淺談電路諧振現(xiàn)象在實(shí)際中的應(yīng)用

劉春樹

摘? ?要：研究分析RLC串/并聯(lián)電路的相關(guān)特性對理解、學(xué)習(xí)及實(shí)踐具有非常重要指導(dǎo)意義，電路諧振現(xiàn)象的發(fā)現(xiàn)為人們做出了巨大貢獻(xiàn)，在很多領(lǐng)域有所運(yùn)用。如電子電路中 用于選頻放大器;組成阻波器;構(gòu)成各種濾波器。另外，在電力系統(tǒng)中也有很廣的用途。如減輕設(shè)備重量，改善輸出電壓波形，實(shí)現(xiàn)電動(dòng)機(jī)的軟起動(dòng)并且減少起動(dòng)電流等?？梢哉f，諧振電路這一理論是現(xiàn)代科技信息發(fā)展的理論依據(jù)。

關(guān)鍵詞：諧振現(xiàn)象;工作原理;實(shí)際應(yīng)用

1? 電路的諧振現(xiàn)象分析

諧振現(xiàn)象是交流電路中產(chǎn)生的一種特定的工作狀態(tài)，電路包含有電阻、電感和電容三種元件，它的入端阻抗通常為一復(fù)數(shù)，若接入一個(gè)電壓幅值一定、頻率連續(xù)可變的正弦交流信號，則電路中的阻抗值隨著變化而改變。根據(jù)公式可知，當(dāng)信號為某特定值時(shí)，整個(gè)電路呈現(xiàn)為純電阻性。電路達(dá)到這種狀態(tài)稱之為諧振。在諧振狀態(tài)下，輸入端電壓與電流為同相位。諧振主要分為串聯(lián)諧振與并聯(lián)諧振兩種[ 1 ]。

1.1? ;先分析由R、L、C組成的串聯(lián)諧振電路

圖1? 串聯(lián)諧振電路

圖1a中，元件RLC頭尾相連組成串聯(lián)電路，當(dāng)輸入正弦信號的角頻率為ω時(shí)，它的輸入端總阻抗為：

電路發(fā)生諧振時(shí)，感抗xL與容抗xC不等零，但電路的總電抗x=0，它們的值為：

電壓與電流的相量圖如1b所示。

1.2? RLC串聯(lián)諧振電路外電壓與內(nèi)電壓的關(guān)系

諧振時(shí)的總阻抗等于電阻，電阻上的電壓等于外電壓。事實(shí)上，在諧振電路中，諧振時(shí)電容和電感上的電壓往往比總電壓大幾十倍到幾百倍。只是因?yàn)橹C振時(shí)電容和電感上電壓大小相等，相位相差180度，相互抵消了。

1.3? RLC串聯(lián)諧振電路Q值的物理意義

諧振時(shí)，Z=R，U=UR，電容或電感元件上的電壓與總電壓的比值Q，定義為電路的品質(zhì)因數(shù)，Q=UC/U=UL/U=1/ωCR=ωL/R，Q值反映了諧振電路的固有性質(zhì)，是電路性質(zhì)的一個(gè)重要指標(biāo)。當(dāng)電阻、電容和電感確定后，電路的品質(zhì)因數(shù)就確定了。因電容或電感上的電壓是輸入電壓Q倍（遠(yuǎn)高于輸入電壓），故稱串聯(lián)諧振為電壓諧振[ 2 ]。

1.4? RLC串聯(lián)諧振電路的選擇性與通頻帶

諧振電路在無線電技術(shù)中最重要的應(yīng)用是選擇信號，當(dāng)電路的諧振頻率與某個(gè)電臺的頻率一致時(shí)，我們收到它的訊號就最強(qiáng)，其它頻率與電路的諧振頻率不一致的電臺就被抑制掉。這就是利用了諧振電路的選頻特性。

