怎样开发利用电路谐振能

开发利用电路谐振能 在当代世界上 电路谐振现象已经为人类做出了巨大贡献 人类在生产和生活中 一时一刻也离不开电路谐振现象 为了更好的说明电路谐振问题 首先谈电路谐振的用处 然后讲为什么会有用处和反映谐振现象的新学说 最后提出 发展利用谐振能的设想 让谐振能为人类做出更大的贡献 一 当代对电路谐振现象的应用 1 高频电路中利用调谐电路选择信号 调谐电路与无功功率有什么关系呢 调谐电路也就是在高频电路中的谐振电路 在电路谐振时只能改变无功功率的大 小 有功功率不发生变化 因为电路谐振与不谐振时电路中的电流或电压增大几十倍甚至上百倍 也就是无功功率增 大几十倍或上百倍 谐振时的频率就是所选择的信号 无功功率的这种功能是其它能量不能代替的 是无功功率独有 的 如果没有或不利用电路谐振现象 就没有收音机 电视机 电话和手机等 更不会有今天的自动化和现代化 社 会就会倒退几百年 2 在电力系统中 利用电容器输出的电能占一半左右 从实践中得知 在电力系统中无功功率需要量不比有功功率少 不算不知道 一算吓一跳 一台电容器补偿的无功功 率并不多 可是成千上万台电容器的容量加起来 输出的总无功功率就是电网中的视在功率一半左右 如果不利用电 力电容器或调相机补偿无功功率 就会缺少 1 3 以上的电能 二 电路谐振现象为什么会有用处 1 电路谐振现象是两种相反事物相结合的结果 许多人认为电路谐振时产生能量是无中生有 永动机不存在 不符合能量守恒定律 对此问题可用力学理论进行分析 1 在宏观利用保守力 水的重力可以做功 在宏观人们利用水力发电 就是水的重力做的功 从力学中得知水的重力是保守力 保守力的性质是 它能做正功 也能做负功 水从高处往下流就做正功 如果人们把水从低处送到高处 水的重力就做负功 河里的水为什么从高处 不断地往下流呢 是太阳能做的功 水在太阳能的做用下 变成水蒸汽上升到高空 温度下降后变成小水珠降落到地 面 形成河 人们利用河水的重力来发电 电路谐振是两种相反事物相结合的结果 煤和石油称为能源 是与氧气结合产生的是化学反应 产生化学能 同理共振 共鸣和电路谐是一种物理振现象 产 生的是物理能 在电感和电容的电路中 感抗与容抗性质相反 二者相差 180 度 感抗好比是水的重力 容抗好比是太阳能 当电感 负载做负功时 电容负载却做了正功 电容负载做负功时 电感负载又做了正功 在任何瞬间感抗与容抗都互相抵消 电路中只有纯电阻消耗电能 电路谐振也是两种相反事物相结合的结果 2 电流或电压增大是电路谐振时产生能量的表现 人们都认为电容器是一种储能元件 不会增加能量 输出不能大于输入 在电路谐振时为什么电流或电压变化那么大 呢 从力学理论中分析 能量变化有两种 一种是增大作用力 另一种是减小反作用力 串联电路谐振时就是减少反作用 力 谐振现象就是两个相反事物相结合的产物 电感与电容性质相反 这是公认的 当感抗等于容抗时 它们互相抵 消 因为感抗大于纯电阻很多 当感抗被抵消后 电路中的阻抗只有纯电阻起作用 又因纯电阻很小 相当于电路短 路 因作用力大小不变 反作用力减小 必然产生加速度 电流增大 此时计算公式为 I 振 U R 因 Z 大于 R 许多倍 所以谐振后电流 I 振大于原来的 I 原许多倍 谐振电路中的负载电流等于输入总电流 因为电压降计算公式 U 振 I 振 Z 串联电路称为 电压谐振 当电感与电容器并联时 因二者性质相反 所以能改变输入的电流方向 当电感接通电源的瞬间自感电动势最大 电 感负载和电源输出的电流共同流向电容支路 充电 当电容器放电时 电容支路和电源输出的电流共同流向电感负 载 此时电容器的作用是将反作用力 