電容和電感正弦穩態電抗的研究

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，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態條件下，掌握電感電流被抑制條件下的頻率和強弱關系，利用仿真實驗進行驗證。針對電感于直流動態電路暫態中所體現出來的性質和表現，以及其在正弦交流穩態電路中所呈現出來的性質和表現，給出以物理本質為基礎的儲能、充放電的基礎解釋，幫助深入掌握正弦穩態電抗。

一、電容、電感、電抗相關理論分析

(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。電容的基礎運行原理為充放電，電容類型通常是絕緣介質以及電極決定的。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，能夠為交流電路內的部分并聯元件創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。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揮出相關作用。第五是溫度補償，主要是對其他元件無法有效適應溫度所形成的影響，從而補償優化電路運行穩定性。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。第七是調諧，主要是針對頻率相關電路實施系統性調諧工作，包括電視機、收音機以及手機等。第八是整流，在預定時間階段對導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系[1]。

(二)電感。電抗器便是電感，其在電力系統內主要作用如下，線路并聯電抗器能夠對線路容性充電電流進行合理補償，有效控制系統電壓升高以及操作電壓的形成，促進線路維持穩定運行。站內并聯電抗器能夠吸收無功，減少電壓，屬于無功補償的重要手段之一。母線串聯電抗器能夠對短路電流形成合理限制，促進母線維持較高殘壓。至于電容器組串聯電抗器能夠針對高次諧波進行合理控制，減少電抗。

電路內，電流流經導體過程中便會形成相應的磁場，而電磁場的范圍大小除以電流的數值所得最終結果便是電感。電感也是對線圈形成電磁感應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，線圈中會出現磁通量經過。隨著線圈連接電源的不斷擴大，則其磁場能力相繼增強，經過線圈的磁通量也進一步擴大。相關實驗證明，線圈中經過的磁通量以及通入電流屬于正比關系，兩者比值為自感系數，同時也可以將其稱作為電感。電感的基礎單位是亨，同時還有微亨以及毫亨單位。電感僅能針對非穩恒定電流發揮作用，其主要特征是兩端電壓正比在經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。電感能夠發揮出自身功能作用主要原因是其在經過非穩恒電流過程中所產生的磁場變化，該種磁場同樣還會對電流產生某種影響，因此能夠看出，任意導體，只要其流經非穩恒電流，便會出現磁場變化，從而對電流產生某種影響，而所有導體都不可避免會產生自感現象。在主板中還能夠發現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。而磁心電感相關電感量普遍會應用到濾波電路內，空心電感的相關電感量較小，普遍應用到高頻電路內。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，直流電路內電容屬于開路狀態，電感在不結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，電容器存在傳導電流流經，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果[2]。

二、電容、電感的正弦穩態電抗

(一)正弦穩態電抗。電感器以及電容器相關正弦交流穩態電抗主要是利用數學方法得到的。而一開始阻抗理念的提出便被確定為傳輸線路內外加電容勢趨勢、的電動振勢幅以及電流振幅之比。對于學習者來說，電感和電容的正弦穩態電抗概念在具體深入理解方面存在較大難度。電容電感相關正弦穩態電抗基礎理念缺少直觀有效的物理意義支撐，同時也是產生問題的原因之一。于此構成反差的是，電容器和電感器基礎屬性、儲能水平以及基礎運行方式，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，證明正弦穩態交流電路中，儲能元件的具體表現和性質，以及其在動態直流電路內的表現和性質，擁有較大的相似性，且都是以相同物理現象為基礎，對于揭露正弦穩態電抗本質具有重要作用，能夠幫助學生充分掌握、接受學習正弦穩態電抗。

將正負交替方波下電流抑制現象，結合仿真實驗以及數學推導，準確分析電感電流整體表現和周期之間的聯系。在周期穩態下針對儲能元件形成感性認識，深入感悟電壓和電流表現以及周期大小之間的關系。合理選擇軟件實施仿真實驗，而對應結論以及過程按照對偶原理能夠應用到電容器內。將正負交替方波當成電路對應激勵，進行系統研究分析，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，滿足本文立足于直流電對交流現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論，對正弦波激勵現象進行準確解釋，保證基礎邏輯的科學性與合理性。在正負交替方波激勵電壓充放電時間以及翻轉周期出現相對大小不同條件下，電感電流對應波形特征也會產生某種變化。假如調整激勵電壓周期，則電感電流波形在維持指數規律基礎上，相關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。電力系統內部某個元件出現異常故障的條件下，可以有選擇地迅速在系統中斷開各種異常故障元件，同時促進其他設備維持正常有序運轉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]。

結語

綜上所述，電容器和電感器為代表的相關能量儲存元件于正弦穩態條件下所形成的電抗，其本質屬于基礎性充放磁、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，換而言之，電磁充放屬于正弦穩態電抗的物理本質。