IGBT半桥串联谐振型感应加热电源调频调功技术研究
IGBT半桥串联谐振型感应加热电源调频调功技术研究
【摘要】针对IGBT半桥串联谐振型感应加热电源，详细分析了其在弱感性状态下的工作过程，提出了一种基于单片机S3F9454和SG3525来实现调频调功的方案。通过该方案可以实现对负载固有谐振频率及时跟踪，系统能自动按照设定的功率实现恒功率的输出。经过样机试验验证了该方案的可行性，试验结果表明该装置加热速度快、效率高、节能环保。
【关键词】IGBT半桥串联谐振；SG3525；S3F9454；调频调功
1引言
现阶段市场上加热型设备所用的加热方式普遍为电热圈发热，通过接触传导方式把热量传到被加热体上，存在加热速度慢、热传导损失、无法满足一些温度需要较高的场合等缺点。电磁感应加热技术是利用金属被加热体在交变磁场中产生的涡流进行加热，使得被加热体快速发热，并且可以根据实际情况在加热体外部包裹一定的隔热保温材料，以减少热量的散失，从而提高热效率。该方法具有易实现自动控制、热效率高、节电效果显著等优点。
感应加热电源常用的功率调节方式有两种：调压调功方式和调频调功方式[1]。本设计中采用调频调功方式，这种调功方式简单，可对电路的工作频率直接调整，连续调节功率，不需要调压环节，控制简单。因此提出了一种单片机S3F9454和SG3525相结合的调频调功控制方案，既减少了逆变器的开关损耗，又确保了主电路安全可靠的工作。
2 主电路工作原理
全谐振开关电源的原理 设计谐振变换器中的变压器 (design for an LLC resonant converter(transformer )设计全过程! 近段时间LLC谐振变换器备受关注,因为它优于常规的串联谐振变换器和并联谐振变换器:在负载和输入变化较大时,频率变化很小,且全负载范围内切换可实现零电压转换(ZVS), 下面我们就来讨论这种线路结构种的变压器设计. 当然在设计变压器之前还有些其它线路的设计,大概总结如下: a) 定义系统参数, 比如说目标效率. 输入电压范围等 b) 确定谐振网络的最大和最小电压增益 M min=Vro/Vinmax/2=Lm+n^2Llks/Lm=Lm+Llkp/Lm M max= Vin max/Vin min*M min c) 确定变压器圈数比(n=Np /Ns) n=Vin max/{2(Vo+2Vf)}*M min. d) 计算等效负载电阻(Rac) Rac={8n^2/(3.14)^2}*(Vo^2/Po)*Eff e) 设计谐振网络(一般在峰值增益上要有10-15%余量) Cr=1/2*3.14*Q*F0*Rac Lr=1/ (2*3.14*F0)^2*Cr Lp= (k+1)^2/(2k+1)*Lr 注:K值为: Lm/Llkp (激磁电感和初级漏磁电感之间的比)
下面进入主题-----设计变压器: 在设计变压器是应以最坏的情况来考虑,那么此案子是在最低的开关频率发生在最低的输入电压和满负载的情况下. 下面我们来计算原边(Np)最小圈数值.. Np min= n(V0+2Vf)/(2*Fs min* *Ae)-------△B:可以取0.25--0.3T. 然后,选择次级圈数,保证初级圈数大于Np min. Np =n*Ns>Np min 下面我们以一个实例来讨论LLC谐振变换器中的变压器具体设计: 首先根据Ap法算出大概需要的core size ,本例变压器选EER3541(Ae=107mm^2). 接下来再讨论最小的开关频率,在设计LLC谐振变压器时可以根据增益曲线可以从图表上查出,,,然后再按上述的公式来算初,次级的圈数.... 接下来就是和我们普通的变压器设计流程一样.... 下一步是来讨论变压器的构造... 因为LLC 谐振变换器是充分利用变压器的Lp,Lr..故在结构设计中应该留心... 刚有谈到LLC谐振变换器是充分利用变压器的Lp,Lr,则1在设计时需要一个相对较大的Lr值.我们一般可以采用一种可组合线轴.以获得理想的Lr值... 这种结构,线圈数和绕线结构是决定Lr大小的主要因素,而变压器的磁心气隙长度不会影响Lr太多...但,我们可以通过调整气隙长度来轻松控制Lp.. 最后我们来选择谐振电容.... 大家都知道,在选择谐振电容时必须考虑额定电流,因为会有相当数量的电流流经电容... 通过谐振电容器的均方根可表示为: Icr (rms)=√ {(3.14*Io/2√2n)^2 }+ {n(Vo+2*Vf)/4√2FoLm}^2
RLC串联谐振频率及其计算公式串联谐振是指所研究的串联电路部分的电压和电流达到同相位,即电路中电感的感抗和电容的容抗在数值上时相等的,从而使所研究电路呈现纯电阻特性,在给定端电压的情况下,所研究的电路中将出现最大电流,电路中消耗的有功功率也最大. 1. 谐振定义：电路中L、C 两组件之能量相等，当能量由电路中某一电抗组件释 出时，且另一电抗组件必吸收相同之能量，即此两电抗组件间会产生一能量脉动。 2. 电路欲产生谐振，必须具备有电感器L及电容器C 两组件。 3. 谐振时其所对应之频率为谐振频率(resonance)，或称共振频率，以f r表示之。 4. 串联谐振电路之条件如图1所示：当Q=Q ?I2X L = I2 X C也就是X L =X C时，为R-L-C串联电路产生谐振之条件。
图1 串联谐振电路图 5. 串联谐振电路之特性： (1) 电路阻抗最小且为纯电阻。即 Z =R+jX L?jX C=R (2) 电路电流为最大。即 (3) 电路功率因子为1。即 (4) 电路平均功率最大。即P=I2R (5) 电路总虚功率为零。即Q L=Q C?Q T=Q L?Q C=0 6. 串联谐振电路之频率： (1) 公式： (2) R - L -C串联电路欲产生谐振时，可调整电源频率f 、电感器L 或电容器C 使其达到谐振频率f r，而与电阻R完全无关。
