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感應(yīng)加熱的基本知識
感應(yīng)加熱的基本知識
自工業(yè)上開始應(yīng)用感應(yīng)加熱能源以來,，已過了將近80年了。在這期間,，感應(yīng)加熱理論和感應(yīng)加熱裝置都有很大發(fā)展,，感應(yīng)加熱的應(yīng)用領(lǐng)域亦隨之?dāng)U大，其應(yīng)用范圍越來越廣,。
在應(yīng)用方面,，感應(yīng)加熱可用在金屬熔煉，熱處理和焊接過程,，已成為冶金,，國防,，機(jī)械加工等部門及鑄，鍛和船舶,，飛機(jī),，汽車制造業(yè)等*認(rèn)的能源。此外,，感應(yīng)加熱也已經(jīng)或不斷地進(jìn)入到我們的家庭生活中,，例如微波爐，電磁爐,，都是用感應(yīng)加熱為能源,。
a導(dǎo)體的感應(yīng)加熱
導(dǎo)體的導(dǎo)電構(gòu)主要是自由電子。如在導(dǎo)體上加電壓,，這些自由電子便將按照同一方向從一個(gè)原子移到另一個(gè)原子而形成電流,。電子在移動(dòng)過程中會(huì)遇到阻力，阻力越大電流越小,，一般用電阻率P來表示導(dǎo)體的導(dǎo)電性能,。由于電阻的存在，電流流過導(dǎo)體時(shí),，都會(huì)引起導(dǎo)體發(fā)熱，根據(jù)焦耳-楞茨定理可得：Q=I2Rt
式中Q----導(dǎo)體的發(fā)熱量,；
I-----通過導(dǎo)體的電流強(qiáng)度,；
R-----導(dǎo)體的電阻；
t-----電流通過導(dǎo)體的時(shí)間,。
在導(dǎo)體中流過電流時(shí),，在它的周圍便同時(shí)產(chǎn)生磁場。通過的電流為直流時(shí),，產(chǎn)生的磁場是固定的,，不影響導(dǎo)體的導(dǎo)電性能：而通過交流電時(shí)，產(chǎn)生的磁場是交變的,，會(huì)引起集膚效應(yīng)(或稱趨膚效應(yīng)),，使大部份電流向?qū)w的表面流通，既有效導(dǎo)電面積減小,，電阻增加,。交流電流的頻率愈高，集膚效應(yīng)就愈嚴(yán)重,，由上式可知,，在電流I不變的情況下，由于電阻增加,，使導(dǎo)體的發(fā)熱量增加,。同時(shí),，由于電流沿表層流通，熱量集中于導(dǎo)體的表層,，因此可以利用高頻電流對導(dǎo)體的表面進(jìn)行局部加熱,。
同樣，在高頻電流通過彼此相距極近的導(dǎo)體,，或者將直導(dǎo)體變成圓環(huán),，繞成線圈時(shí)，其電流密度也會(huì)發(fā)生相應(yīng)變化,，引起所謂鄰近效應(yīng)和環(huán)形效應(yīng),，無論是集膚效應(yīng)、鄰近效應(yīng)和環(huán)形效應(yīng)都是由于導(dǎo)體中流過交流電時(shí),，在導(dǎo)體周圍形成交變磁場,，從而在導(dǎo)體中產(chǎn)生自感電動(dòng)勢迫使電流發(fā)生重新分配的結(jié)果。導(dǎo)體周圍磁場的強(qiáng)弱直接和電流強(qiáng)度成正比,。因此,，平行放置的兩根導(dǎo)體，在其電流為同方向時(shí),，則兩根導(dǎo)體外側(cè)磁場較內(nèi)側(cè)強(qiáng),，內(nèi)側(cè)中心的磁場強(qiáng)度幾乎為零。兩根導(dǎo)體流的電流是反方向時(shí),，則兩導(dǎo)體內(nèi)側(cè)磁場強(qiáng),。如果將導(dǎo)體繞成線圈并通以高頻電流，則線圈內(nèi)側(cè)磁場較外側(cè)強(qiáng),。
如果將材料放在高頻磁場內(nèi),。(例如放到高頻電流的線圈內(nèi)部)，則磁力線同樣會(huì)切割材料,，在材料中產(chǎn)生感應(yīng)電動(dòng)勢,，從而產(chǎn)生渦流。渦流也是高頻電流,，同樣具有高頻電流的一些性質(zhì),。由于材枓具有電阻，結(jié)果使材枓發(fā)熱,，用感應(yīng)渦流的熱效應(yīng)加熱,，叫感應(yīng)加熱
