电子元器件应用-在谐波丰富的环境中的电容器选择

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1、谐波-在谐波丰富的环境中的电容器选择在新环境下的老设备用于基波无功功率补偿的电容器组是以电阻-电感性负载为主的电力系统的经济运行必不可少的。事实上，自从出现电力工程以来，电阻-电感性负载就已普遍存在。然而，随着当前大量的非线性负载的日渐普遍，在电容器组外部和内部出现了两个新的危险：电容器电流过载；电容与其（电气）邻近的电感发生并联谐振。补偿电容器依然是不可缺少的，设计或使其升级以面对新的挑战还是相当容易的。在选择新设备和升级现有电容器组以防止由谐波引起的问题时，本指南给出了一个最佳方法。基础：电感和电容的特性电感在电气上与机械

2、系统的质量惯性类似。电抗器，即具有某一规定电感值的电气元件，可以表示为具有某一规定惯性的飞轮的电气等效物。当然，任何有质量的物体也都具有惯性，同样，导体的任何部分都具有寄生电感。电感L和电容C是具有一定电抗值和无功功率吸收或输出能力的无功元件，而容性无功功率输入等同于感性无功功率输出，反之易然。实际上，无功功率没有能清楚规定的流动方向，电抗按照如下公式计算：XL=2πfL和XC=1/2πfC感抗XL与频率f成正比，而容抗XC与频率f成反比。对于L和C的任何并联组合电路，都存在一个感抗和容抗相等的频率f0—这就是谐振频率。振荡频

3、率按照如下公式计算：关于超前电流，看上去好象有点困难想象一个电容电流如何能够预知驱动它的电压在1/4周波以后做什么，但是，在某种程度上，事实就是这样。确切地说，超前和滞后电流的任何变化与相应的电压变化有关，例如过零点的关系。它源于储存在电容之中的能量和波形的专门特性。电容相当于机械元件的弹性。可以生产具有某一确切电容值的电容器，就相当于在机械系统中的弹簧，但是，任何材料只是在一定限度之内具有弹性，因此任意两个导电体之间有一定数量的寄生电容。问题是这些寄生电抗在实际工程中是否大到能起作用。在高压或高频时通常它们作用很明显，但是在

4、低压和工频时情况就不一样了。两个储能元件的能量计算公式如下：W弹簧=S²*D/2；W质量=V²*m/2其中：D=弹性系数（虎克定律，每单位力的拉伸长度）S=拉伸长度（从松弛状态的点算起的瞬时长度）m=质量V=物质的移动速度其中的S和V应该是时间的函数，表示为S（t）和V（t），因为他们随时间周期性变化。现在将它们两个组合在一起，具有惯性的质量和具有弹性的弹簧为一个系统提供两个储能元件。从一个元件释放的能量可以直接流入另外一个。如果弹簧被拉长并释放，来自释放弹簧的力使质量加速，在力的过零点，弹簧处在松弛状态，而物质在以最大的速度

5、移动。由于质量具有惯性，因此继续移动，现在开始压缩弹簧，能量从移动的物质转移回弹簧。如果储能元件是一个电容器和一个电感，拉伸/压缩弹簧的应力相当于在电容器中的正/负电压，物质的速度相当于电流，也在一定的间隔内改变极性。所有的极性改变以恒定的间隔进行，首先是电压，然后是电流，每四分之一周期交换一次（或者90º一次，因为两维空间的所有变化，在机械系统中的应力和速度和在电气系统中的电压和电流，都遵从一个正弦函数）。由于90º的相位差，也可以说，其中的一个遵从余弦函数，假设元件是线性和没有损耗，在振荡系统内的任意一时间点：sin²(ω

6、t)+cos²(ωt)=1因此在任一点时间内部能量W=U²（t）*C/2+i²（t）*L/2=常数如果出现实际的元件损耗，则在电感/电容元件中电流对电压的移相角略小于±90º，但是如果在规定的范围内运行，损耗很小，如果电抗器设计得合理，技术上电抗器铁芯材料的非线性影响可以忽略不计。正弦波的特别之处在哪里？正弦电压生成正弦电流，正弦电流生成正弦电压降。这一点仅对正弦波是正确的，还是对任何其他函数也是正确的？直接回答，这是正弦波的特性。见图1和2中给出的关于其它波形的事例。只是电阻性元件的瞬时电压值与瞬时电流值成正比，因此，电压曲

7、线和生成的电流曲线形状相同，反之亦然。对于无功负载（例如，电感L），瞬时电压与电流对时间的变化速率成正比（di/dt），或者（电容C）电流与瞬时电压对时间的变化速率成正比。这同样适用于正弦波和余弦波。图1：矩形电压在一个没有损耗的理想电抗器中生成一个梯形电流RECTANGULARVOLTAGE：矩形电压LCURRENTWITHRECTANGULARVOLTAGE：矩形电压生成的电感电流图2：三角形电流流过一个电容器图3：在无功元件中正弦电压生成余弦电流TRIANGULARCURRENT：三角形电流CVOLTAGEPLUSTRI

8、ANGULARCURRENT：三角形电流生成的电容电压对于电阻元件和电抗元件，正弦电压和电流曲线具有相同的形状，但是有一个相位差。对于电抗元件，电压与电流的变化率成正比。但正弦波的变化率采用一个余弦波表示，具有相同的形状，只是起始点不同。由于电源电压和电流的起始点在过去的某处