7. 串联谐振电路之质量因子： (1) 定义：电感器或电容器在谐振时产生的电抗功率与电阻器消耗的平均功率 之比，称为谐振时之品质因子。 (2) 公式： (3) 品质因子Q值愈大表示电路对谐振时之响应愈佳。一般Q值在10～100 之 间。 8. 串联谐振电路阻抗与频率之关系如图(2)所示： (1) 电阻R 与频率无关，系一常数，故为一横线。 (2) 电感抗X L=2 πfL ，与频率成正比，故为一斜线。 (3) 电容抗与频率成反比，故为一曲线。 (4) 阻抗Z = R+ j(X L?X C) 当 f = f r时， Z = R 为最小值，电路为电阻性。
在电阻、电感及电容所组成的串联电路内，当容抗XC与感抗XL相等时，即XC=XL，电路中的电压U与电流I的相位相同，电路呈现纯电阻性，这种现象叫串联谐振。当电路发生串联谐振时电路的阻抗Z=√R^2 +(XC-XL)^2=R，电路中总阻抗最小，电流将达到最大值。 串联谐振的三大应用 高压大电容量设备进行交流耐压试验时,试验变压器容量要求非常大,试验设备笨重,而 应用串联谐振原理可以利用电压及容量小得多的设备产生所需的试验电压,满足试验要求。下面三新电力给大家介绍一下串联谐振试验装置在各个领域的应用。 1.在电缆试验中的应用 城乡电网中电缆的大量使用,其故障时有发生。为保证交联电缆的安全运行,国家电网公司对电缆交接和预防性试验做出了新的规定,用交流耐压试验替代原来的直流耐压试验,以 避免直流试验的累积效应对电缆造成损伤。
国际大电网会议(CIGRE)21.09工作组的建议导则提出高压挤包绝缘电缆的现场试验采用DAXZ串联谐振试验系统,频率范围为30～300Hz。并在1997年发表的题为“高压橡塑电缆系统敷设后的试验”的总结报告中明确指出以下3条。 ①由于直流电场强度按电阻率分布,而电阻率受温度等影响较大,同时耐压试验过程中,终端头的外部闪络引起的行波可能造成绝缘损坏。 ②直流耐压试验在很高电压下,难以检出相间的绝缘缺陷。 ③直流电压本身容易在电缆内部集起空间电荷,引起电缆附件沿绝缘闪络,因波过程还会产生过电压,这些现象迭加在一起,使局部电场增强,容易形成绝缘弱点,在试验过程中可能导致绝缘击穿,并可能在运行中引起事故。 很多电缆在交接试验中按GB50150-2006标准进行直流耐压试验顺利进行,但投运不久就发生绝缘击穿事故,正常运行的电缆被直流耐压试验损坏的情况也时有发生。交流耐压试验因其电场分布符合运行实际情况,故对电缆的试验最为有效。 通常交流电力电缆的电容量较大,试验电流也很大,调感式设备的体积将非常巨大并且电感调节也很困难,而调频式装置则灵活性更强,更易于实现。因此,电缆现场交流耐压试验多利用变频谐振试验设备。三新可根据客户需求制造10KV、35KV、110KV、220KV、500KV 电压等级的串联谐振试验装置。 2.在GIS设备中的应用 气体绝缘开关设备在工厂整体组装完成以后或分单元进行调整试验,试验合格后以分单元运输的方式运往现场安装。运输过程中的振动、撞击等可能导致GIS元件或组装件内坚固件松动或移位;安装过程中,在联结、密封等工艺处理方面可能失误,导致电极表面刮伤或安装错位引起电极表面缺陷;安装现场可能从空气中进入悬浮尘埃。导电微粒杂质等,这些在安装现场通过常规试验将难以检查出来,对GIS的安全运行将是极大的威胁。 由于试验设备和条件所限,早期的GIS产品多数未进行严格的现场耐压试验。事故统计表明没有进行现场耐压试验的GIS大都发生了事故。因此,GIS必须进行现场耐压试验。 GIS的现场耐压主要包括交流电压、振荡操作冲击电压和振荡雷电冲击电压等3种试验方法。其中交流耐压试验是GIS现场耐压试验最常见的方法,它能够有效地检查异常的电场结构(如电极损坏)。 目前,由于试验设备和条件所限,现场一般只做交流耐压试验。IEC517和GB7674认定对SF6气体绝缘试验电压频率在10～300Hz范围内与工频电压试验基本等效。国内外大多采用调频式串联谐振耐压试验装置进行GIS现场交流耐压试验。
感应加热DIY教程 总体架构： 串联谐振2.5KW 锁相环追频ZVS，MOSFET全桥逆变； 磁芯变压器两档阻抗变换，水冷散热，市电自耦调压调功，母线过流保护。 在开始制作之前，有必要明确一些基础性原理及概念，这样才不至于一头雾水。 一．加热机制（扫盲用，高手跳过） 1.1涡流，只要是金属物体处于交变磁场中，都会产生涡流，强大的高密度涡流能迅速使工件升温。这个机制在所有电阻率不为无穷大的导体中均存在。 1.2感应环流，工件相当于一个短路的1匝线圈，与感应线圈构成一个空心变压器，由于电流比等于匝比的反比，工件上的电流是感应线圈中电流的N（匝数）倍，强大的感应短路电流使工件迅速升温。这个机制在任何导体中均存在，恒定磁通密度情况下，工件与磁场矢量正交的面积越大，工件上感生的电流越大，效率越高。由此可看出，大磁通切割面积的工件比小面积的工件更容易获得高温。 1.3磁畴摩擦（在铁磁体内存在着无数个线度约为10-4m的原本已经磁化了的小区域，这些小区域叫磁畴），铁磁性物质的磁畴，在交变磁场的磁化与逆磁环作用下，剧烈摩擦，产生高温。这个机制在铁磁性物质中占主导。 由此可看出，不同材料的工件，因为加热的机制不同，造成的加热效果也不一样。其中铁磁物质三中机制都占，加热效果最好。铁磁质加热到居里点以上时，转为顺磁性，磁畴机制减退甚至消失。这时只能靠剩余两个机制继续加热。 当工件越过居里点后，磁感应现象减弱，线圈等效阻抗大幅下降，致使谐振回路电流增大。越过居里点后，线圈电感量也跟着下降。LC回路的固有谐振频率会发生变化。致使固定激励方式的加热器失谐而造成设备损坏或效率大减。 二．为什么要采用谐振？应采用何种谐振？ 2.1先回答第一个问题。我曾经以为只要往感应线圈中通入足够强的电流，就成一台感应加热设备了。也对此做了一个实验，见下图。