b電流透入深度
把金屬圓柱體放在流著電流的線圈中，盡管我屬圓柱沒和線圈接觸,，線圈本身的溫度也很低,，可是圓柱表面會(huì)被加熱到發(fā)紅，甚至熔化。這是由于電磁感應(yīng)作用,，在金屬柱中感生與線圈電流方向相反的渦流,，在渦流的焦耳作用下，金屬自身發(fā)熱升溫,，這就是感應(yīng)加熱的原理,。金屬圓柱中的感生電流的分布。這種分布以表面強(qiáng),，在徑向從外到內(nèi)按指數(shù)函數(shù)方式減小,。這種電流不均勻分布的現(xiàn)象，隨電流頻率升高而顯著,。
渦流密度降為表面電流密度的1/e的深度,，定義為電流透入深度。在電流透入深度范圍內(nèi)吸收的功率,，為金屬圓柱吸收總功率的86.5%,，因此，&便成為選擇加熱電流頻率的重要參數(shù),。
常用銅管繞成感應(yīng)線圈,，從技術(shù)指導(dǎo)考慮，用銅管的佳壁厚為1.57&,，一般應(yīng)取銅管壁厚1.3&
3.感應(yīng)加熱的頻率
用于感應(yīng)加熱的電源頻率可為50Hz到幾MHz,。選擇頻率的重要依據(jù)是加熱效率和溫度分布。其次是要考虙熔煉,、透熱和淬火等各種加熱工藝對電源頻率的一些要求,。熔煉、透熱加熱工藝要求加熱溫度均勻,，而淬火則不需要加熱溫度均勻，卻要求滿足淬硬層厚度,。對于熔煉還需考慮功率密度和攪拌力,。再者，頻率高的電源設(shè)備一般都比頻率小的價(jià)格高,，功率大的設(shè)備必定比功率小的價(jià)格高,。因此，選擇電源頻率終需考慮綜合經(jīng)濟(jì)技術(shù)指標(biāo),。
在實(shí)際設(shè)計(jì)中,，往往選用較上兩式算出的頻率高一檔的電源，因?yàn)轭l率高得多,，會(huì)引起爐料的溫差過大,，反而會(huì)使加熱時(shí)間增長。
在爐料性質(zhì)(粘度,、密度,、電阻率等)相同的情況下,，攪拌力與加熱功率成正比，加熱功率越大,，攪拌越激烈,；升高電源頻率，攪拌減弱,；坩堝體積增大,，攪拌也減弱。為滿足工藝要求,，攪拌必須適度,。因此，為了獲得所需的熔化率,，就得確保必要的加熱功率,。在爐子容量已定的情況下，為了滿足熔化率的要求,，且達(dá)到適度的攪拌,，則電源頻率就不能低于某一定值，這是為熔煉爐選擇電源頻率時(shí)需考慮的附加條件,。換言之,，相對于每一級頻率，爐子量有一界限,，在此界限內(nèi),，爐子工作的技術(shù)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)就高。
4.感應(yīng)加熱裝置綜述
概述
隨著電力半導(dǎo)體器件的開發(fā)和電力電子技術(shù)的不斷發(fā)展,，感應(yīng)加熱裝置的面貌也日新月異,，尤以裝置的體積，重量和性能方面化為突出,。例如：同頻率,、同容量(50KW)的晶體管式高頻裝置與電子管式高頻裝置相比，體積縮小2/3,，重量減輕2/3,，冷卻水消耗量節(jié)約1/2，節(jié)約耗電量超過1/2,，效率提高45%,；而且前者壽命長，安全可靠,，易實(shí)現(xiàn)自動(dòng)控制,，有利于提高加熱質(zhì)量，維護(hù)工作量小，可隨用隨開,；后者則需預(yù)熱后才能投入運(yùn)行,，維護(hù)費(fèi)用高。
