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交流電路中的電感器基礎

出處:維庫電子市場網 發(fā)布于:2024-02-27 16:50:02 | 5999 次閱讀

  在交流電路中,電感起著基礎作用,這對于理解電路分析和設計至關重要。
  電感是稱為電感器的電子元件的一種特性,當電流流過電感器時就會產生電感,從而產生磁場。該磁場與電路的其他部分相互作用,導致感抗現象,這是一種對抗電流變化的形式。感抗影響電路的整體阻抗,并對信號濾波和頻率響應具有重要影響。了解串聯和并聯配置中的電感器至關重要,因為它會影響總電感并影響電路的行為。此外,電感電路中的功率涉及電壓和電流之間的相移,從而導致復雜的功率計算。
  在電感電路中,電流的變化會產生感應電動勢,根據楞次定律,感應電動勢將抵抗電流的變化。在直流電路中,感應效應導致電流緩慢上升,最終根據電路電阻達到大約電流的最大值。
  在感應交流電路中,電流的值和方向不斷變化,產生感應電動勢,該感應電動勢必須不斷抵抗電流的變化。圖 1 顯示了純電感電路的電流、感應電動勢和電源電壓之間的關系。
  使用電壓相量作為參考,電流相量滯后 90°,因此與電壓參考成直角繪制。請記住,在最大電壓下,電流為零但不斷上升,而在零電壓下,電流最大。
  感抗
  在交流電路中,電流的變化會產生與電流相反的感應電動勢 (EMF)。這種電流對抗的影響稱為感抗(符號 X L),以歐姆為單位測量。
  實際上,歐姆定律規(guī)定電流等于電壓除以電流的阻力。感抗是一種對電流的阻礙;也就是說,對于純電感,I = V/ X L。
  感抗取決于電感和電源頻率,可以通過以下公式計算:
  \[X_{L}=2\pi fL\]
  在哪里
  X L  = 感抗(歐姆)
  f = 頻率,單位為赫茲 (Hz)
  L = 電感,單位為亨利 (H)
  示例 1: 電感為 0.05 H 的線圈在頻率為
  (a) 30 赫茲和
  (b) 60 赫茲,以及
  \[X_{L}=2\pi fL = 2\times3.142\times30\times0.05=9.43\Omega\]
  \[X_{L}=2\pi fL = 2\times3.142\times60\times0.05=18.85\Omega\]
  示例 2:當施加 600 V、60 Hz 電源時,流過電感為 0.12 H 的線圈的電流值是多少?
  \[X_{L}=2\pi fL = 2\times3.142\times30\times0.12=45.2\Omega\]
  \[I=\frac{V}{X_{L}}=\frac{600}{45.2}=13.3A\]
  示例 3:當施加 250 V、60 Hz 電源且通過線圈的電流為 3 A 時,扼流線圈的電感是多少?
  \[R=\frac{V}{I}=\frac{250}{3}=83.33\Omega\]
  \[L=\frac{X_{L}}{2\pi f}=\frac{83.33}{2\times3.142\times60}=203mH\]
  串聯電感
  如果兩個電感器串聯,每個電感器都會產生一個感應電動勢,并且總感應電動勢將會增加。因此增加了對電流流動的阻力。通過串聯放置電感器,總感抗會增加,就像串聯放置電阻器會增加總電阻一樣:
  \[X_{L總}=X_{L1}+X_{L2}+X_{L3}\cdot\cdot\,\cdot+X_{Ln}\]
  示例 4:當兩個電感器(一個感抗為 10 Ω,另一個感抗為 14 Ω)串聯連接到 250 V、60 Hz 電源時,
  (a) 確定總感抗。
  (b) 確定總電流。
  \[X_{L總}=X_{L1}+X_{L2}+10+14=24\歐米茄\]
  \[I=\frac{V}{X_{L}}=\frac{250}{24}=10.42A\]
  因為感應電動勢的總值增加,這意味著總電感增加。因此,以同樣的方式求出總電感。
  \[L_{總計}=L_{1}+L_{2}+L_{3}
  \cdot\cdot\,\cdot+L_{n}\]
  并聯電感
  如果兩個純電感器并聯,則每個電感器都從電源汲取自己的電流,并且線電流是單獨電流的相量和。每個電流滯后電壓90°;因此,它們彼此同相并且可以算術相加。
  因此,總感抗隨著電流的增加而按比例減少,這使得我們可以使用與并聯電阻器相同類型的公式。
  \[X_{Ltotal}=\frac{1}{\frac{1}{X_{L1}}+\frac{1}{X_{L2}}+\frac{1}{X_{L3}}\cdot \cdot\cdot+\frac{1}{X_{LN}}}\]
  在哪里
  X Ltotal  = 總電抗
  X L1  = 電抗 1
  X L2  = 電抗 2
  X L3  = 電抗 3
  X LN  = 更多電抗
  使用相同的方法計算并聯電感器的電路的總電感
  \[L_{總計}=\frac{1}{\frac{1}{L_{1}}+\frac{1}{L_{2}}+\frac{1}{L_{3}}\cdot \cdot\cdot+\frac{1}{L_{N}}}\]
  在哪里
  L總 = 總電感
  L 1  = 電感1
  L 2  = 電感2
  L 3  = 電感3
  L N  = 更多電感
  示例 5:當兩個電感器(一個感抗為 16 Ω,另一個感抗為 14 Ω)并聯在 250 V、60 Hz 電源上時,
  (a) 確定總感抗。
  (b) 確定總電流。
  \[X_{Ltotal}=\frac{1}{\frac{1}{X_{L1}}+\frac{1}{X_{L2}}}=\frac{1}{\frac{1}{ 16}+\frac{1}{14}}=7.468\歐米茄\]
  \[I=\frac{V}{X_{L}}=\frac{250}{7.468}=33.48\Omega\]
  電感電路中的功率
  電感器將能量存儲為磁場,當磁場消失時,能量返回到電路。這種情況每半個周期發(fā)生一次,并且由于沒有電阻(理論上),因此沒有損耗,并且所有能量都返回到電路?! D 1 將施加的電壓顯示為紅色正弦波,將反電動勢顯示為綠色正弦波。當電阻不存在或可忽略不計時,反電動勢等于所施加的電壓且極性相反,或者,正如您可能注意到的,它異相 180°。

  圖 1. 感應交流電路中的功率動態(tài)。圖片由 Amna Ahmad 提供
  反電動勢與電流變化成正比,因此與電流異相 90°。類似地,電流與施加的電壓異相 90°,當施加的電壓改變極性(即過零)時,會出現最大電流。
  在圖1中,功率由陰影正弦波表示,表明它的頻率是電壓或電流的兩倍,并且有兩個正功率脈沖,我們通常認為已經使用了能量。現在我們必須考慮儲存在電感器中的能量。
  然而,功率曲線的負脈沖并不意味著我們發(fā)現了負功率,而是意味著我們發(fā)現了已返回電路的能量。
  這意味著功率波形的符號每四分之一周期反轉一次,表明功率交替地饋入電感器和從電感器返回。
  在電流上升期間,能量用于產生磁場,而在電流下降期間,磁場崩潰,能量恢復供電。在一個完整的周期內,功率波形的正負部分相互抵消;因此,純電感器消耗的平均功率為零。
  圖1還表明,如果電壓和電流波形是正弦波,但功率波的頻率是線路頻率的兩倍,則功率波是正弦波。
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