感應(yīng)加熱的基本知識(shí)                    

1．感應(yīng)加熱的應(yīng)用

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。        

2．感應(yīng)加熱的原理

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(chǎng)。通過的電流為直流時(shí)，產(chǎn)生的磁場(chǎng)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(chǎng)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(duì)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(chǎng)，從而在導(dǎo)體中產(chǎn)生自感電動(dòng)勢(shì)迫使電流發(fā)生重新分配的結(jié)果。導(dǎo)體周圍磁場(chǎng)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(chǎng)較內(nèi)側(cè)強(qiáng)，內(nèi)側(cè)中心的磁場(chǎng)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(chǎng)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(chǎng)較外側(cè)強(qiáng)。

如果將材料放在高頻磁場(chǎng)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(shì)，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(duì)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(duì)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(duì)于每一級(jí)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(jí)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(jí)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(jí)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(jí)值變化20%。加熱工藝對(duì)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(jí)劃分，即使暫時(shí)做不到，也應(yīng)逐漸向下列頻率等級(jí)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(jí)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(jí)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(duì)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?？偟膩碚f，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(duì)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(duì)緩沖電路的要求。晶閘管中以GTO對(duì)緩沖電路的要求較高，其次是SITH，晶體管中則以GTR和IGBT對(duì)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?cè)诟袘?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(shì)，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(chǎng)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。總之，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(shì)，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(jiǎn)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(jiǎn)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。

感應(yīng)爐的自然功率因數(shù)與爐體結(jié)構(gòu)、爐料性質(zhì)因素有關(guān)，根據(jù)對(duì)各種爐子狀況的統(tǒng)計(jì)，其量如表所列。為便于比較，表中還列了有心熔煉爐的自然功率因數(shù)值。

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)淖饔谩Ｋ煌氖?，電容?chǔ)存電場(chǎng)能，能隔離直流電流，只讓交流通過;而電感儲(chǔ)存磁場(chǎng)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(jiǎn)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(duì)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(duì)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(duì)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(duì)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(jí)板間的電壓有一級(jí)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(duì)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(duì)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(duì)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(chǎng)，磁場(chǎng)具有一定的能量。當(dāng)電流I沿線圈流過時(shí)，線圈的磁場(chǎng)能量，即磁能等于：

              WL=1/2個(gè)LI的平方

式中的L對(duì)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(chǎng)的變化都會(huì)在導(dǎo)體中引起電動(dòng)勢(shì)。當(dāng)流過線圈的電流減少(或增加時(shí))它所產(chǎn)生的磁場(chǎng)也減少(或增加)，由于這一磁場(chǎng)的變化，都會(huì)在線圈中引起感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)。因?yàn)殡妱?dòng)勢(shì)變發(fā)生在產(chǎn)生磁場(chǎng)的線圈中，因此，人們便把它叫做自感電動(dòng)勢(shì)。自感電動(dòng)勢(shì)的作用是反對(duì)引起這個(gè)電勢(shì)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(shì)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(shì)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(shì)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(shì)，這電動(dòng)勢(shì)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(duì)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(chǎng)被破壞，產(chǎn)生自感電動(dòng)勢(shì)，這一電動(dòng)勢(shì)將線圈的磁場(chǎng)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(shì)。感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)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(jiǎn)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(shì)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(shì)，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.