半導(dǎo)體式感應(yīng)加熱裝置的出現(xiàn)使感應(yīng)加熱用的頻率選擇概念發(fā)生很大變化,，電子式感應(yīng)加熱裝置的頻率等級少,，不能根據(jù)加熱的工藝的要求選擇更合適的工作頻率，往往不得不遷就頻率而犧牲,。而半導(dǎo)體式感應(yīng)加熱裝置的頻率應(yīng)變性*,，還具有頻率自動(dòng)跟隨負(fù)載變化的特性，可以選擇理想的工作頻率,，使裝置效率高,，從而達(dá)到節(jié)能、省時(shí)的目的,。從節(jié)能角度出發(fā),，頻率等級是似乎越細(xì)密越好，但是過細(xì),、過密就涉及到配套的協(xié)調(diào)問題,。幸好同一頻率等級的半導(dǎo)體式感應(yīng)加熱裝置的實(shí)際工作頻率，允許在一定范圍變化,。在一般情況下至少允許圍繞頻率等級值變化20%,。加熱工藝對工作頻率的要求雖高卻不苛刻,，因此,，結(jié)合目前內(nèi)外情況可以打破現(xiàn)有的頻率等級劃分，即使暫時(shí)做不到,，也應(yīng)逐漸向下列頻率等級靠攏
10kHz,20Khz,30kHz,40kHz,50kHz,75kHz,100kHz,150KHz,200kHz,300kHz,
400kHz,500kHz.另外,，就可預(yù)見的電力半導(dǎo)體器件發(fā)展情況來看,，近期不太可能滿足開發(fā)500kHz以上感應(yīng)加熱電源的要求，這一頻段暫時(shí)還只能用電子管振蕩器去實(shí)現(xiàn),?？蓪⑸鲜鲱l率等級中500Hz以下的稱為低頻，1~10KHz稱為中頻,，20~75KHz稱為超音頻，100KHz以上稱為高頻,。這種劃分更符合中國的習(xí)慣,，也較科學(xué)。
應(yīng)該指出,，符合前述頻率等級的感應(yīng)加熱裝置,，全都可以用電力半導(dǎo)體器件。
5.電力半導(dǎo)體器件的比較和選擇
電力半導(dǎo)體器件種類繁多，各有特點(diǎn),。實(shí)踐中,，應(yīng)根據(jù)感應(yīng)加熱裝置的頻率和容量，以及目前巳商品化的電力半導(dǎo)體器件的開關(guān)速度高低,，單管或單個(gè)模塊的容量大小,，價(jià)格高低選用。
為方便起見,，下面將各種電力半導(dǎo)體器件性能特點(diǎn)和關(guān)鍵參數(shù)作粗細(xì)比較：
(1)允許高工作電壓,。無論是晶體管還是晶閘管都能滿足以三相380伏、50Hz作進(jìn)線電源的高頻裝置對電力半導(dǎo)體開關(guān)的要求,。因?yàn)榫w管中,，除VMOS管高允許電壓只1000V外，其他幾種都在1200V以上,，所有的晶閘管都能達(dá)到幾千伏水平,，還適于更高進(jìn)線電壓(如，575V或1000V)的感應(yīng)加熱裝置中使用,。
(2)允許大工作電流,。總的來說,，已商品化的晶閘管的大工作電流比晶體管的都大,，可達(dá)千安以上。在晶體管中,，以IGBT大的180A,，VMOS小，耐壓能到1000V的30A左右,。
(3)通態(tài)壓降,。晶閘管的通態(tài)壓降普遍低于晶體管，因比,，導(dǎo)通損耗也小,。晶體管中，以GTR的小,，其次是IGBT,，一般只有幾伏。SIT和工作在額定電流時(shí)則在十幾伏以上,，導(dǎo)通損耗相當(dāng)可觀,，只是由于它們的允許工作頻率高，在100~500KHz區(qū)段,，還沒能為其他器件所代替,。實(shí)際上,，SIT和VMOS的導(dǎo)通呈電阻特性，它們的通態(tài)壓降是隨工作電流變化的,，SIT的通態(tài)電阻比VMOS的小,，因而功耗也小。
(4)工作頻率,。晶體管和晶閘管的適用工作頻率和容量,。
(5)驅(qū)動(dòng)功率?？偟膩碚f,，晶體管中除GTR屬電流驅(qū)動(dòng)，驅(qū)動(dòng)率大外,，其他晶體管(IGBT,，VMOS和SIT)都屬電壓驅(qū)動(dòng)，驅(qū)動(dòng)功率小,。相對晶體管(除GTR外)而言,，晶閘管的驅(qū)動(dòng)功率大，而且GTO和SITH的驅(qū)動(dòng)電路復(fù)雜,，以GTO的驅(qū)動(dòng)功率大,。
(6)對緩沖電路的要求。晶閘管中以GTO對緩沖電路的要求較高,，其次是SITH,，晶體管中則以GTR和IGBT對緩沖電路要求高，SIT和VMOS管也要求設(shè)置必要的緩沖電路,。
