如图1所示为RLC输入阻抗可以表示为串联电路,可以看出,电感L和电容C的频率特性不仅相反(感抗和ω与容抗和成正比ω成反比),直接相减(电抗角180°)。
一定有角频率ω0完全抵消感抗和容抗,即X(jω0)=因此,阻抗Z(jω)以ω以0为中心,全频域随频率变化的情况分为三个频区:
ω<ω0 X(jω)<0,ψ(jω)<0 容性区R<∣Z(jω)∣ |
ω=ω0 X(jω)=0,ψ(jω)=0 电阻性∣Z(jω)∣= R |
ω>ω0 X(jω)>0,ψ(jω)>0 感性区R>∣Z(jω)∣ |
如下图所示
当ω=ω0时,X(jω0)=0.电路的工作条件将具有以下重要特征:
1) ψ(jω0)=0,所以I(jω0)与Us(jω0)同相,工程中将电路的特殊情况定义为谐振,因为它是在RLC串联电路中的谐振,又称串联谐振。根据以上分析,谐振的条件如下:Im[Z(jω0)]=X(jω0)= ω0L-1/ω0C。只有当电感和电容器同时存在时,才能满足上述条件。上述可见电路谐振的角频率ω0和频率f0为ω0=1LC,f0=12πLC
可以看出,RLC串联电路只有一个谐振频率,只在电路中L、C与电阻R无关。ω0或(f0)称为电路的固有频率。因此,只有当输入信号时us电路的频率和固有频率f只有当0相同时,才能在电路中激起谐振。如果电路中L、C可调,改变电路的固有频率RLC串联电路具有选择任何频率谐振(调谐)或避免频率谐振(失谐)的性能。
2) Zjω0=R谐振时的电流是最小值,是最大值
3) 电抗电压Ux(jω0)=0,即有
UXjω0=jω0L-1ω0CIjω0=jω0LRUsjω0-j1ω0CRUsjω0=ULjω0 UCjω0=0
因此,L、C串联端口相当于短路,但ULjω0、UCjω0它们都不等于零,两者相等,相反,相互完全抵消。串联谐振也称为电压谐振。
此外,工程上将式中的比值ω0LR=1ω0CR定义为谐振电路的品质因数Q,即
Q=ω0LR=1ω0CR=1RLC
UL(jω0)=UC(jω0)=QUS(jω0)。显然,当Q>1时,电感和电容器的两端将分别出现比较US(jω0)高Q倍过电压。在高压电路系统(如电力系统)中,这种过电压很高,可能会危及系统的安全,必须采取必要的预防措施。但在低电压的电路系统中,如无线电接收系统中,则要利用谐振时出现的过电压来获得较大的输入信号。
4)Q(jω0)=0,即电路吸收的无功功率等于零,有
Qjω0=QLjω0 QCjω0=ω0LI2jω0-1ω0CI2jω0=0
上述公式表明,电感吸收的无功功率等于电容发出的无功功率,但各不等于零。存储在电路中的电磁能在L和C定期交换两倍于谐振频率的频率,相互完全补偿,形成自己的独立系统,与外源无能量交换。存储的电磁能的总和是一个常数,可以基于i或us的最大值求得,即
Wjω0=WLjω0 WCjω0=12LI2mjω0=12CU2cmjω0=CQ2U2sjω0
并联谐振的定义与串联谐振的定义相同,即端口上的电压与输入电流相同时的工作为谐振。它被称为并联谐振,因为它发生在并联电路中。分析方法和RLC串联电路相同,并联谐振条件如下:Im[Y(jω0)]=0
因为Yjω0=G+j(ω0C-1ω0L),可得谐振时的角频率和频率为:
ω0=1LC,f0=12πLC
并联谐振时,输入导纳最小,或者说输入阻抗最大,所以谐振时端电压达最大值:Uω0=Z(jω0)IS=RIs
并联谐振时有IL+IC=0,所以并联谐振又称为电流谐振
ILω0=-j1ω0LU=-j1ω0LGIs=-jQIs
ICω0=jω0CU=jω0CGIsjQIs
并联谐振电路的品质因数Q=IL(ω0)Is=Ic(ω0)Is=1ω0LG=ω0CG=1GCL
并联谐振时电路无功功率为0,电感的磁场能量与电容的电场能量彼此相互交换,完全补偿