在交流电路中,电感起着基础作用,这对于理解电路分析和设计至关重要。
电感是称为电感器的
电子元件的一种特性,当电流流过电感器时就会产生电感,从而产生磁场。该磁场与电路的其他部分相互作用,导致感抗现象,这是一种对抗电流变化的形式。感抗影响电路的整体阻抗,并对信号滤波和频率响应具有重要影响。了解串联和并联配置中的电感器至关重要,因为它会影响总电感并影响电路的行为。此外,电感电路中的功率涉及电压和电流之间的相移,从而导致复杂的功率计算。
在电感电路中,电流的变化会产生感应电动势,根据楞次定律,感应电动势将抵抗电流的变化。在直流电路中,感应效应导致电流缓慢上升,终根据电路电阻达到大约电流的值。
在感应交流电路中,电流的值和方向不断变化,产生感应电动势,该感应电动势必须不断抵抗电流的变化。图 1 显示了纯电感电路的电流、感应电动势和电源电压之间的关系。
使用电压相量作为参考,电流相量滞后 90°,因此与电压参考成直角绘制。请记住,在电压下,电流为零但不断上升,而在零电压下,电流。
感抗
在交流电路中,电流的变化会产生与电流相反的感应电动势 (EMF)。这种电流对抗的影响称为感抗(符号 X L),以欧姆为单位测量。
实际上,欧姆定律规定电流等于电压除以电流的阻力。感抗是一种对电流的阻碍;也就是说,对于纯电感,I = V/ X L。
感抗取决于电感和电源频率,可以通过以下公式计算:
\[X_{L}=2\pi fL\]
在哪里
X L = 感抗(欧姆)
f = 频率,单位为赫兹 (Hz)
L = 电感,单位为亨利 (H)
示例 1: 电感为 0.05 H 的
线圈在频率为
(a) 30 赫兹和
(b) 60 赫兹,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:当施加 600 V、60 Hz 电源时,流过电感为 0.12 H 的线圈的电流值是多少?
\[X_{L}=2\pi fL = 2\times3.142\times30\times0.12=45.2\Omega\]
\[I=\frac{V}{X_{L}}=\frac{600}{45.2}=13.3A\]
示例 3:当施加 250 V、60 Hz 电源且通过线圈的电流为 3 A 时,
扼流线圈的电感是多少?
\[R=\frac{V}{I}=\frac{250}{3}=83.33\Omega\]
\[L=\frac{X_{L}}{2\pi f}=\frac{83.33}{2\times3.142\times60}=203mH\]
串联电感
如果两个电感器串联,每个电感器都会产生一个感应电动势,并且总感应电动势将会增加。因此增加了对电流流动的阻力。通过串联放置电感器,总感抗会增加,就像串联放置
电阻器会增加总电阻一样:
\[X_{L总}=X_{L1}+X_{L2}+X_{L3}\cdot\cdot\,\cdot+X_{Ln}\]
示例 4:当两个电感器(一个感抗为 10 Ω,另一个感抗为 14 Ω)串联连接到 250 V、60 Hz 电源时,
(a) 确定总感抗。
(b) 确定总电流。
\[X_{L总}=X_{L1}+X_{L2}+10+14=24\欧米茄\]
\[I=\frac{V}{X_{L}}=\frac{250}{24}=10.42A\]
因为感应电动势的总值增加,这意味着总电感增加。因此,以同样的方式求出总电感。
\[L_{总计}=L_{1}+L_{2}+L_{3}
\cdot\cdot\,\cdot+L_{n}\]
并联电感
如果两个纯电感器并联,则每个电感器都从电源汲取自己的电流,并且线电流是单独电流的相量和。每个电流滞后电压90°;因此,它们彼此同相并且可以算术相加。
因此,总感抗随着电流的增加而按比例减少,这使得我们可以使用与并联电阻器相同类型的公式。
\[X_{Ltotal}=\frac{1}{\frac{1}{X_{L1}}+\frac{1}{X_{L2}}+\frac{1}{X_{L3}}\cdot \cdot\cdot+\frac{1}{X_{LN}}}\]
在哪里
X Ltotal = 总电抗
X L1 = 电抗 1
X L2 = 电抗 2
X L3 = 电抗 3
X LN = 更多电抗
使用相同的方法计算并联电感器的电路的总电感
\[L_{总计}=\frac{1}{\frac{1}{L_{1}}+\frac{1}{L_{2}}+\frac{1}{L_{3}}\cdot \cdot\cdot+\frac{1}{L_{N}}}\]
在哪里
L总 = 总电感
L 1 = 电感1
L 2 = 电感2
L 3 = 电感3
L N = 更多电感
示例 5:当两个电感器(一个感抗为 16 Ω,另一个感抗为 14 Ω)并联在 250 V、60 Hz 电源上时,
(a) 确定总感抗。
(b) 确定总电流。
\[X_{Ltotal}=\frac{1}{\frac{1}{X_{L1}}+\frac{1}{X_{L2}}}=\frac{1}{\frac{1}{ 16}+\frac{1}{14}}=7.468\欧米茄\]
\[I=\frac{V}{X_{L}}=\frac{250}{7.468}=33.48\Omega\]
电感电路中的功率
电感器将能量存储为磁场,当磁场消失时,能量返回到电路。这种情况每半个周期发生,并且由于没有电阻(理论上),因此没有损耗,并且所有能量都返回到电路。 图 1 将施加的电压显示为红色正弦波,将反电动势显示为绿色正弦波。当电阻不存在或可忽略不计时,反电动势等于所施加的电压且极性相反,或者,正如您可能注意到的,它异相 180°。
图 1. 感应交流电路中的功率动态。图片由 Amna Ahmad 提供
反电动势与电流变化成正比,因此与电流异相 90°。类似地,电流与施加的电压异相 90°,当施加的电压改变极性(即过零)时,会出现电流。
在图1中,功率由阴影正弦波表示,表明它的频率是电压或电流的两倍,并且有两个正功率脉冲,我们通常认为已经使用了能量。现在我们必须考虑储存在电感器中的能量。
然而,功率曲线的负脉冲并不意味着我们发现了负功率,而是意味着我们发现了已返回电路的能量。
这意味着功率波形的符号每四分之一周期反转,表明功率交替地馈入电感器和从电感器返回。
在电流上升期间,能量用于产生磁场,而在电流下降期间,磁场崩溃,能量恢复供电。在一个完整的周期内,功率波形的正负部分相互抵消;因此,纯电感器消耗的平均功率为零。
图1还表明,如果电压和电流波形是正弦波,但功率波的频率是线路频率的两倍,则功率波是正弦波。