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?(2)電感元件的交流電路

??在上一次學(xué)習(xí)電路基本定律的相量形式的時(shí)候，我就有提到過(guò)，在正弦交流電路中，流過(guò)電阻元件的電流與電阻元件兩端的電壓同相;流過(guò)電感元件的電流滯后于電感元件兩端的電壓90°;流過(guò)電容元件的電流超前于電容元件兩端的電壓90°。下圖32-6(a)所示為一電感元件的交流電路。

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圖32-6

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?圖32-7

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電感元件的交流電路中電壓與電流的關(guān)系如圖32-7(1)所示。根據(jù)上文電感元件的電壓電流公式，設(shè)流過(guò)線圈的電流i是初相角為零的正弦量，代入(1)式，得到的結(jié)果如圖32-7(2)式所示，微分公式的變換過(guò)程大家了解一下就行，我們要知道的是結(jié)果。

??比較圖32-6(b)中的電壓與電流的波形圖和圖32-7(2)式中的電壓與電流的瞬時(shí)值表達(dá)式，可以發(fā)現(xiàn)，電壓和電流的頻率相同，此時(shí)電壓的相位是超前電流相位90°的。從圖32-7的(2)式可得，電壓U的有效值是等于IωL的。

??類似于歐姆定律U =IR，在電感元件的交流電路中，如圖32-7的(3)所示，定義感抗XL=ωL，可得U =IXL。在交流電路中，阻抗包含了電阻和電抗，而電抗又包含感抗和容抗，這里的感抗就是XL。

??由角頻率ω與頻率f的關(guān)系ω=2πf，如圖32-7的(3)所示，可得感抗XL=2πfL，即感抗XL是頻率f的函數(shù)，如圖32-6(c)所示，感抗XL與頻率f的函數(shù)曲線為過(guò)原點(diǎn)的直線，而電流I與頻率f的關(guān)系為反比例函數(shù)。

??正如圖32-7(4)所示，當(dāng)在直流電路時(shí)，頻率f為零，此時(shí)線圈感抗XL為零，在交流電路中，隨著頻率f的增大，感抗XL也增大，即電感具有通直阻交的作用，或者可以這樣說(shuō)，電感元件具有通低頻阻高頻的特性。

??根據(jù)圖32-7(2)式，電壓超前電流90°，可畫(huà)出電壓與電流的向量圖，如圖32-6(d)所示，即電壓相量與電流相量夾角為90°。

??另外，電壓與電流的相量式如圖32-7(5)所示，結(jié)合之前在學(xué)“正弦量的相量表示”時(shí)所學(xué)的復(fù)數(shù)知識(shí)(復(fù)數(shù)F =a jb)，其中的j為90°旋轉(zhuǎn)因子，可以得到電壓相量除以電流相量的商為jωL，這其實(shí)就是電感電路復(fù)數(shù)形式的歐姆定律。

??在上文中，我們知道了電感元件是儲(chǔ)能元件，在交流電路中，它把吸收的電能轉(zhuǎn)化為磁場(chǎng)能量存儲(chǔ)在磁場(chǎng)中。同是圖32-6(a)所示的電感元件的交流電路，電感元件的功率關(guān)系如圖32-8所示。

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圖32-8

根據(jù)上文提到的瞬時(shí)功率和平均功率的定義，電感元件的瞬時(shí)功率p的表達(dá)式為圖32-8(1)式所示，其中三角函數(shù)的變換大家看看就行，不懂也沒(méi)關(guān)系，記住結(jié)論就可以了。

??根據(jù)瞬時(shí)功率p的表達(dá)式畫(huà)出其波形右圖(a)所示。結(jié)合電壓u、電流i和瞬時(shí)功率p的波形圖，可以發(fā)現(xiàn)，當(dāng)電壓與電流的方向一致時(shí)，電感元件向電源吸收能量并存儲(chǔ);當(dāng)電壓與電流方向相反時(shí)，電感元件向電源釋放能量，這個(gè)吸收和釋放能量的過(guò)程是可逆的，且吸收的能量和釋放的能量相等。

??也就是說(shuō)，電感元件在存放能量的過(guò)程中是沒(méi)有消耗能量的，只是和電源進(jìn)行能量的交換。由此可推理出電感元件的平均功率為零，正如圖32-8(2)式所示。

??在這里先引入一個(gè)新的概念：無(wú)功功率Q。無(wú)功功率是指在具有電抗的交流電路中，能量在電源和電抗元件(電容、電感)之間不停地交換，交換率的大值稱為“無(wú)功功率”。也就是說(shuō)，無(wú)功功率是用于衡量電感或電容電路中能量交換的規(guī)模，用瞬時(shí)功率達(dá)到的大值表征，如圖32-8(3)式所示，取瞬時(shí)功率p的大值UI，用字母Q表示，單位是乏(var)。

??所謂無(wú)功，并不是說(shuō)它是無(wú)用的，這是相對(duì)于有功功率而言。無(wú)功功率的更多內(nèi)容在此就不展開(kāi)講述，大家感興趣的可以拓展自學(xué)。

??(3)電容元件的交流電路

??在學(xué)習(xí)了電感元件的交流電路的基礎(chǔ)上，學(xué)習(xí)電容元件的交流電路就會(huì)簡(jiǎn)單很多，因?yàn)樗鼈儍烧哂泻芏嘞嗨频牡胤?。如圖32-9(a)所示為一電容元件的交流電路。