(7)串并聯(lián)使用的難易程度,。由于晶閘管的單管容量大，除非要制造特大功率的裝置,，一般都無需串聯(lián)或并聯(lián)使用,。而晶體管一般都不能串聯(lián)使用，但因單管電流容量小,，經(jīng)常要并聯(lián)使用,。特別是SIT和VMOS，他們在感應(yīng)加熱裝置中幾乎都需要并聯(lián),，幸而這兩種管子都極易并聯(lián)使用,。
(8)有無自關(guān)能力。一般快速晶閘管雖然沒有自關(guān)能力,，需用換電流關(guān)斷電路,，但在感應(yīng)加熱裝置中，由于有改善爐子功率因數(shù)用大容量的匹配電容器,，晶閘管可以利用諧振能量進(jìn)行換流,，無需特意設(shè)置換流電路。所以,，沒有自關(guān)能力的晶閘管也不會(huì)妨礙其在感應(yīng)加熱裝置中的使用,，而它卻有高壓、大電流,，低損耗,、價(jià)廉等突出特點(diǎn)。此外,，具有自關(guān)能力的晶閘管或晶體管,，除在關(guān)斷能力上有一定優(yōu)勢，有可能使逆變效率稍增外,，在其他方面均不如快速晶閘管,。因此，在適用晶閘管的頻段內(nèi),，應(yīng)優(yōu)先選用晶閘管,。
(9)價(jià)格。就目前市場價(jià)格來說,，裝配同容量的感應(yīng)加熱裝置,，在開關(guān)器件方面的花費(fèi)，則是用晶體管的比用晶閘管的高,，便宜的是用SCR(高頻),，貴的是SIT和VMOS。
綜上所述,，為了獲得較好的技術(shù)經(jīng)濟(jì)指標(biāo),，10kHz以下、幾百kW以上的大功率感應(yīng)加熱裝置,，宜選用晶閘管,。其中5kHz以下者，應(yīng)盡量選用SCR(高頻),；5kHz以上者,，可用SITH。10kHz以下小功率感應(yīng)加熱裝置,，也可以選用IGBT,，只是成本稍高些；10~50kHz頻域感應(yīng)加熱裝置應(yīng)盡量選用IGBT,，只有高于50kHz的,，才應(yīng)考慮選用SIT或VMOS?？傊?，在開發(fā)新的感應(yīng)加熱裝置時(shí),，應(yīng)優(yōu)先考慮選用SCR(高頻)、T杪,，其次是選用SITH和VMOS,，好不用GTR和GTO。因?yàn)楹髢烧叩尿?qū)動(dòng)功率大,，驅(qū)動(dòng)電路復(fù)雜,。從總體看，IGBT優(yōu)于GTR,，SITH優(yōu)于GTO,。從發(fā)展情況看，剛剛顯露的MOS控制晶閘管(MCT,，MCTH),，由于其具有通態(tài)壓降低、驅(qū)動(dòng)功率小,、開關(guān)速度快等一系列優(yōu)點(diǎn),，會(huì)象IGBT取代GTR一樣，有可能*取代GTO和SITH的位置,。其實(shí),，與SCR和IGBT相比，MCT也具有很大的優(yōu)勢,，不久的就會(huì)進(jìn)入半導(dǎo)體感應(yīng)加熱裝置的領(lǐng)域,。 返回
6.電力半導(dǎo)體式感應(yīng)加熱裝置的構(gòu)成
電力半導(dǎo)體式感應(yīng)加熱裝置的出現(xiàn)，使感應(yīng)加熱裝置無論從外觀還是內(nèi)在的結(jié)構(gòu)都更加簡單和單一化,。在電力半導(dǎo)體器件出現(xiàn)以前,，除了早已淘汰的火花隙高頻發(fā)生器外，感應(yīng)加熱裝置按頻段分為三種類型：(1)50Hz以下為磁性靜止變頻器,，它是利用正弦波電壓加在磁路飽和的電抗器上,，會(huì)產(chǎn)生高次諧波的原理而進(jìn)行的；(2)1~8kHz用發(fā)電機(jī)組：(3)幾十kHz以上用電子管振蕩器,。顯然,，這三種感應(yīng)加熱裝置無論在外觀還是電路結(jié)構(gòu)上，都毫無相似之處,。電力半導(dǎo)體感應(yīng)加熱裝置則不然,，無論其頻率高低，功率大小,，都有相似的外觀和幾乎*相同的結(jié)構(gòu),，電路也更加簡單。不同頻率半導(dǎo)體感應(yīng)加熱裝置的主要區(qū)別,，只是在所用開關(guān)器件不同,，以及由此帶來的開關(guān)器件驅(qū)動(dòng)電路,、緩沖電路和保護(hù)方面的差別。