電子技術(shù)中規(guī)定，圖2曲線電流值大于0.707倍所對應(yīng)的頻率之差為通頻帶寬度，簡稱帶寬。它的大小等于其邊緣頻率f1、f2之差Δf=f2-f1?？梢宰C明帶寬反比于諧振電路的品質(zhì)因數(shù)，Δf=f0/Q，諧振電路的帶寬與諧振電路的Q值成反比，Q越大，曲線越尖銳，帶寬越小，當(dāng)信號稍微偏離諧振點(diǎn)時(shí)，曲線就急劇下降，電路對非諧振頻率下的電流具有較強(qiáng)的抑制作用，它的頻率選擇性就越強(qiáng) 。

1.5? 串聯(lián)諧振電路諧振時(shí)的特點(diǎn)

a）電路阻抗最小回路電流最大;b）電壓、電流同相位;c）電感或電容上的電壓是外電壓的Q倍;d）對信號有選擇性。

1.6? RLC并聯(lián)諧振電路（以R//L//C為例）

電壓與電流的相量關(guān)系如圖3b所示。

1.7? 并聯(lián)諧振電路諧振時(shí)的特點(diǎn)

a）阻抗最大電流最小，而回路內(nèi)的電流為總電流的Q倍，因此，并聯(lián)諧振也稱為電流諧振。b）對信號具有選擇性，Q值越大，選擇性就越強(qiáng)。

2? 諧振電路在電子線路中的應(yīng)用

2.1? LC諧振回路在無線電技術(shù)、廣播電視技術(shù)中的應(yīng)用

LC并聯(lián)諧振回路在各種無線電裝置、設(shè)備、測量儀器等都得到廣泛的應(yīng)用，如高頻小信號放大器、混頻器等線路中，而且通過變壓器連接，還起到阻抗變換的作用，比如收音機(jī)、電視機(jī)同時(shí)接收多個(gè)電臺的廣播電視節(jié)目，而我們收聽收看時(shí)，改變諧振電路的諧振頻率，使其諧振在所需要接收臺的載頻上，從而選擇出所接收臺的廣播電視信號，而濾除掉其他臺及外來的無用信號，這就完成了選頻（選臺）。

2.2? LC諧振回路在濾波電路中的使用

濾波電路通常用于濾去整流輸出中的紋波，LC諧振濾波器還用于的諧波補(bǔ)償裝置，主要由電容器、電抗器和電阻器三種元件組合而成，再與諧波源并聯(lián)，不但起濾波作用，還兼顧無功補(bǔ)償，具有結(jié)構(gòu)簡單、設(shè)備投資少、運(yùn)行可靠、運(yùn)行費(fèi)用低廉等優(yōu)點(diǎn)，因此得到廣泛的應(yīng)用。

2.3? 在鐵磁諧振式變壓器中的運(yùn)用

這種變壓器是利用磁性材料的非線性特點(diǎn)和電容諧振方式來實(shí)現(xiàn)穩(wěn)壓的。由于應(yīng)用了鐵磁諧振的原理，它具有一些的性能優(yōu)越的特點(diǎn)：（1）可靠性極高（無電子元器件）。（2）抗干擾能力超強(qiáng)（可以實(shí)現(xiàn)輸入、輸出雙向抗干擾）。（3）無輸出 過壓現(xiàn)象。（4）輸入電壓范圍寬。（5）響應(yīng)時(shí)間短。

2.4? 在電信工程上的應(yīng)用

由于RLC串聯(lián)諧振時(shí)電感兩端的電壓，電容兩端的電壓比總電壓大得多。當(dāng)xL或（xc）遠(yuǎn)大于R時(shí)，即諧振回路的品質(zhì)因數(shù)Q很高時(shí)，電感、電容上的電壓可以比總電壓高出許多倍，無線電接收機(jī)如收音機(jī)等就是利用此原理。因?yàn)橥鈦淼臒o線電信號非常弱，通過電壓諧振可以把微弱的電信號上升到幾十倍甚至幾百、幾千倍。

