電容諧振，產(chǎn)生工頻高壓。工頻諧振升壓系統一般采用調節電感感抗的方式在激勵源的作用下使得電抗器和被試品電容諧振，通常稱(chēng)為調感式；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的電容量使得在激勵源的作用下與電抗器諧振，通常稱(chēng)為調容式；還可以同時(shí)改變電抗器的感抗和被試系統的電容量使得系統達到諧振狀態(tài)，通常稱(chēng)為調感調容式。調感式通常采用調節鐵心電抗器的氣隙的方式，可以連續平滑的調節感抗值，操作比較方便。電容則不能連續的調節，所以現場(chǎng)操作一般使用調感法或調感調容法。

　　電力系統中，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。有的試品是根據試品的容量和電壓等級及其他特征而變化的，比如發(fā)電機，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可調節的，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)電機和變壓器，第二類(lèi)主要適合CVT。