转变为作用力 对于电感负载来说 就相当于增加一个电源 又因为感抗大于 阻抗 因此电容支路中的电流大于从电源输入的电流 此电路称为 电流谐振 电子运动与宏观物体运动一样 电流大小与外力 能量 成正比 电流或电压增大是电路中能量增加的表现 无功功率能做功电路谐振能输出无功功率 1 无功功率在电流表中能产生转矩 指针转动就是有效电流做的功 实践得知 电流指针走动大小与有效电流大小成正比 有效电流是有功功率电流和无功功率电流的矢量和 证明无功 功率在电流表中能产生转矩 电流表虽小 说明问题很大 电表与电动机性质相同 都是利用电磁能做的功 转矩大 小都与电流大小成正比 推理无功功率在交流电动机中一定会做功 2 无功功率在变压器中能进行转换 证明无功功率做了功 书中承认变压器的空载电动势是由无功功率电流产生的 并且承认输入电流的相位 是输出电流的相位决定的 两个 电流相位差 180 度 当输出有功功率时 输入就是有功功率 输出无功功率时 输入也是无功功率 如果无功功率不能做功 那么 原边电流的相位 就不会由负边的电流相位和大小而改变 变压器能进行能量转换 证明无功功率能做功 3 无功功率在异步电动机中能产生转矩 说明无功功率能做功 实践得知 在异步电动机中 定子电流的相位和变压器一样 是由转子电流的相位决定的 两个电流相位差 180 度 如果有功功率能做功 那么无功功率也能做功 因为它们的两个磁场的相对位置是一样的 书中认为异步电动机转动原理与直流电机原理相同是不对的 它不是通电导体在磁场中受力作用产生的 而是定子旋 转磁场拖动转子产生的 因定子磁场大小与视在功率成正比 所以无功功率能做功 从实践中分析 直流电动机转动 也是两个磁埸互相作用产生的 4 电感负载做功大小与视在功率成正比 说明无功功率能做功 在电感性负载并联电容器后 电路中增加一个内电动势 输入了新的能量 在负载大小不变时 从电网中输入的电流 减少 所以节约了有功功率 在电网中的实际情况不同 试验结果也不一样 如果无功功率不能做功 那么 负载大小不变 消耗有功功率也不能发生变化 但实践证明消耗有功功率减少 就证 明无功功率做了功 5 无功功率在有功功率电表中不产生转矩 不能做为证据 书中认为无功功率不能在测有功功率时产生转矩 就认为无功功率不能做功 此种说法是不对的 有功功率在测量无 功功率大小时也不产生转矩 两种情况都是人为造成的 有功功率电表不能做为否认无功功率能做功的证据 通过对以上各种问题的探讨 发现无功功率能做功 视在功率代表总电能 6 在电视机 收音机 电话 手机和一切自动化控制的电路中 利用调谐电路选择信号 这是电路谐振时产生能 量 最好地说明 三 书中否认电路谐振现象产生能量的原因 1 书中对无功功率认识失误 1 在纯电感负载中瞬时平均功率计算失误 书中利用代数和的方法计算 平均功率为 零 没有功率量纲 书中讲 在纯电感负载中有功功率为 零 因纯电阻为 零 瞬时功率也是 零 所以平均功率是 零 是正确的 但在纯电感 负载中研究的不是有功功率问题 而是无功功率怎样计算问题 书中讲有功功率为 零 是所问非所答 如果无功功率瞬时平均功率为 零 那么 在电感负载中就没有电流通过 就测不出它的大小 无功功率的计算公式 就推导不出来 从实践中得知 电感负载中有电流通过 并能测出它的大小 证明有无功功率量纲存在 此事实说明 电感负载中瞬时平均功率不是 零 书中观点有失误 在瞬时功率中讲的是无功功率瞬时值 瞬时平均功率也应当是无功功率的平均值 计算方法是 瞬时功率绝对值和的 平均值 它不等于 零 符合实践 因为瞬时平均功率不是 零 所以才有无功功率的计算公式 Q IU 2 书中把电流与电压的时间角度当空间角度计算 