串联谐振试验装置怎么使用 串联谐振试验装置怎么使用呢？串联谐振试验装置主要用来进行高压电器设备的交流耐压试验，具有升压快、精度高、使用方便等特点，深受广大电力工作者的欢迎，但是实际的使用过程中，需要使用者熟练操作，才能达到仪器的测试效果，本文就以YTV850串联谐振试验装置为例，来给大家简单介绍串联谐振试验装置怎么使用。 开机后，显示界面如图： 试验参数配置：在每次试验前必须正确设置当次试验的各种参数！点击“参数配置”后，显示界面如图
起始频率：选择自动调谐时的启动频率，下限频率为20Hz，上限频率zui低为200Hz。 终止频率：选择自动调谐时的结尾频率，下限频率为100Hz，上限频率zui低为300Hz。 1．设置"起始频率"不可高于"终止频率"。 2.当*次试验时建议采用30Hz～300Hz进行扫描。 3.当已经知道大概频率范围时，可以选定在适当的频率段扫描，以减少试验时间。 起始电压：设置调谐时输入电压的初此值。
1. 对Q值较低的试品如发电机、电动机、架空母线，初此值设定为50～70V； 2. 对Q值较高的试品如电力电缆、变压器、GIS等，初此值设定为30～50V。 *阶段试验电压：设置试验电压的*阶段值。 *阶段试验时间：设置*阶段试验电压的耐压时间。 第二阶段试验电压：设置试验电压的第二阶段值。 第二阶段试验时间：设置第二阶段试验电压的耐压时间。 第三阶段试验电压：设置试验电压的第三阶段值。 第三阶段试验时间：设置第三阶段试验电压的耐压时间。 我们的电压跟踪系统具备自动校核较大电压波动的功能，但电网电压的波动幅度较小，由此而引起的高压电压的波动也在仪器的捕捉范围内，因此，我们强烈建议你在设置试验电压时，将“试验电压”的数值设定为比要施加的试验电压低2％Ue。 如果没有阶段性耐压试验时，只需设置一个阶段试验电压值和相应的试验时间，其它阶段试验电压和试验时间设为0。 分压器变比：分压器单节变比为3000：1，“分压器变比”设置为3000；（一般出厂已设置好）
《电子设计与制作》 课 程 设 计 报 告
目录 一：题目………………………………………………………..二：原理………………………………………………………….三：电路图……………………………………………………….四：实验内容…………………………………………………….五：实验分析……………………………………………………六：心得体会…………………………………………………….
一、题目：串联谐振电路分析 二、原理 1．串联谐振的定义和条件 在电阻、电感、电容串联电路中，当电路端电 压和电流同相时，电路呈电阻性，电路的这种状态叫做串联谐振。 可以先做一个简单的实验，如图所示，将：三个元件R 、L 和C 与一个小灯泡串联，接在频率可调的正弦交流电源上，并保持电源电压不变。 实验时，将电源频率逐渐由小调大，发现小灯泡也慢慢由 暗变亮。当达到某一频率时，小灯泡最亮，当频率继续增加时， 又会发现小灯泡又慢慢由亮变暗。小灯泡亮度随频率改变而变 化，意味着电路中的电流随频率而变化。怎么解释这个现象呢? 在电路两端加上正弦电压U ，根据欧姆定律有 || U I Z = 式中 2 2 2 2 1 ||()()L C Z R X X R L C ωω= +-= +- L ω和 1 C ω部是频率的函数。但当频率较低时，容抗大而感抗小， 阻抗|Z|较大，电流较小；当频率较高时，感抗大而容抗小，阻抗|Z|也较大，电流也较小。在这两个频率之间，总会有某一频率，在这个
频率时，容抗与感抗恰好相等。这时阻抗最小且为纯电阻，所以，电流最大，且与端电压同相，这就发生了串联谐振。 根据上述分析，串联谐振的条件为 L C X X = 即 001 L C ωω= 或 01LC ω= 01 2f LC π= 0f 称为谐振频率。可见，当电路的参数 L 和C 一定时，谐振频率 也就确定了。如果电源的频率一定，可以通过调节L 或C 的参数大小来实现谐振。 2、串联谐振的特点 （1）因为串联谐振时，L C X X =，故谐振时电路阻抗为 0||Z R = （2）串联谐振时，阻抗最小，在电压U 一定时，电流最大，其值 为 00|| U U I Z R = = 由于电路呈纯电阻，故电流与电源电压同相，0? = （3）电阻两端电压等于总电压。电感和电容的电压相等，其大小
https://www.360docs.net/doc/ef18107280.html,/100 串联谐振耐压试验工作原理 串联谐振耐压试验装置又叫串联谐振，分为调频式和调感式。一般是由变频电源、励磁变压器、电抗器和电容分压器组成。被试品的电容与电抗器构成串联谐振连接方式；分压器并联在被试品上，用于测量被试品上的谐振电压，并作过压保护信号。 串联谐振耐压试验装置的应用 串联谐振广泛用于电力、冶金、石油、化工等行业，适用于大容量，高电压的电容性试品的交接和预防性试验。串联谐振耐压试验装置主要用于以下方面： 1、6kV-500kV高压交联电缆的交流耐压试验 2、发电机的交流耐压试验 3、GIS和SF6开关的交流耐压试验 4、6kV-500kV变压器的工频耐压试验 5、其它电力高压设备如母线，套管，互感器的交流耐压试验。 串联谐振耐压试验装置的工作原理 串联谐振变在电子设备的LC电路，也称为谐振电路，谐振电路，或调谐电路，