3? LC串聯(lián)諧振在電力系統(tǒng)中應(yīng)用

3.1? 交流耐壓試驗(yàn)用

電力行業(yè)一直使用工頻耐壓試驗(yàn)來考核絕緣耐受過電壓的能力，以保證電氣設(shè)備的絕緣強(qiáng)度耐受長時(shí)間工頻電壓的作用和工頻電壓升高的能力，測試辦法需要一個(gè)高壓源。傳統(tǒng)得到高電壓的方法是用電壓互感器進(jìn)行升壓，但如果利用串聯(lián)諧振原理設(shè)計(jì)的一種新的升壓裝置，可以縮小設(shè)備的體積和重量，完成被試品的耐壓試驗(yàn)[ 3 ]。原理如圖 4。

若輸入u=220V，f=50Hz電源， 利用串聯(lián)諧振電路特性獲得幾十萬伏的高電壓，并可輸出所需電流。圖4中電抗器L與被試品（電容Cx）構(gòu)成串聯(lián)電路，通過改變諧振電容C可使電路發(fā)生諧振，調(diào)節(jié)調(diào)壓器T可控制其電壓大小，從而在Cx上得到一個(gè)是輸入端Q倍的電壓，為了減輕設(shè)備的重量，L應(yīng)用高電感，盡可能提高電路的品質(zhì)因數(shù)Q，該系統(tǒng)試驗(yàn)所需的電源功率只有試驗(yàn)容量的1/Q. 重量和體積大為減少，僅傳統(tǒng)試驗(yàn)裝置的幾分一。若采用大變比電壓互感器進(jìn)行工頻升壓實(shí)驗(yàn)，需用吊車、卡車等設(shè)備，要花費(fèi)很多的人力、物力，實(shí)施起來很不方便。

3.2? 作阻波器用

阻波器是載波通信及高頻保護(hù)不可缺少的高頻通信元件，起減少高頻能量損耗的作用。由電感與電容并聯(lián)構(gòu)成，主要利用諧振原理使阻波器對高頻信號呈高阻抗而對工頻信號則只有很小的阻抗，這樣使工頻信號暢通無阻而將高頻信號阻隔在線路上，以避免高頻信號對系統(tǒng)的干擾，同時(shí)可利用此高頻信號在兩變電站或電廠之間進(jìn)行通訊。

4? 電壓諧振的優(yōu)點(diǎn)

防故障點(diǎn)燒傷。用諧振法對試品進(jìn)行耐壓實(shí)驗(yàn)，若絕緣被擊穿，破壞了蕩條件，電流迅速下降到極小值。若用試驗(yàn)變壓器做耐壓試驗(yàn)， 當(dāng)絕緣弱點(diǎn)被擊穿時(shí)電流立即上升幾十倍.所以，串聯(lián)諧振不僅能找到絕緣弱點(diǎn)，而且避免了大電流燒傷故障點(diǎn)的發(fā)生。

5? 電壓諧振也有其不利的一面

例如，在電力工程中，由于本身工作電壓就很高，一旦諧振發(fā)生，則在電感線圈和電容上將產(chǎn)生非常高的電壓，造成電容和電感線圈的絕緣擊穿、設(shè)備損壞等事故。因此，在電力工程上應(yīng)盡量避免電壓諧振。

參考文獻(xiàn)：

[1]陸荃.諧振電路在發(fā)電機(jī)老化試驗(yàn)中的應(yīng)用[J].水電站機(jī)電技術(shù)，2018，5（3）：35-38.

[2]李坤.應(yīng)用于AGV的無線充電技術(shù)研究[D].哈爾濱：哈爾濱工業(yè)大學(xué)，2012：24-29.

[3]張麗萍，袁建生，于全福.電路串聯(lián)諧振原理在電力工程中的應(yīng)用[J].電氣電子教學(xué)學(xué)報(bào)（自然科學(xué)版），1999，5（2）：46-50.