在电阻与电感串联电路中 书中认为电流与电压相位差 90 度力不做功 电功率公式为 IUCOS 书中的计算公式是否符合实践结果呢 也必须要利用事实说明 在交流电路中存在两种阻抗 电阻和电感 必然消耗两种能量 根据能量守恒定律 只有消耗能量 才能转变其它 的能量做功 感抗如果不消耗能量 就不会产生电压降 实践得知 感抗能产生电压降 就是消耗能量的铁证 从整个电路方面看 任何瞬间电源没有增大 负载也没有减小 只是电源与负载互相转变 因电压降是由于有负载产 生的 所以就应当把电源消耗的能量当成负载消耗的能量 再把负载输出的能量当成电源输出的能量 因为做正功与 做负功时间不同 不能互相抵消 在一个周期中的平均瞬时功率不等于零 从实践中证明 无功功率有量纲存在 电 源有电压降产生 电路中有自由电子流动形成电流 电压降是消耗能量的表现 无功功率量纲的存在是消耗能量的根 据 在电阻与电感串联电路中 电流与电压的相位差是时间角度 因时间角度与空间角度作用不同 在宏观力学中 当力与运动方向之间的夹角为 90 度时 力不做功 也不消耗能量 物体运动矩离为 零 没有功率 量纲 在电工学中 电感与自由电子运动方向夹角 90 度 不是空间角度 空间角度是 0 度或 180 度 所以对电子运 动大小产生影响 书中把时间角度当成空间角度应用 产生重大失误 2 对能量认识失误 在电工书中只认为有功功率代表电能 认为无功功率不能做功 视在功率没有实际意义 所以在电工学中能量就是指 有功功率 又因为有功功率与宏观中的耗散功率性质相同 不能补偿 就认为电路谐振不产生能量 2 从实践中看 负载性质不同 需要的电功率也不同 电阻负载需要热能做功的 利用电阻大的材料做导体 消 耗的电功率称为有功功率 也可称电热功率 消耗在此功率中的电流与电压同相位 计算公式为 P IUCOS 电 感负载需要磁能做功的 利用电阻小的材料做导体 消耗的电功率称电磁功率 它是有功功率和无功功率的矢量和 即视在功率 其计算公式为 磁势 电流 匝数 也等于 S IU 四 视在功率中心说 1 电功率书中的定义 1 在电感与纯电阻串联电路中 消耗在纯电阻中的电功率书中称为 有功功率 2 消 耗在电感中的电功率书中称为 无功功率 3 有功功率与无功功率的矢量和书中 称为视在功率 2 有功功率中心说 书中认为无功功率电流与电压相位差 90 度 误码认为不能做功 视在功率也没有实际意义 三 种电功率否认其中两个 就形成一个 有功功率中心说 3 视在功率中心说 新观点认为无功功率电流与电压相位差 90 度 是时间角度 它与宏观力学中的空间角度不同 它对电压做功产生影响 有反作用力 感抗 存在 有电压降产生 认为无功功率也消耗能量 根据能量守恒定律它 也能做功 产生交变电磁埸能 因无功功率是也是电能中的一部分 所以视在功率代表总电能 就形成一个 视在功 率中心说 4 不同学说对电功率认识不同 对节能认识不同 1 有功功率中心说 利用有功功率因数变化 说明利用电容器节电现象 如果此观点正确 那么负载中的电流和 有功功率因数应当与总电路中一样 电流减少 有功功率因数增加 在电工书中节能的计算成本公式 P 节 I21 I22 R 当线路中的电阻很小时 节电也很少 从实践中看 负载中的电流没有减小 有功功率因数也没有增加 只是改变了无功功率电流的来源 因此利用有功功 率因数变化 不能反映出节电的本质 只能计算出减少总电路有功损耗的多少 最高达到有功功率因数为一 计算不 出电感负载是否节约电能问题 更不能说明调谐电路为什么具有选择信号的能力 在电信技术中应用的是品质因数 在电力系统中应用的是有功功率因数 强电与弱电不统一 