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圖32-9

??結(jié)合上文提到的電容元件的電壓與電流的基本關(guān)系式，如下圖32-10(1)所示，設(shè)電壓u初相角為0，其瞬時(shí)值表達(dá)式如圖32-10(2)式所示，將電壓u的瞬時(shí)值表達(dá)式代入(1)式中可以得到此時(shí)電流i的瞬時(shí)值表達(dá)式，微分公式的變換過(guò)程大家不用在意，記得結(jié)果就行。

??根據(jù)圖32-10(2)式中電壓與電流的表達(dá)式，可以發(fā)現(xiàn)，在電容元件的正弦交流電路中，電流是超前電壓90°(電壓滯后電流90°)的，且它們兩者的頻率相同，其波形圖如圖32-9(b)所示。另外，從圖32-10(2)式中也可以看到，電流的有效值I是等于UωC的。

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圖32-10

根據(jù)電壓與電流的關(guān)系I =UωC，同樣是類似于歐姆定律U =IR，如圖32-10(3)所示，定義容抗XC=1/ωC，則U =IXC。

??關(guān)于容抗，上文也說(shuō)了，它和感抗統(tǒng)稱為電抗。同樣的，由角頻率ω與頻率f的關(guān)系ω=2πf，如圖32-10的(3)所示，可得容抗XC=1/2πfC，即容抗XC也是頻率f的函數(shù)，如圖32-9(c)所示，容抗XC與頻率f的函數(shù)曲線為反比例函數(shù)曲線，而電流I與頻率f的關(guān)系曲線為過(guò)原點(diǎn)的直線，和電感元件的感抗與頻率關(guān)系曲線相比較，大家是否發(fā)現(xiàn)了它們之間的差異?

??正如圖32-10(4)所示，當(dāng)在直流電路時(shí)，因?yàn)轭l率f在分母中，頻率趨于零時(shí)，此時(shí)容抗XC趨于無(wú)窮大，相當(dāng)于開(kāi)路;在交流電路中，隨著頻率f的增大，容抗XC減小，所以說(shuō)電容器有隔直作用。

??和電感元件的電壓相量、電流相量類似，電容元件的電壓相量與電流相量關(guān)系如圖32-10(5)所示，畫(huà)出它們的向量圖如圖32-9(d)所示，電壓相量與電流相量的夾角為90°。結(jié)合之前所學(xué)的復(fù)數(shù)知識(shí)，當(dāng)90°旋轉(zhuǎn)因子為-j時(shí)，對(duì)于相量順時(shí)針旋轉(zhuǎn)90°，由于電壓滯后電流90°，所以此時(shí)圖32-10(5)中的電流相量乘以-j而不是j。

??和電感元件一樣，電容元件也是儲(chǔ)能元件，在交流電路中，它把吸收的電能轉(zhuǎn)化為電場(chǎng)能量存儲(chǔ)在電場(chǎng)中。同是圖32-9(a)所示的電容元件的交流電路，電容元件的功率關(guān)系如圖32-11所示。

??由圖32-11(1)所示，電容元件的瞬時(shí)功率和電感元件的瞬時(shí)功率相似，根據(jù)其瞬時(shí)功率p的表達(dá)式畫(huà)出其波形右圖(a)所示。

??結(jié)合電壓u、電流i和瞬時(shí)功率p的波形圖，可以發(fā)現(xiàn)，當(dāng)電壓與電流的方向一致時(shí)，電容元件向電源吸收能量并存儲(chǔ);

??當(dāng)電壓與電流方向相反時(shí)，電容元件向電源釋放能量，這個(gè)吸收和釋放能量的過(guò)程是可逆的，且吸收的能量和釋放的能量相等。

??也就是說(shuō)，電容元件在存放能量的過(guò)程中是沒(méi)有消耗能量的，只是和電源進(jìn)行能量的交換。由此可推理出電容元件的平均功率為零，正如圖32-11(2)式所示。

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圖32-11

為了同電感電路的無(wú)功功率相比較，和上文的電感元件一樣設(shè)電流的初相角為零，此時(shí)電壓與電流的瞬時(shí)值表達(dá)式如圖32-11(3)所示，則電容元件的瞬時(shí)功率p的大值為-UI，而無(wú)功功率QC為圖32-11(4)所示。

??單一參數(shù)正弦交流電路：電阻元件的交流電路、電感元件的交流電路與電容元件的交流電路的內(nèi)容雖然比較多，但是大家把三者結(jié)合起來(lái)，相互比較就可以發(fā)現(xiàn)，它們的相似之處有很多，記住其中一種電路的相關(guān)特性，就可以聯(lián)想起其余電路的相關(guān)特性。

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圖32-12

在電子技術(shù)及電力電子技術(shù)中，要經(jīng)常用到具有電阻值的元件“電阻器”和具有一定電容值的元件“電容器”，電阻器也叫定值電阻，簡(jiǎn)稱電阻，而電容器也叫定值電容，簡(jiǎn)稱電容。

??一般電阻器和電容器都是按標(biāo)準(zhǔn)化系列生產(chǎn)的，所以它們有著同一的標(biāo)稱值、允許誤差等。

??例如電阻器可以通過(guò)查看其色環(huán)而知道它的一些參數(shù)，如上圖32-12所示就是電阻器的色環(huán)表示法。

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