电路课件电路06储能元.ppt

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1、电路,第6章 储能元件6-1-6-3,第6章 储能元件,本章重点,6-1 电容元件,工程技术中，电容器应用极广。电容器虽然品种、规格各异，构成原理都是由间隔以不同介质(如云母、绝缘纸、电解质等)的两块金属极板组成。在极板上加电压后，极板上分别聚集起等量的正、负电荷，并在介质中建立电场而具有电场能量。将电源移去后，电荷可继续聚集在极板上，电场继续存在。（a）缩箔插引线片结构（b）铝箔凸出折边结构 电容器元件结构 1-薄膜；2-铝箔；3-电容器纸；4-引线片,实际电容器,6-1 电容元件,电力电容器,6-1 电容元件,冲击电压发生器,6-1 电容元件,电容元件及其库伏特性-1,电容器是能储存电荷或

2、储存电场能量部件。电容元件是这种物理现象的电路模型。元件特性：电荷q与电压u代数关系线性电容元件符号图6-1a，电压参考极性与极板储存电荷极性一致，有 qCu(6-1)C电容元件参数，称电容，正实常数。当电荷和电压单位分别用C和V表示时，电容单位F(法拉，简称法)。,6-1 电容元件,电容元件及其库伏特性-,图6-1b线性电容库伏特性：一条通过原点直线。电容元件i和u取关联参考方向，图a，VCR为表明电流和电压变化率成正比。当电压剧变(即du/dt很大)时，电流很大。当电压不随时间变化时，电流为零。故电容在直流情况下其两端电压恒定，相当于开路，或电容有隔断直流(简称隔直)作用。,6-1 电容元

3、件,式(1-7)逆关系为不定积分，写成定积分表达式式中q(t0)为t0时刻电容所带电荷量。物理意义：t时刻具有电荷量等于t0时电荷量加以t0到t时间间隔内增加电荷量。如指定t0为时间起点并设为零，可写为对电压电流关系，由于uq/C，因此有 或,6-1 电容元件,电容元件及其库伏特性-,比较式(-)、(1-3)可知：电容u与i有动态关系，电容是动态元件。式(-)可见，电容电压除与0到t电流值有关，还与u(0)有关，电容元件是有“记忆”元件。与之相比，电阻电压仅与该瞬间电流有关，是无记忆元件。在电压和电流关联参考方向下，线性电容元件吸收功率：,6-1 电容元件,电容元件及其库伏特性-,电场能量-,

4、从t=-到t，电容 吸收电场能量为电容吸收能量以电场能量形式储存在电场中。认为t=-时，u(-)0，电场能量为零。电容元件在任何时刻t储存电场能量Wc(t)将等于吸收能量，写为从t1到t2，电容元件吸收能量电容充电时，|u(t2)|u(t1)|，Wc(t2)Wc(t1)，此时间内吸收能量；电容放电时，Wc(t2)Wc(t1)，释放电能。,6-1 电容元件,充电时吸收并储存能量在放电完毕时全部释放，不消耗能量。电容元件是一种储能元件。电容也不会释放多于吸收或储存能量，又是一种无源元件。如电容库伏特性在u-q平面不通过原点，称非线性电容元件，晶体二极管中变容二极管是一种非线性电容，电容随所加电压而

5、变。一般电容器除储能外，也消耗部分电能，电容器模型是电容和电阻组合。电容器消耗电功率与所加电压直接相关，模型是并联组合。电容器是为获得一定大小电容特意制成。但电容效应在许多场合存在，即分布电容和杂散电容。理论上，电位不相等导体间会有电场，有电荷聚集并有电场能量，即有电容效应存在。,6-1 电容元件,电场能量-,电容效应例,两根架空输电线间，每一根输电线与地间有分布电容。晶体三极管或二极管电极间，甚至一个线圈线匝间也存在杂散电容。是否在模型中计入这些电容，必须视工作条件下所起作用而定，当工作频率很高时，不应忽略其作用，以适当方式在模型中反映。为叙述方便，把线性电容元件简称电容，本书“电容”术语及