電力半導(dǎo)體式感應(yīng)加熱裝置的電路結(jié)構(gòu)與其工作頻率,、功率無關(guān),，都是由整流器、濾波器,、逆變器及其控制和保護(hù)電路組成。工作時(shí),，三相工頻電流經(jīng)整流,，濾波器濾波后，成為平滑直流送到逆變器,。逆變器是采用電力半導(dǎo)體器件作為電子開關(guān)的,，它將直流電變成較高頻率的電流供給負(fù)載。
逆變器是感應(yīng)加熱裝置中不可減少的組成部分,，它的工作和輸出功率決定了裝置的頻率和功率,，而這兩個(gè)重要參數(shù)則取決于由被加物的材質(zhì)、形狀,、加熱溫度和溫度分布等決定的條件和單位時(shí)間內(nèi)的物料處理量,。
在感應(yīng)爐中，變頻電流是通過感應(yīng)線圈把能量輸送給負(fù)載的,，而感應(yīng)線圈往往就是逆變器中的一個(gè)部件,。感應(yīng)線圈和爐料一起，顯示的功率因數(shù)很低,，為了提高功率因數(shù),，需要調(diào)諧電容器向感應(yīng)加熱線圈提供無功能量。在實(shí)際生產(chǎn)中,，由于電容器與感應(yīng)線圈的連接方式不同,，構(gòu)成了性能差異的各種逆變器，甚至決定了感應(yīng)加熱裝置本身的特點(diǎn)和適用范圍,。
爐種 | 爐 料 | |||||
耐火材料
坩堝無心爐
有芯熔煉爐
感應(yīng)透熱設(shè)備 | 銅和鑄鐵 | 黃銅和銅 鎳合金 | 銅和其他 銅合金 | 鋁和鋁合 金 | 鋅和鋅 合金 | 鎂和鎂 合金 |
0.05~0.25
0.7~0.8
0.15~0.4 | 0.15~0.20
0.6~0.85
0.15~0.35 | 0.12~0.18
0.4~0.5
0.12~0.30 | 0.12~0.2
0.3~0.35 0.2~0.4
0.12~0.35 |
0.4~0.5
0.8~0.9 |
0.3~0.4 | |
7.儲(chǔ)能元件C和L
無論是電子管式感應(yīng)加熱裝置,，還是電力半導(dǎo)體式感應(yīng)加熱裝置，都離不開儲(chǔ)能元件,，可以說,，沒有儲(chǔ)能元件就沒有感應(yīng)加熱裝置,。在感應(yīng)加熱裝置中使用的儲(chǔ)能元件有電容C和電感L兩種。
電容C和電感L在電路中都能起調(diào)諧,、濾波,、耦合、去耦,。以及能量儲(chǔ)存和傳輸?shù)淖饔?。所不同的是，電容?chǔ)存電場能,，能隔離直流電流,，只讓交流通過;而電感儲(chǔ)存磁場能，能讓直流電流須利通過,，阻擋交流電流流通,。
A電容C
a電容器
電容器是一種能儲(chǔ)存電能的元件。兩塊彼此平行而不接觸的金屬板就構(gòu)成了一個(gè)簡單的電容器,。
充了電的電容器具有電能,，假如你用手去碰充了電的電容器的接頭，你就會(huì)受到電“打”,。電容器的容量愈大,，電壓愈高，“打”得就愈厲害,。電容器的電壓在100~200V時(shí),，除了使人感到震悸和不舒適外，不會(huì)引起意外的后果,；可是在高電壓時(shí)(100V或更高),，就有致命的危險(xiǎn)。
電容器這種“打”人的本領(lǐng)是從何處來呢,？
如果把兩平行金屬板的兩端,，用導(dǎo)線分別接到電池的正極、負(fù)極,，那么接正極的金屬板上帶負(fù)電荷的電子就被電池正極吸引過去,，而接負(fù)極的金屬板，將從電池負(fù)極獲得大量電子,。也就是說,，電池將接正極的金屬板上的負(fù)電荷轉(zhuǎn)移的接負(fù)極的金屬板上，這就是所謂電容器“充電”,。
大家知道,，同性電荷相斥，異性電荷相吸。因此,，無論是奪取接正極的金屬板上的電子,，還是將電子轉(zhuǎn)移到接負(fù)極的金屬板上去，電池都必須做功,，這種功變成了電子的位能而儲(chǔ)存在兩金屬板上,。充電的時(shí)候，電子在導(dǎo)線中流動(dòng)而形成電流,，但充電不是永無休止的,，當(dāng)兩金屬板上充的電荷形成的電壓與電池電壓相等時(shí)，充電就停止,，電路里就電流,，這相當(dāng)于電路斷開一樣，這就是電容器能隔斷直流電的道理,。