https://www.360docs.net/doc/ef18107280.html,/100由两个电子部件连接在一起，一个电感，由字母L表示，和一个电容器，由字母C的电 路可以作为表示作为电谐振器，一个的电模拟音叉，将能量存储在振荡电路的谐振频率。 串联谐振变电路被使用，也可以用于在特定频率产生的信号，或从一个更复杂的信号 拾取出来的信号在特定频率。它们在许多电子设备中，特别是无线电设备，电路，例如用 于关键元件的振荡器，过滤器，调谐器和混频器。 串联谐振变电路是一个理想化的模型，因为它假定不存在由于耗散能量的电阻。 LC电路的任何实际实施将始终包括的组件和连接导线内的小，但非零电阻造成的损失。虽 然没有实际的电路是没有损耗，但却是有益的研究这个理想的电路形式，以取得理解和物理 直觉。对于一个电路模型结合性。 如果一个充电电容器两端的电感器相连，电荷将开始流过电感器，一个磁场建立它周 围和减少电容器上的电压。最终在所有电容器的电荷将消失，其两端的电压将达到零。然 而，电流将继续下去，因为电感器抗蚀剂中的电流变化。以保持其流动的能量被从磁场， 这将开始下降萃取。该电流开始对电容器具有相反极性的电压充电到其原始充电。当磁场 被完全消耗的电流将停止，充电将再次如前存储在电容器中，具有相反的极性。然后循环 将再次开始，与通过电感的电流在相反的方向。 串联谐振变来回流动的电容器极板之间，通过电感。能源来回振荡电容和电感之间， 直到（如果不是从外部电路通过补充电源）内部电阻，使振荡消失。它的作用，称为数学
串联谐振脉冲调制方法总结 调幅控制方法是通过调节直流电压源输出（逆变器输入）电压Ud（可以用移相调压电路，也可以用斩波调压电路加电感和电容组成的滤波电路，来实现调节输出功率的目的。即逆变器的输出功率通过输入电压调节，由锁相环（PLL）完成电流和电压之间的相位控制，以保证较大的功率因数输出。 脉冲密度调制方法就是通过控制脉冲密度，实际上就是控制向负载馈送能量的时间来控制输出功率。其控制原理，这种控制方法的基本思路是：假设总共有N个调功单位，在其中M个调功单位里逆变器向负载输出功率；而剩下的N－M个单位内逆变器停止工作，负载能量以自然振荡形式逐渐衰减。输出的脉冲密度为M/N，这样输出功率就跟脉冲密度联系起来了。因此通过改变脉冲密度就可改变输出功率。 脉冲密度调制方法的主要优点是：输出频率基本不变，开关损耗相对较小，易于实现数字化控制，比较适合于开环工作场合。 脉冲频率调制方法是通过改变逆变器的工作频率，从而改变负载输出阻抗以达到调节输出功率的目的。 负载的阻抗随着逆变器的工作频率（f）的变化而变化。对于一个恒定的输出电压，当工作频率与负载谐振频率偏差越大时，输出阻抗就越高，因此输出功率就越小，反之亦然。
脉冲频率调制方法的主要缺点是工作频率在功率调节过程中不断变化，导致集肤深度也随之而改变，在某些应用场合如表面淬火等，集肤深度的变化对热处理效果会产生较大的影响，这在要求严格的应用场合中是不允许的。但是由于脉冲频率调制方法实现起来非常简单，故在以下情况中可以考虑使用它：1）如果负载对工作频率范围没有严格限制，这时频率必须跟踪，但相位差可以存在而不处于谐振工作状态。 2）如果负载的Q值较高，或者功率调节范围不是很大，则较小的频率偏差就可以达到调功的要求。 脉冲密度调制方法的主要缺点是：逆变器输出功率的频率不完全等于负载的自然谐振频率，在需要功率闭环的场合中，工作稳定性较差。由于每次从自然衰减振荡状态恢复到输出功率状态时要重新锁定工作频率，这时系统可能会失控。因此在功率闭环或者温度闭环的场合，工作的稳定性不好。其另一个缺点就是功率调节特性不理想，呈有级调功方式。 谐振脉冲宽度调制（PWM）方法 谐振脉冲宽度调制是通过改变两对开关管的驱动信号之间的相位差来改变输出电压值以达到调节功率的目的。即在控制电路中使原来同相的两个桥臂开关（S1，S2）、（S3，S4）的驱动信号之间错开一个相位角，使得输出的正负交替电压之间插入一个零电压值，这样只要改变相位角就可以改变输出电压的有效值，最终达到调节输出功率的目的。
RLC 串联谐振频率及其计算公式 2009-04-21 09:51 串联谐振是指所研究的串联电路部分的电压和电流达到同相位 ，即电路中电感的感抗和电容的容抗在数值 上时相等的，从而使所研究电路呈现纯电阻特性 ，在给定端电压的情况下，所研究的电路中将岀现最大电流，电 路中消耗的有功功率也最大. 1. 谐振定义：电路中L 、C 两组件之能量相等，当能量由电路中某一电抗组件释 出时，且另一电抗组件必吸收相同之能量， 即此两电抗组件间会产生一能量脉动。 2. 电路欲产生谐振，必须具备有电感器 L 及电容器C 两组件。 3. 谐振时其所对应之频率为谐振频率 (resonance)，或称共振频率，以 f r 表示之。 2 2 4. 串联谐振电路之条件如图 1所示：当Q=Q ? I X L = I X C 也就是 X L =X C 时，为R-L-C 串联电路产生谐振之条件。 图1串联谐振电路图 5. 串联谐振电路之特性： (1) 电路阻抗最小且为纯电阻。即 Z =R+jX L ?jX c =R nr7 RR PF — cos 0 = — = — = 1 ⑶电路功率因子为1。即 / … 2 (4) 电路平均功率最大。即 P=l R (5) 电路总虚功率为零。即 Q L =Q C ?Q T =Q L ?Q C =0 6. 串联谐振电路之频率： (2) 电路电流为最大。即 一 E E T JL 1―一 Z R