6、与相应符号C一方面表示电容元件，另一方面也表示元件参数。,6-1 电容元件,-电感元件,工程中广泛用导线绕制线圈。例：电子电路中常用空心或带铁粉心高频线圈，电磁铁或变压器含有在铁心上绕制线圈。线圈通电流后产生磁场随时间变化时，产生感应电压。图-，电流i产生磁通L与N匝线圈交链，则磁通链LNL。,感应电压,磁通L和磁通链L由线圈本身电流i产生，称自感磁通和自感磁通链。L和L方向与i参考方向右螺旋关系，如图。当磁通链L随时间变化，线圈端子间产生感应电压。如感应电压u参考方向与L成右螺旋关系，根据电磁感应定律，有 该式确定感应电压真实方向时，与楞次定律结果一致。,-电感元件,*楞次定律,楞次定律：线

7、圈中磁通变化引起的感应电动势，真实方向总是使产生感应电流试图阻止磁通变化。图中，当di/dt0，因而dL/dt0时，按式(-)知u0，即端子A电位高于端子B电位，如将A、B端子与外电路接通，有感应电流自A通过外电路流回B，再经线圈回到A，显然这一电流产生磁场阻止L增长，与楞次定律相符。,自感现象,-电感元件,电感元件及其韦安特性-,电感元件是实际线圈理想化模型，反映电流产生磁通和磁场能量储存物理现象。线性电感元件图形符号图-a。图中不必也难画磁通L参考方向，但规定L与电流i参考方向满足右螺旋关系。线性电感元件特性 L=Li L称该元件自感(系数)或电感。L是正实常数。国际单位制(SI)，磁通和

8、磁通链单位Wb(韦伯，简称韦)；电流用A时，自感或电感单位H(亨利，简称亨)。,-电感元件,电压和电流关系,线性电感元件韦安特性是L-i平面通过原点直线，图b。把LLi代入式(-)，得电感元件VCR：式中u和i关联参考方向，与L右螺旋。上式逆关系为定积分形式为或电感元件是动态元件，也是记忆元件。,-电感元件,电感元件的功率和磁场能量,在电压和电流关联参考方向下，线性电感元件吸收功率为在t=-时，i(-)0，电感元件无磁场能量。从-到t时间段内电感吸收磁场能量：就是线性电感元件在任何时刻磁场能量表达式。从时间t1到t2内，线性电感元件吸收磁场能量,-电感元件,储能、无源元件,当|i|增加，WL0

9、，元件吸收能量；当|i|减小，WL0，元件释放能量。电感不把吸收能量消耗掉，以磁场能量形式储存在磁场中。电感元件是储能元件，也不会释放出多于它吸收或储存能量，又是无源元件。空心线圈以线性电感元件为模型的典型例子。当导线电阻损耗不可忽略时，需用线性电感元件和电阻元件串联作模型。,-电感元件,电感元件,如电感元件韦安特性不是通过L-i平面原点直线，是非线性电感。非线性电感韦安特性用下式表示 L=f(i)或 ih(L)带铁心电感线圈以非线性电感元件为模型的典型例子。但线圈在铁磁材料非饱和状态下工作，L与i近似于线性关系，铁心线圈仍可当线性电感元件处理。为叙述方便，把线性电感元件简称电感，本书“电感”

10、及相应符号L，一方面表示电感元件，另一方面也表示元件参数。,-电感元件,习 题,P134 题 6-1,6-3 电容、电感元件串联与并联,电容串联图6-4a为n个电容串联，每个的VCR为总电压等效电容初始条件 u(t0)=u1(t0)+u2(t0)+un(t0)t0=-则u(t0)=0,电容并联,图6-5，u1(t0)=u2(t0)=un(t0)=u(t0)式中Ceq为等效电容：Ceq=C1+C2+Cn初始电压u(t0),6-3 电容、电感元件串联与并联,电感串联,i1(t0)=i2(t0)=in(t0)=i(t0)Leq为等效电感Leq=L1+L2+Ln初始电流i(t0),电感并联,i(t0)=i1(t0)=i2(t0)=in(t0),