電容器上儲(chǔ)存電荷的多少，與加到電容器兩端的電池電壓有關(guān),。電壓越高,，電容器所充的電荷就越多。電容器上所充電荷與充電電壓之比,，表示電容器的容量,，用字母C表示，其關(guān)系式如下：
C=U/q
式中 q-----電容器的儲(chǔ)電量,，C;
U------充電電壓;V;
C------電容器容量,，F；
可以證明,，電池所作的功,，也就是儲(chǔ)存在電容器中的電子的位能，電能為：
Wc=q2/2C
如果將電容器從電池上拆開,，用導(dǎo)線將電容器兩金屬板接起來,，在剛接通的瞬間，電路便有電流流通,，這個(gè)電流與原充電時(shí)的電流方向相反,。隨著電流的流通，兩金屬板上積累的電荷逐漸減少,，電壓逐漸降低,，這就是所謂“放電”。顯然,，放電是使儲(chǔ)存在金屬板上的電子的位能變成動(dòng)能,，隨之變成熱能而消耗在導(dǎo)線電阻中。
如果不是用導(dǎo)線，而是用手將充了電的電容器兩極板接起來,，電容就會(huì)通過人的手放電,，使人感到電麻，所以,，電容器“打”人是因?yàn)樗ㄟ^人體放電給人于電打,，而這種本領(lǐng)也是能量，是給它充電的電源得到的,。
b交流回路中的電容器
如果電容器的兩極接上交流電,，則由于交流電的大小和方向在不斷地變化，電容器的兩端也必然交替地進(jìn)行充電和放電,，因此,，電路中的電流就不停地來回流動(dòng)，這就是電容器能通過交流電的道理,。
那么,，從電容器上流過的交流電流到底是多大呢？顯然,，電流大小取決于電容器充放電電流的強(qiáng)度,。如果電容器上的電荷是均勻變化而放電電流保持不變，則電容器所能給的放電電流的強(qiáng)度,，等于用放電時(shí)間T/2來除電容器上儲(chǔ)存的電荷q,
式中 T------交流電變化一周的時(shí)間,，稱為周期；
f------交流電在單位時(shí)間內(nèi)變化的次數(shù),，f=T/1,，稱為頻率。
事實(shí)上,，人們所知道的交流電源電壓U都是按諧波規(guī)律從零變化到Um的正弦波,，因而電容器的電荷q以及電路中的電流也按諧波規(guī)律從零變化到qm以及Im，也就是說電流不是常數(shù),?？紤]到電流不是常數(shù)，按的計(jì)算補(bǔ)進(jìn)因數(shù)π=3.14,，其的公式為：
Im=2πfCUm
由公式可知,，電容量和外電源的頻率f愈大，電流就愈大,。根據(jù)電路原理,，電壓與電流振幅的比Um/Im稱為阻抗，在此Um/Im=1/2πfC=Xc,。人們用Xc來表示常數(shù)1/2πfC,并稱為電容器的容抗,。
大家知道，一般導(dǎo)線對于電源的阻抗稱為“電阻”，用R表示,。在交流電技術(shù)中,，稱為有效電阻，以便與容抗和下面將敘述的感抗相區(qū)別,。有效電阻對于電流的阻抗作用是和電能轉(zhuǎn)變成熱能而損耗的事實(shí)相聯(lián)系的,，電流流過導(dǎo)線時(shí)，它的一部分電能轉(zhuǎn)變成熱,，而消耗在導(dǎo)線中,，其值為I2Rt(I為電流，t為時(shí)間),。
電源電壓為一定時(shí),，容抗和有效電阻一樣能限制電路中的電流。但是容抗不會(huì)將電源的能量變成熱量而耗掉,，它只是不讓在該頻率下電容器所不能容納的能量流過電路,。
在一個(gè)四分之一周期(0~π/2)內(nèi)(越前電壓1/4周期)，電源對電容器充電,，電能由電源轉(zhuǎn)移到電容器上,；下一個(gè)四分之一周期(π/2~π)電容器放電，它把能量還給電源,。如果不考慮線路的有效電阻和電容的介質(zhì)損耗，當(dāng)電流流過電容器時(shí),，并不耗費(fèi)任何能量,。無論電源功率多大，在中所能流通的能量只能是電容器充電時(shí)所能“容納”以及在放電時(shí)“交回”電源的能量,，所以,，電容能限制電路中的電流。