(1) 公式: O c I 2 X C _V C _ X c 11 ~P~ ~ I 2 R — "F —〒—2兀f’CR ~ co r CR 1 fl = ^x L x~ R\c ~ R (3) 品质因子Q 值愈大表示电路对谐振时之响应愈佳。一般 Q 值在10~ 100之 间。 8. 串联谐振电路阻抗与频率之关系如图 (2)所示： (1) 电阻R 与频率无关，系一常数，故为一横线。 (2) 电感抗X L =2 n fL ,与频率成正比，故为一斜线 当f = fr 时，Z = R 为最小值，电路为电阻性。 当f > f r 时，X L > X c ，电路为电感性。 当f v fr 时，X L < X c ，电路为电容性。 当f = 0或f =灯寸,Z = 空电路为开路。 (5)若将电源频率f 由小增大，则电路阻抗 Z 的变化为先减后增。 9. 串联谐振电路之选择性如图(3)所示： ⑵R - L -C 串联电路欲产生谐振时，可调整电源频率 使其 达到谐振频率f r ，而与电阻R 完全无关。 f 、电感器L 或电容器C 7. 串联谐振电路之质量因子: ⑴定义：电感器或电容器在谐振时产生的电抗功率与电阻器消耗的平均功率 之比，称为谐振时之品质因子 (2) 公式: I 2 R —2" R (o r L 与频率成反比，故为一曲线 (4)阻抗 Z = R+ j(X L ?X c )
RLC 串联谐振电路实验误差的分析及改进 一、摘要： 从RLC 串联谐振电路的方程分析出发，推导了电路在谐振状态下的谐振频率、品质因数和输入阻抗，并且基于Multisim仿真软件创建RLC 串联谐振电路，利用其虚拟仪表和仿真分析，分别用测量及仿真分析的方法验证它的理论根据。其结果表明了仿真与理论分析的一致性，为仿真分析在电子电路设计中的运用 提供了一种可行的研究方法。 二、关键词：RLC；串联；谐振电路； 三、引言 谐振现象是正弦稳态电路的一种特定的工作状态。通常，谐振电路由电容、 电感和电阻组成，按照其原件的连接形式可分为串联谐振电路、并联谐振电路和耦合谐振电路等。 由于谐振电路具有良好的选择性，在通信与电子技术中得到了广泛的应用。 比如，串联谐振时电感电压或电容电压大于激励电压的现象，在无线电通信技术领域获得了有效的应用，例如当无线电广播或电视接收机调谐在某个频率或频带 上时，就可使该频率或频带内的信号特别增强，而把其他频率或频带内的信号滤去，这种性能即称为谐振电路的选择性。所以研究串联谐振有重要的意义。 在含有电感L 、电容C 和电阻R 的串联谐振电路中，需要研究在不同频率 正弦激励下响应随频率变化的情况，即频率特性。Multisim 仿真软件可以实现原理图的捕获、电路分析、电路仿真、仿真仪器测试等方面的应用，其数量众多的元件数据库、标准化仿真仪器、直观界面、简洁明了的操作、强大的分析 测试、可信的测试结果都为众多的电子工程设计人员提供了一种可靠的分析方法， 同时也缩短了产品的研发时间。 四、正文 （1）实验目的： 1.加深对串联谐振电路条件及特性的理解。 2.掌握谐振频率的测量方法。 3.理解电路品质因数的物理意义和其测定方法。 4.测定RLC串联谐振电路的频率特性曲线。
https://www.360docs.net/doc/ef18107280.html, 串联谐振中频加热电源 中频电源简介 对于电源频率的划分还没有一个统一的标准，习惯上把150Hz～20kHz频率范围内 的电源称为中频电源。中频电源就应用来说一般分为两类：一类是指输出频率为中频(一般为400Hz)的单相或者三相变频电源，广泛应用于航空航天、船舶、机车以及雷达、通信交换机等设备中。作为一种电源变换装置，它必须将工频输入电压变换为适 用于工业应用的频率和电压。另一类是应用于感应加热行业，其频率不断跟踪负载的 谐振频率。本文所讨论的就是应用于感应加热行业的中频电源。 感应加热 法拉第1831年发现了电磁感应现象，这就为感应加热奠定了基础。从此以后电磁感应原理被广泛应用，如应用于发电机、电动机、变压器及射频通信等装置中，然而在 这些设备中交变磁场中的导体会产生感应涡流引起导体发热，这些电路和磁路中的发 热现象均被看作有害的副效应，因此人们尽力抑制这种现象。直到19世纪末Foucault、Heaviside以及Thomson等人对涡流效应理论和能量由线圈向铁芯传递的现象进行了 系统的理论研究并逐步建立了感应加热的理论基础。自此以后人们意识到了电磁感应 中涡流效应的应用价值，并有目的的利用这一原理制造出各种各样的感应加热设备。 所谓感应加热，就是将被加热物质置于交变磁场（如通以交变电流的环形线圈）中，交变磁场的磁力线切割处于磁场中的物质，在磁力线的垂直截面上，根据法拉第电磁 感应定律，会产生涡流，感生涡流流过具有交流阻抗的导电物质依据焦耳热效应定律，物质会产生热能从而被加热。这种利用电磁感应原理产生感应涡流热效应对物质进行 加热的方式，简称感应加热。感应加热相对于传统电阻的电流热效应加热及火焰加热 来说是一种新型的加热方式，自从工业上开始使用感应加热能源以来，感应加热理论 和感应加热装置都有了很大发展。感应加热的应用领域在不断扩大，其应用范围也越 来越广，目前，感应加热技术已经被广泛应用在机械制造、汽车制造、冶金、航空航天、国防、教学及科研等诸多领域。究其原因，主要是因为感应加热具有如下诸多优点： (1) 加热温度高、速度快，被加热金属工件表面的氧化皮烧损率比较低，节省材料及费用，特别是对贵金属加热时显得更为重要。比如，一般情况下金属件热成型加热， 感应加热的金属烧损率大约在0.5%，而火焰炉加热的金属烧损率约为1%~3%，也就是说感应加热比火焰加热节约材料2%左右。
