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铁磁谐振产生的物理过程

作者:武汉鼎升电力自动化有限责任公司时间:2016-06-21 我要发布

关键词: 铁磁谐振产

 串联谐振装置

以基波谐振为例,图3画出了铁芯电感和电容上的电压随电流变化的曲线Ul、Uc,电压和电流都用有效值表示。显然Uc应是一根直线(Uc=1/ωc)。对铁芯电感,在铁芯未饱和前,Ul基本是一根直线(见图 3中Ul的起始部分),它具有未饱和的电感值Lo,当铁芯饱和以后,电感值减小 ,Ul不再是直线。正常运行条件下,铁芯电感的感抗要大于容抗,即未饱和时电感值Lo应满足ωLo>1/ωc,这是产生铁磁谐振的必要条件,但不是充分条件。只有满足上述条件,伏安特性Ul、Uc才有可能相交。从物理意义上可理解为:当满足以上条件时,电感未饱和时 电路的自振频率低于电源频率, 而随着铁芯的饱和,铁芯线圈中电流的增加,电感值下降,使得在某一电流值(或电压)下,回路的自振频率正好等于或接近电源频率,见Ul、Uc两伏安特性曲线的交点。

若忽略回路电阻,则回路中L和C上的压降之和应与电源电势相平衡,即E=Ul+Uc,由于Ul与Uc相位相反,故此平衡方程变为E=△U,而△U=|Ul-Uc|。在图3中也画出了△U曲线。从图中可看到△U曲线与E线在a1、a2、a3相交,三点都满足电压平衡条件E=△U,称为平衡点。根据物理概念:平衡点满足电压的平衡条件,但不一定满足稳定条件,而不满足稳定条件的点就不能成为实际的工作点。通常可用“小扰动”来考察某平衡点是否稳定,即假定有一个小扰动使回路状态离开平衡点,然后分析回路状态能否回到原来的平衡点状态,若能回到平衡点,则说明该平衡点是稳定的,能成为回路的实际工作点;否则,若小扰动后,回路状态越来越偏离平衡点,则该平衡点是不稳定的,不能成为回路的实际工作点。

 

根据这个原则,判断平衡点a1、a2、a3哪是稳定的。对a1点,若回路中的电流由于某种扰动而有微小的增加,△U沿曲线偏离点a1到a"1点,此时E<△U,使电流减小,从而a"1又回到a1。相反,若扰动使电流有微小的下降,△U沿曲线偏离点a1点到a"1点,此 时E>△U,即外加电势大于总压降,使得电流增大,从而从a"1又回到a1。可见a1点是稳定的。同样方法可判断a3点也是稳定的,a2点是不稳定的。

由此可见,在一定外加电势E的作用下,铁磁谐振回路稳定时可能有两个稳定工作状态, 即a1点与a3点。在a1点,Ul>Uc,回路呈感性,电流很小,电感上与电容上的电压都不太高,不会产生过电压,回路处于非谐振工作状态。在a点,Ul<Uc,回路呈容性,此时不仅回路电流较大,而且在电感、电容上都会产生较大的过电压(图3中,Ul、Uc都大大超过E。串联铁磁谐振现象,也可从电源E增加时回路工作点的变化中看出,如 图 3 所示 ,当电势E由零逐渐增加时,回路的工程点将由O点逐渐上升到m点,然后跃变到n点,同时回路电流将由感性突然变成容性,这种回路电流相位发生180°的突然变化的现象,称为相位反倾现象。在跃变过程中,回路电流激增,电感和电容上的电压也大幅度的提 高,这就是铁磁谐振的基本现象。

从图3可看出,当E较小时,回路存在a1、a2两个可能的工作点,当E超过一定值后,只可能存在一个工作点(a3点右移)。当存在两个工作点时,若电源电势没有扰动,则只能处于非谐振工作点a1。要建立起稳定的谐振(工作于a3点),回路必须经过强烈的过渡过程,如电源的突然合闸、分闸等,这时到底工作在a1点还是谐振点a3,取决于过渡过程的激烈程度。这种需要经过过渡过程来建立谐振的现象,称为铁磁谐振的激发。但谐振一旦激发,则谐振状态可能“自保持”(因 a3点属于稳定工作点),维持很长时间而不衰减。

图3中的P点 ,在P点Uc=Ul,这时回路发生串联谐振(回路的自振角频率ωo等于电源角频率ω),但P点不是平衡点,故不能成为工作点,由于铁芯的饱和,随着振荡的发展,在外加电势作用下,回路将偏离P点,最终稳定于a3点或a1点。而在a3工作点时出现铁磁谐振过电压,正因如此,将a3点而不是P点称为谐振点。

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