c電容器的主要參數(shù)
電容器的主要參數(shù)是容量,、電壓和功率,。
(1)容量。如前所述,，電容器具有儲(chǔ)存電荷的特性,，它儲(chǔ)存電荷的多少，與加到電容器兩端的電源電壓成正比,，其比例常數(shù)就是電容器的容量,，用字母C表示。
電容器的容量表明電容器儲(chǔ)存電荷的能力,。由式1-1-10可知,，對于某一電容器來說，如果加在它兩端的電壓為一伏時(shí)，它能儲(chǔ)存一庫侖的電荷,，則稱它的電容量為一法拉,。法拉一般用字母“F”表示。在實(shí)用中有時(shí)嫌它太大,，就用微法和皮法來表示,。
實(shí)際上，決定電容器的容量的因素是制造電容器的介質(zhì)的介電系數(shù)和電容器極板的幾何形狀,、幾何尺寸,。因此，有時(shí)電容器的單位也用長度單位來表示,。厘米和法拉之間的換算關(guān)系是：一厘米電容相當(dāng)于1/9×10的11次方法拉,。
(2)電壓。電容器是在極板之間填以介質(zhì)制成的,，因此,，電容器的級板間的電壓有一級限值，超過此值,，介質(zhì)將被擊穿而成短路,，電容器就失去了儲(chǔ)存電荷的特性而算報(bào)廢。
為了保證人們能夠正確地使用電容器,，所以制造廠規(guī)定了電容器的工作電壓或?qū)嶒?yàn)電壓,。工作電壓是電容器能長期(一般不短于10000h)可靠的安全的工作的高電壓，用“W.V”表示,，試驗(yàn)電壓是電壓電容器能短期(一般不超過1min)承受不被擊穿的高電壓,，用“T.V”表示。工作電壓一般為試驗(yàn)電壓的百分之五十到百分之七十,。
應(yīng)該指出,，電容器的耐壓通常都是標(biāo)示直流電壓，如果用在交流電路中,，則應(yīng)保證交流電壓的峰值不應(yīng)超過該標(biāo)示值,。當(dāng)然，有的電容器(例如電解電容)根本就不允許用在交流回路中,，那就不是耐壓多少的問題了,。
(3)功率。電容器既然是用介質(zhì)制造的,，當(dāng)電容器兩端接上交流電時(shí),，必定要有功率損耗，一般被介質(zhì)所吸收的有功功率為：
式中 Pe------有功功率,，W,；
U-------加在是電容器上的電壓,，V；
w------加于電容器的電壓角頻率,，w=2πf,rad/s;
C-----電容的容量,，F；
tg﹠------電容中介質(zhì)損耗角的正切,；
pc------電容器的無功功率,，Var.
電容器中的介質(zhì)損耗將使電容器發(fā)熱，顯然損耗太大也會(huì)使電容器過熱而損壞,。為了保證電容器的正常使用,，必須規(guī)定其允許的損耗值。另外,，由于tg﹠值只決定于電容器的介質(zhì)材枓(嚴(yán)格說來還與溫度,、濕度有關(guān))，對于某一電容器來說就是個(gè)定值,。在實(shí)際工作中,，人們感興趣的是其無功功率Pc，因此一般制造廠都規(guī)定電容器的無功功率Pc,，而不是直接給出有功功率,。
后有必要指出，在一般的小功率電路中,，選用電容器時(shí)只要滿足容量,、電壓的要求就行；而在大功率電路中,，選擇電容除滿足容量,、電壓的要求外，還必須使其無功功率亦滿足要求,。此外，在某些特殊情況下,，還對電容器的“漏電電阻”(因其介質(zhì)不是的絕緣體)加以限制,。例如，在自動(dòng)控制系統(tǒng)中,，常用“PID”調(diào)節(jié)器,，其中作為微積分應(yīng)用的電容就不應(yīng)該選用漏電流小，漏電電阻大的電容,，還有一些時(shí)延極長的延時(shí)電路中的延時(shí)電容也要求漏電電阻越大越好,。對于這些情況使用者應(yīng)注意選擇。
d電容器的種類
電容器的種類很多,。按結(jié)構(gòu)可以分為固定的電容器,、半右變電容器和可變電容器,。按采用的介質(zhì)材料不同，可以為空氣,、紙介,、電解、云母,、瓷介,、鐵電和真空等電容器，近又出現(xiàn)一種混合電容器,。為了使用方便,，各種電容器又具有不同形狀和大小。