串联谐振感应加热系统 华意电力是一家专业研发生产串联谐振的厂家，本公司生产的串联谐振设备在行业内都广受好评，以打造最具权威的“串联谐振“高压设备供应商而努力。感应加热的频率 用于感应加热电源的频率可以从50Hz 到几MHz。选择频率首先要考虑的是加热效率和温度分布。其次是熔炼、透热和淬火等不同加热工艺对电源频率的特殊要求。如透热、熔炼等加热工艺要求加热时温度均匀，而淬火则不要求温度均匀只需要满足淬硬层厚度。对于熔炼还需要考虑搅拌力的作用和功率密度。再者，频率高功率大的电源设备一般都比频率低比功率小的价格高。因此，选择电源频率最终需要考虑其综合经济技术指标。 电磁感应的三个效应 电磁感应在导体上产生的交流电流的分布是不均匀的，主要受到三个效应即集肤效应、临近效应和圆环效应的影响。 (1) 集肤效应、透入深度△及有效加热层 导线通过直流时，能保证导线中的电流密度是均匀的。但只要电流变化率很小，电流分布仍可认为是均匀的。对于工作于低频的细导线，这一论述仍然是可确信的。但在高频电路中，电流变化率非常大，不均匀分布的状态较为严重。最大电流密度出现在导体的表面层。这种电流集聚于导线表面的现象叫做集肤效应。集肤效应可解释如下：如图2.3(a)所示，当电流通过导体时，在导体的外部和内
部都建立了磁场，磁力线的形状是以导体的中心为圆心的同心圆，如果流过的电流是交变的，那么磁场也是交变的，显然与导体表面部分相交链的磁力线，比与导体内部（接近中心部分）所交链的磁力线要少，于是导体中心部分的自感电势，或者说中心部分的电感和阻抗，大于表面部分的电感和阻抗。电流总是沿阻抗最小的路径流动，所以电流会集聚在导体的表面层。 电流频率越高，自感电动势的作用越强，集肤效应也越显著。以上分析的是导体中通入交变电流时电流在导体中产生的集肤现象。另一种情形是导体放在交变电磁场中，也就是感应加热工件的情形，工件中的涡流也是交变电流，它沿截面的分布也是集聚在工件表面一层。在工业应用方面，对金属进行表面淬火就是利用集肤效应。 (2) 邻近效应 相邻两个导体分别通入交流电流时，两个导体会产生磁场，导体除了受自身产生的磁场影响外，还受另一个导体产生的磁场的影响，在这种相互影响下导体内的电流会重新分布。当两导体内电流的方向相反时导体内侧电流密度比较大；当
HDSR-F265/265调频串联谐振试验设备 技术规范及配置方案 1、系统执行标准 GB50150-2006 《电气装置安装工程电气设备交接试验标准》 DL/T849.6-2004 《电力设备专用测试仪器通用技术条件 第6部分：高压谐振试验装置》 JB/T9641-1999 《试验变压器》 GB10229 《电抗器》 GB/T.311-1997 《高压输变电设备的绝缘与配合》 DL/T846-2004 《高电压测试设备通用技术条件》 GB4793-1984 《电子测量仪器安全要求》 GB2900 《电工名词术语》 GB4208 《外壳防护等级》 GB191 《包装贮运标志》 GB/T16927-1997 《高电压试验技术》 2、系统的适用范围 2.1 满足110kV主变、GIS、断路器、互感器、瓷瓶等电气设备的交流耐压试验； 试验电压：U≤265kV；加压时间：≤15min 2.2 满足500m长110kV（400mm2）交联电缆的交流耐压试验； 试验电压：U=2Uo=128kV；试验频率：30～300Hz；加压时间：60min/相 2.3 满足2km长35kV（300mm2）交联电缆的交流耐压试验； 试验电压：U＝2Uo=52kV；试验频率：30～300Hz；加压时间：60min/相 2.4 满足5km长10kV（300mm2）交联电缆的交流耐压试验。 试验电压：U＝2.5Uo=22kV；试验频率：30～300Hz；加压时间：5min/相
3、系统的基本配置3.1 主要部件一览表 3.2 设备附件一览表
4、系统技术规范及性能 4.1系统技术参数 4.1.1 额定输出电压：0～265kV 4.1.2 谐振电压波形：正弦波，波形畸变率＜1.0% 4.1.3 最大被试品电流：1A/265kV；110kV电气主设备试验 2A/128kV；110kV电缆试验 4A/52kV；35kV电缆试验 10A/26kV；10kV电缆试验 4.1.4 最大试验容量：265kV A 4.1.5 输出频率：30～300Hz 试验频率：45～65Hz；主变试验 30～300Hz；其它试验 4.1.6 频率调节细度：0.1Hz 4.1.7 频率不稳定度：＜0.05% 4.1.8 工作制：满功率输出下，连续工作时间60min 4.1.9 品质因数：30～80 4.1.10 绝缘水平： 1.2倍额定电压下耐压1min 4.1.11 输入工作电源：三相380V±10%，50Hz，＜30A/相 4.2环境条件 4.2.1 环境温度：－10℃～+40℃ 4.2.2 相对湿度：＜95%，无凝露状况 4.2.3 海拔高度：＜1000m 4.2.4 噪声：≤50dB 4.3系统的性能特点 4.3.1 调频及功率器件、显示及数据处理等单元均采用进口日本三菱、德国AB及美国 MOT等公司优质元器件。 4.3.2 充分利用我公司在电子测量技术和电磁兼容方面的优势，完全自主开发设计和生 产该套设备所有组成部分包括：变频电源、励磁变压器、浇注式高压电抗器和高精度电容分压器。 4.3.3 具备手动/自动模式、大屏幕显示、试验参数设置，并具有自动计时及操作提示功 能。 4.3.4 具备多项保护功能，如：过压、过流保护、放电保护、失谐保护等。
教师学科教案[ 20 – 20 学年度第__学期] 任教学科：_____________ 任教年级：_____________ 任教老师：_____________ xx市实验学校