其中必然有一个是错误 的 2 视在功率中心说 利用品质因数变化 说明利用电容器节电现象 因为品质因数大小与负载中的感抗成正比 与纯电阻成反比 计算公式为 Q X R 式中 X 为电感负载中的感抗 R 为负载中的纯电阻 又因为负载中的电流为 I 负 Q I 总 当 Q 1 时 负载中的电流大于输入的总电流 利用品质因数变化能反映出电 路谐振的情况 能说明调谐电路为什么具有选择信号的能力 对电感负载本身节电计算公式 因为电感负载 变压器或电动机 中的有功功率因数不变 对电感负载来讲 P IUCOS 因 COS 不变 I 和 U 增加 P 必然增加 计算公式 P 节 I2U2 I1U1 COS 式中 I2 和 U2 代表安 装电容器后的负载中的电流和电压 I1 和 U1 代表安装电容器前的电流和电压值 5 在新学说中的两个新定律 因在电工学中否认无功功率能做功 否认电路谐振时产生能量 虽然对无功功率和电 路谐振现象讲的很多 计算公式正确 但因不承认视在功率代表电能 不承认谐振能的存在 也就不可能称为定律 新观点认为无功功率能做功 电路谐振时产生能量 承认 内电动势 为能源 那么 能反映电功率和谐振现象本质 的理论 就可称为 定律 1 视在功率守恒定律 在交流电路中 电源输出的总视在功率 包括内电动势 必然等于负载消耗的总视在功率 负载消耗的总视在功率为有功功率和无功功率的矢量和 2 谐振定律 电子运动同宏观物体运动一样 具有惯性 在具有电感和电容的电路中 因感抗和容抗的相位相反 当感抗等于容抗时 电子的惯性可以得到充分利用 将 消极的反作用力 转变为积极的作用力 发生电路谐振产生物理能 即 内电动势 可称为 谐振能 也可称 惯 性能 谐振能量的大小与电路中的感抗成正比 与电路中的电阻成反比 计算公式 Q X R Q 书称品质因数 实际代表增 大的倍数 Q 值可达几十甚至几百 X 代表感抗 R 代表纯电阻 6 电路谐种类 1 按电感与电容线路联接方法不同 谐振现象分两种 串联谐振 在交流电路中 当电感负载与电容负载串联时发生的电路谐振 谐振时电流增大 在电力系统中要防 止发生串联电路谐振 此电路称为 电压谐振 并联谐振 在交流电路中 当电感负载与电容负载并联时发生的电路谐振 谐振时阻抗增大 有高阻抗的特性 此电路称 电流谐振 在电力系统中节电 应用的就是并联电路谐振 支路电流大于输入的总电流 2 按电路谐振时的情况不同 也可分两种 广义的电路谐振 在含有电感和电容的电路中 只要电流或电压比原来没有电容器时增大 都可称 电路谐振 在电力系统中 电网中安装电力电容器 补偿无功功率的就是广义的电路谐振 补偿的无功功率就是谐振能量 广义 的电路谐振 也可称为部分谐振 狭义的电路谐振 在高频电路中 当感抗等于容抗时发生的电路谐振 在收音机和电视机中的调谐电路 发生的 谐振就称为狭义的电路谐振 狭义的电路谐振也可称为完全谐振 简称 谐振 五 开发利用电路谐振能的设想 1 用电单位安装电容器是否节约电能 当代的节电器节电方法分两种 一种是利用控制电路 减小负载 达节电的目的 对于利用减小负载方法节电的人们 好理解 容易接受 略 另一种是利用安装电容器方法节电 对于此种方法节电的 许多人还没有认识 存在两种 不同的观点 一 认为不能节约电能的 1 在电工论坛中 一位大学老师讲 电感电路并联电容器 提高功率因数 电度表 的读数不会减小 电费不会少交 安装电容器的好处在供电 发电 不再用户 2 在网易科技论坛中 一 位网友讲 街上卖节电器的人 骗子 无功功率补偿器的生产厂 骗子 骗人的时候都不敢用真正的电能表 是 将电能表改装的假电能表 其实是电流表 不能节约电能的根据是 1 