在選用電容器時(shí),，除了注意電容器的容量,、工作電壓、形狀均需滿足要求外,，在高頻線路中應(yīng)該特別注意電容是用什么介質(zhì)材料制造的,，電容的雜散電感大小，否則,，將收不到很好的效果,，甚至適得其反。
在頻率超過10的9次方Hz以后,，陶瓷電容器也會(huì)失效,，只能用真空或空氣電容器，所以在工業(yè)高頻裝置的高頻回路(一般都在100KHz以上)內(nèi),，應(yīng)盡量采用云母,、陶瓷、鐵電,、真空等介質(zhì)的電容器,。
B 電感L
a電感線圈
線圈在電路中也是儲(chǔ)能元件，當(dāng)電荷沿導(dǎo)線運(yùn)動(dòng)時(shí),，便產(chǎn)生電流,。電流周圍總是伴有磁場，磁場具有一定的能量,。當(dāng)電流I沿線圈流過時(shí),，線圈的磁場能量，即磁能等于：
WL=1/2個(gè)LI的平方
式中的L對于每一個(gè)給定的線圈說來是常數(shù),，稱為線圈的自感系數(shù)或電感,。
根據(jù)電磁感應(yīng)定律，任何在導(dǎo)體周圍的磁場的變化都會(huì)在導(dǎo)體中引起電動(dòng)勢,。當(dāng)流過線圈的電流減少(或增加時(shí))它所產(chǎn)生的磁場也減少(或增加),，由于這一磁場的變化,，都會(huì)在線圈中引起感應(yīng)電動(dòng)勢。因?yàn)殡妱?dòng)勢變發(fā)生在產(chǎn)生磁場的線圈中,，因此,，人們便把它叫做自感電動(dòng)勢。自感電動(dòng)勢的作用是反對引起這個(gè)電勢的電流發(fā)生變化的,。假如線圈中的電流減少,，自感電動(dòng)勢的方向相同，力圖維持電流不減少,；但不管怎么樣,，電流的變化總是會(huì)隨著外電源的變化而變化的，自感電動(dòng)勢不能*阻擋這種變化,，只能使這種變化延遲發(fā)生,，所以說，通過電感線圈的電流不能突變,。
b交流回路中的線圈
現(xiàn)在假定由頻率為f的交流電和具有電感L的線圈組成電路,，電源的電動(dòng)勢按照諧波規(guī)律變化。由于線圈具有電感L,，當(dāng)電路中的電流發(fā)生變化時(shí),，會(huì)產(chǎn)生電動(dòng)勢，這電動(dòng)勢力圖阻止電流的變化,，因此,，電路中的電流只能達(dá)到某一定的值(忽略繞制線圈的導(dǎo)線有效電阻)。其中2πfL表示線圈電感對于頻率為f的電流的阻擋力,，人們稱之為線圈的感抗,，用XL表示。顯然XL愈大,，通過線圈的電流就愈小,，而XL與電源的頻率和線圈電感成正比。所以,，在線圈相同時(shí),，電源的頻率愈高，流過線圈的電流就愈小,。也就是說，高頻電流難于通過線圈,，而低頻電流容易通過,。在電流流通(落后于電源電壓1、4周期)的開始四分之一周期0~π/2內(nèi),，線圈中的電流由零逐漸增加,，線圈由電源取得能量,，并使之變成磁能；在下一個(gè)四分之一周期π/2~π,，電流開始逐漸減少,，磁場被破壞，產(chǎn)生自感電動(dòng)勢,，這一電動(dòng)勢將線圈的磁場能量變成電能還給電源,。所以，如果忽略線圈的有效電阻的話,，電感和電容一樣,，能限制電路中的電流，擔(dān)不損耗能量,。
C線圈的主要參數(shù)
線圈中流過變化的電流時(shí),，線圈上便產(chǎn)生感應(yīng)電動(dòng)勢。感應(yīng)電動(dòng)勢的大小與線圈流過的電流變化率成正比例,，其比例常數(shù)就是電感量,，簡稱電感，用L表示,。它表明,，通過一定的電流時(shí)，線圈產(chǎn)生感應(yīng)電勢的能力,，其單位是亨利,，常用字母H表示。此單位的意義是：當(dāng)線圈中通過每秒變化1A的電流時(shí),，能產(chǎn)生1V感應(yīng)電勢,，此線圈中的電感就是1H。在實(shí)際應(yīng)用中還使用更小的單位mH和Μh.