《串联谐振电路及其应用》教学设计 王昌宝2015.6 课题串联谐振电路及其应用 教学目标 1．掌握串联谐振电路的条件和特点。 2．掌握串联谐振电路选择性和品质因数的辨证关系。 3、了解串联谐振电路的应用。 教学重点串联谐振电路的特点及应用 教学难点串联谐振电路的选择性和品质因数的辨证关系。 教法演示法、提问法、讨论法 学法观察法、讨论法 教学过程 教学项目教学内容学生活动教学意图备注导入演示收音机收台------引出串联谐振电路学生观察激发学生 学习兴趣 讲新课 一、谐振的定义和条件 1．定义：在RLC串联电路中，当 电路端电压和电流同相时，电路呈电阻 性，电路的这种状态叫串联谐振。 2．串联谐振的条件 串联谐振的条件： X L = X Cω0L = C 1 ω ω0 = LC 1f = LC π2 1 3．电路实现谐振的方法 （1）电源频率一定，可调节L或C 的大小来实现谐振。 （2）当电路参数L、C一定时，可 改变电源频率。 二、串联谐振的特点： 1．阻抗最小，且为纯电阻∣Z0∣ 学生听讲 解决重点、 难点内容
= R 。 2．电路中电流最大,并与电源电压同相I 0 = 0Z U =R U 3．电感和电容两端的电压相等，且相位相反，其大小为总电压的Q 倍（电压谐振）。 U L = U C = QU 其中：Q = R L 0ω = CR 01 ω Q ——串联谐振电路的品质因数。 （1）减小电阻，则电路消耗的能量就小，电路品质因数高。 （2）增大线圈的电感量L ，线圈储存的能量就多，在损耗一定时，同样说明电路品质好。 4．谐振时,电能仅供给电路中电阻消耗,电源与电路间不发生能量转换，而电感与电容间进行着磁场能和电场能的转换。 三、串联谐振的应用 1．收音机中的调谐接收回路。 Ppt 动画演示 2．调谐方法：改变C 或L 的值。 练习 1、选择题（8）、（9）。 2．填充题（5）~（9）。 练习 巩固、答疑 小结 1．谐振条件及谐振频率。 2．谐振特点：4点。 3．选择性与通频带的关系。 听讲、回答 问题 巩固 布置作业 问答与计算题（7）、（8）。 作业 巩固
https://www.360docs.net/doc/ef18107280.html, 串联谐振耐压试验装置操作方法 汇卓电力是一家专业研发生产串联谐振耐压装置的厂家，本公司生产的串联谐振耐压装置在行业内都广受好评，以打造最具权威的“串联谐振耐压装置“高压设备供应商而努力。 为了让更多的客户在使用华天电力生产的串联谐振耐压测试仪的时候更容易操作，能尽快的了解耐压测试仪的使用方法，今天我们以XZB串联谐振耐压试验装置来总结一下试验过程中的一些操作步骤。 串联谐振耐压测试仪操作说明 1.1 电缆试验操作： 1.1.1 现场接线示意图：
https://www.360docs.net/doc/ef18107280.html, 1.1.2 励磁变压器接线注意事项： 1. 用于 10KV 电缆的耐压装置，励磁变压器一般接低端； 2. 用于 10KV 和 35KV 电缆的耐压装置，10KV 电缆耐压励磁变压器接低端，35KV 电缆耐压励磁变压器接较高端； 3. 用于 10KV 、35KV 和 110KV 电缆的耐压装置：10KV、35KV 电缆耐压励磁变压器接低端，110KV 电缆耐压励磁变压器接高端； 1.1.3 电抗器及电容器分压器接线注意事项：对于短电缆，无论电压高低，一般将至少两节电抗器串联，以确保回路可以谐振。 1.2 电机耐压试验操作: 1.2.1 现场接线示意图:
https://www.360docs.net/doc/ef18107280.html, 1.2.2 励磁变压器接线注意事项: 1.用于电机的耐压装置，励磁变压器一般接低端； 2. 用于电机和电缆的耐压装置，电缆耐压励磁变压器接低端，电机耐压励磁变压器接高端； 3. 通常情况下，用于电机耐压的谐振装置兼容较低电压的电缆。 4.2 GIS、开关及变压器试验操作： 4.2.1 现场接线示意图：
RLC 串联谐振电路 一、知识要求： 理解RLC 串联电路谐振的含义；理解谐振的条件、谐振角频率、频率；理解谐振电路的特点，会画矢量图。 二、知识提要： 在RLC 串联电路中，当总电压与总电流同相位时，电路呈阻性的状态称为串联谐振。 （1）、串联谐振的条件：C L C L X X U U ==即 （2）、谐振角频率与频率：由LC f LC ：C L πωωω21 1 10= == 谐振频率得 （3）、谐振时的相量图： （4）、串联谐振电路的特点： ①.电路阻抗最小：Z=R ②、电路中电流电大：I 0=U/R ③、总电压与总电流同相位，电路呈阻性 ④、电阻两端电压等于总电压，电感与电容两端电压相等，相位相反，且为总电压的Q 倍，。即：U L =U C =I 0X L =I 0X C = L X R U =U R X L =QU 式中：Q 叫做电路的品质因数，其值为： CR f R L f R X R X Q C L 0021 2ππ= === ＞＞1(由于一般串联谐振电路中的R 很小，所以Q 值总大于1，其数值约为几十，有的可达几百。所以串联谐振时，电感和电容元件两端可能会产生比总电压高出Q 倍的高电压，又因为U L =U C ，所以串联谐振又叫电压谐振。) （5）、串联谐振电路的应用： 适用于信号源内阻较低的交流电路。常被用来做选频电路。 三、例题解析： 1、在RLC 串联回路中，电源电压为5mV ，试求回路谐振时的频率、谐振时元件L 和C 上的电压以及回路的品质因数。 解：RLC 串联回路的谐振频率为 Uc ?