从当代电工书中找不到理论根据 计算不出负载节约电能的多少 原因是书中理论与 实践相矛盾 2 从实践中测量不出来节约电能的大小 原因是电能表安装位置不正确 二 认为节约电能的 1 有理论根据 负载中的电流大于输入的总电流 I 负 Q I 总 当 Q 1 时 负载中的电 流大于输入的总电流 利用品质因数变化能反映出电路谐振的情况 2 能测量出节约电能的多少 安装电容器单 位节约电能的事实 大连钢厂钢丝厂的试验 据 钢铁信息 1994 年第 253 期报导 该厂在 154kW 的异步电动机上安装电容器 经过试运 行证明 功率因数比原来提高 0 1 0 15 电源故障少 按电力消耗计算 年降低 15 据 1994 年上半年统计 用该 项节电技术后 实际节电 3 2 万 kWh 效益 1 6 万元 如果按此节电效果计算 在 500kW 的异步电动机上安装电容器 一年节约的电费就是 10 万元 中等企业可以有 10 20 台这样的电动机 如果全安装上电容器 一年节约电费就是 100 200 万元 鞍钢矿山公司齐大山铁矿试验 据 鞍钢日报 1995 年 4 月 26 日报导 该单位先后对 19 台电铲全部安装了电容补偿 器 使节电率达 18 每台年节电 3 8 万 kWh 如果每 kWh 按 0 4 元计算 经计算 19 台电铲一年可节约电费 28 28 万元 据单位人讲 安装电容器后 电压稳定 解决起动困难问题 以前起动需要两分多钟 安装电容后不到一分钟 就达到额定转速 本人试验 A 试验设备和电路 在 100 伏安的变压器前边 接 220 伏 60W 电灯泡 图中没有 目的是隔开与总电路相通 在 变压器的输入端并联适当的电容器 在变压器的输出端接一个 20W 的灯泡 如图所示 B 试验方法 将电容器调到容量最小位置好比断路 此时接通电灯泡后 灯泡不太亮 用电流表测得一次电流为 0 32 安 二次电流为 0 5 安 将电容器的容量调到适当位置 即容抗等于感抗 发现电灯泡比原来亮 再测一次电流 0 25 安 二次电流 0 6 安 C 对试验分析 输入电流减少 0 32 0 25 0 32 21 输出电流增大 0 6 0 5 0 5 20 因没有功率电表输入有功功率是否减少 无法测量 但因电流减少 输入的电能不会增加 但输出的是纯电阻负载 有功功率因数为 1 电流增加 电压不可能降低 输出的有功功率增加 20 以上 这是不用测量的 此试验虽小 但 说明问题却很大 它证明在低压电网中安装电容器后 不仅节约大量有功功率 还能使负载做功增大 网易论坛网友 前几天洗衣机转得很没力 修电器的换了一个电容 力气加大了几倍 这证明电容与功率是紧密 相关的 网友的试验 来信 我以前没做过这样的实验 今天做了一下 实验过程如下 第一次实验 并联电容后输出电流和电压没有任何改变 详细过程略 分析 我们这里电网情况比较好 内阻很小 变压器功率不是很大 所以才出现这种情况 第二次实验 在变压器前串联一个电阻 模拟内阻较大的电网 如电路图 其中 R1 1k R2 1 C 0 5 微法 一 并联电容前 原边电流为 0 08A 电压为 160V 视在功率约为 12 8W 有功功率为 8 1W 输出端电流为 2 75A 电压为 2 75V 功率约为 7 56W 二 并联电容后 原边电流为 0 06A 电压为 174V 变压器输入电流 0 087 安 视在功率约为 15 138W 有功功率为 9 6W 输出端电流为 2 97A 电压为 2 97V 输出有功功率约为 8 82W 3 通过对小试验分析说明当代的节电器能输出大于输入 经计算得知 有功功率因数 0 6328 变压器的总阻抗为 160 0 