LC f π210= 谐振回路的品质因数为 R L f Q 02π= 谐振时元件L 和C 上的电压为 mV 5mV 5C L C L R Q U U = == 2、 在RLC 串联电路中，已知L ＝100mH ，R ＝3.4Ω，电路在输入信号频率为400Hz 时发生谐振，求电容C 的电容量和回路的品质因数。 解：电容C 的电容量为 F 58.14 .6310141 )2(12 0μπ≈== L f C 回路的品质因数为 744 .31 .040028.620≈??== R L f Q π 3、已知某收音机输入回路的电感L=260μH,当电容调到100PF 时发生串联谐振，求电路的谐振频率，若要收听频率为640KHz 的电台广播，电容C 应为多大。（设L 不变） 解：LC f π210= = 12 6 10 101026014.321 --X X X X X ≈KHZ 6 23210260)1064014.32(1 )2(1-= = X X X X X L f C π≈238PF 四、练习题： （一）、填空题 1、串联正弦交流电路发生谐振的条件是 ，谐振时的谐振频率品质因数Q= ，串联谐振又称为 。 2、在发生串联谐振时，电路中的感抗与容抗 ；此时电路中的阻抗最 ，电流最 ，总阻抗Z= 。 3、在一RLC 串联正弦交流电路中，用电压表测得电阻、电感、电容上电压均为10V ，用电流表测得电流为10A ，此电路中R= ，P= ，Q= ，S= 。 4、在含有L 、C 的电路中，出现总电压、电流同相位，这种现象称为 。这种现象若发生在串联电路中，则电路中阻抗 ，电压一定时电流 ，且在电感和电容两端将出现 。 5、谐振发生时，电路中的角频率=0ω ，=0f 。 （二）、判断题
RLC串联谐振电路的实验报告 （1）实验目的： 1.加深对串联谐振电路条件及特性的理解。 2.掌握谐振频率的测量方法。 3.测定RLC串联谐振电路的频率特性曲线。 (2)实验原理： RLC串联电路如图所示，改变电路参数L、C或电源频率时，都可能使电路发生谐振。该电路的阻抗是电源角频率ω的函数：Z=R+j(ωL-1/ωC)当ωL-1/ωC=0时，电路中的电流与激励电压同相，电路处于谐振状态。谐振角频率ω 0 =1/LC，谐振频率f =1/2πLC。谐振频率仅与原件L、C的数值有关，而与电阻R 和激励电源的角频率ω无关，当ω<ω 0时，电路呈容性，阻抗角φ<0；当ω>ω 时，电路呈感性，阻抗角φ>0。 1、电路处于谐振状态时的特性。 （1）、回路阻抗Z 0=R,| Z |为最小值，整个回路相当于一个纯电阻电路。 （2）、回路电流I 0的数值最大，I =U S /R。 （3）、电阻上的电压U R 的数值最大，U R =U S 。 （4）、电感上的电压U L 与电容上的电压U C 数值相等，相位相差180°，U L =U C =QU S 。 2、电路的品质因数Q 电路发生谐振时，电感上的电压（或电容上的电压）与激励电压之比称为电路的品质因数Q，即： Q=U L （ω ）/ U S = U C （ω ）/ U S =ω L/R=1/R* （3）谐振曲线。 电路中电压与电流随频率变化的特性称频率特性，它们随频率变化的曲线称频率特性曲线，也称谐振曲线。
在U S 、R、L、C固定的条件下，有 I=U S / U R =RI=RU S / U C =I/ωC=U S /ωC U L =ωLI=ωLU S / 改变电源角频率ω，可得到响应电压随电源角频率ω变化的谐振曲线，回路 电流与电阻电压成正比。从图中可以看到，U R 的最大值在谐振角频率ω 处，此 时，U L =U C =QU S 。U C 的最大值在ω<ω 处，U L 的最大值在ω>ω 处。 图表示经过归一化处理后不同Q值时的电流频率特性曲线。从图中（Q 11/2时，U C 和U L 曲线才出现最大值，否则U C 将单调下降趋于0，U L 将单调上升趋于U S 。 仿真RLC电路响应的谐振曲线的测量
串联谐振与并联谐振的区别 什么是串联谐振？ 在电阻、电感和电容的串联电路中，出现电路的端电压和电路总电流同相位的现象，叫做串联谐振。串联谐振的特点是：电路呈纯电阻性，端电压和总电流同相，此时阻抗最小，电流最大，在电感和电容上可能产生比电源电压大很多倍的高电压，因此串联谐振也称电压谐振。在电力工程上，由于串联谐振会出现过电压、大电流，以致损坏电气设备，所以要避免串联谐振。 什么是并联谐振？ 在电感线圈与电容器并联的电路中，出现并联电路的端电压与电路总电流同相位的现象，叫做并联谐振。并联谐振电路总阻抗最大，因而电路总电流变得最
小，但对每一支路而言，其电流都可能比总电流大得多，因此电流谐振又称电流谐振。并联谐振不会产生危及设备安全的谐振过电压，但每一支路会产生过电流。 一、串联谐振和并联谐振区别 1、从负载谐振方式划分，可以为并联逆变器和串联逆变器两大类型，下面列出串联逆变器和并联逆变器的主要技术特点及其比较：串联逆变器和并联逆变器的差别，源于它们所用的振荡电路不同，前者是用L、R和C串联，后者是L、R和C并联。串联逆变器的负载电路对电源呈现低阻抗，要求由电压源供电。 因此，经整流和滤波的直流电源末端，必须并接大的滤波电容器。当逆变失败时，浪涌电流大，保护困难。并联逆变器的负载电路对电源呈现高阻抗，要求由电流源供电，需在直流电源末端串接大电抗器。但在逆变失败时，由于电流受大电抗限制，冲击不大，较易保护。 2、串联逆变器的输入电压恒定，输出电压为矩形波，输出电流近似正弦波，换流是在晶闸管上电流过零以后进行，因而电流总是超前电压一φ角。并联逆变器的输入电流恒定，输出电压近似正弦波，输出电流为矩形波，换流是在谐振电容器上电压过零以前进行，负载电流也总是越前于电压一φ角。 这就是说，两者都是工作在容性负载状态。串联逆变器是恒压源供电，为避免逆变器的上、下桥臂晶闸管同时导通，造成电源短路，换流时，必须保证先关断，后开通。即应有一段时间(t )使所有晶闸管（其它电力电子器件）都处于关断状态。此时的杂散电感，即从直流端到器件的引线电感上产生的感生电势，可能使器件损坏，因而需要选择合适的器件的浪涌电压吸收电路。 此外，在晶闸管关断期间，为确保负载电流连续，使晶闸管免受换流电容器上高电压的影响，必须在晶闸管两端反并联快速二极管。并联逆变器是恒流源