08 2 000 欧姆 纯电阻 2 000 0 6328 1265 6 欧姆 纯电抗 X 20002 1265 62 4 000 000 1 601 743 1548 6 欧姆 品质因数 Q 1548 6 1265 6 1 22 去掉原来的 1 增加 0 22 1 视在功率增加 15 138 12 8 12 8 2 338 12 8 0 1820 2 有功功率增加 9 6 8 10 8 1 1 5 8 1 0 1851 3 输出增加 8 82 7 56 7 56 0 1666 从计算数值中看 品质因数减一的 0 22 值 与视在功率 有功功率和输出功率的增加值相差一些 主要原因 感抗与 容抗不相等 说明 有功功率因数虽然不能反映负载节约电能的问题 但通过有功功率因数变化 可以看出无功功率补偿提高的程 度 有功功率表在电路中应用 品质因数在设计时应用 二者要互相配合 输出大于输入是客观存在的事实 没有安装电容器时输入 8 1W 安装电容器后 从总电源输入的电流减小 输入的 有功功率不会增大 按书中公式计算 0 06 160 0 843 8 1W 把电感和电容当成一个整体 节电器 输入 节电 器 有功功率为 8 1W 从节电器输出 8 82 W 从数字中看出 输出大于输入 此试验是一个不理想的 输出的是纯 电阻性负载 如果是电感性负载效果会更好 4 能量守恒定律不能乱用 我提出的新观点 与能量守恒定律没有矛盾 我也是根据能量守恒定律 提出电路谐振 产生能量的 如果没有能量产生 输入 8 1W 输出怎么能变成 8 82 W 呢 如果承认电路谐振产生能量 输入变压器的能量为 总 电路 电容支路 输出 损耗 即 8 1 1 5 8 82 0 78 9 6 W 这个数字虽小说明问题极大 它说明电感负载并联适当的电容器后 负载做功增加 增加原因是谐振时产生了能量 此理论符合能量守恒定律 但不符合书中观点 说明人们对电路谐振现象的认识 从感性认识发展到理论认识 这是 电路理论上的新突破 是时代发展的产物 说明 电路图中的 R1 是做试验用的后加的 是为了让支路与总电路分开 如果没有它 安装一个小电容器 不起任 何做用 在实践中 R1 好比是变压器的原线圈 电容器安装在输出线圈 并联 是对用电器补偿的 因此输入变压器的有功 功率为 8 1W 安装电容器后输入电 流减小 输入有功功率不会再增大 仍按 8 1W 计算 因为输出 8 82W 所以输出 大于输入 扩大电能为 8 82 8 1 8 1 8 88 2 开发利用电路谐振能的设想 一 当代的节电器 无功功率补偿 是利用谐振能节电的 在当代的无功功率补偿器和利用电容器的节电器 对于节电器来讲 都能输出能大于输入 即节电器输出的电能大于 输入节电器中的电能 否则 节电器就不存在了 网友的试验证明输出已经大于输入 现在的情况是 实践走在理论的前边 理论阻碍了实践的发展 如果实践有正确理论指导 就会飞速向前 从当代电力部门和电工技术人员看 他们在理论上虽然否认电路谐振产生能量 但在实践中还提倡层层安装电容器补 偿无功功率 尤其是节电器制造厂制造的节能器 节电效果很大 讲不出节电的实际原因 举不起实际例子 对反对 利用电容器节电的言论 也不解答 怎样认识和计算节电呢 1 根据能量守恒定律 安装电容器前 负载消耗的能量与电源输入的能量必然相同 视在功率守恒 对全电路或 单个负载都适用 2 从实践方面看 安装电容器后 负载消耗的能量大于从电源输入的能量 说明有新的能量输入 负载 输入 新 增 要保持负载消耗的能量与输入的能量相等 电感负载并联适当的电容器时 负载做功增大的现象也是公认的 有的人讲安装电容器后 负载做功增加 电能表的