§ 2.11. резонанс в электрической цепи

При каких условиях возникает явление: основные условия

Резонанс электротоков и напряжений появляется в результате сохранения тождества реактивных характеристик сопротивляемости сети. Несмотря на это, в ней должна быть и активная характеристика хотя бы минимального значения. Частота же генератора питания соединения всегда должна совпадать с частотой резонанса контура индуктивно-емкостной сети.

Обратите внимание! Условие работы сопротивления активного типа в реальных действующих схемах выполняется практически всегда. Одна лишь реактивная характеристика емкости и индуктивности возможна только в изолированных и теоретических примерах

График и векторная диаграмма возникновения резонирования

Во время резонанса дроссель и конденсатор обмениваются накопленной энергией. В теоретических примерах, когда происходит первое подключение электрогенератора (в качестве питательного источника), энергия копится в катушке индуктивности или конденсаторе. После выключения электрогенератора из сети возникают колебания незатухающего характера, возникшие в результате этого обмена.

Замечания

Колебательный контур, работающий в режиме резонанса токов, не является усилителем мощности. Он является усилителем тока.

Большие токи, циркулирующие в контуре, возникают за счет мощного импульса тока от генератора в момент включения, когда заряжается конденсатор. При значительном отборе мощности от контура эти токи «расходуются», и генератору вновь приходится отдавать значительный ток подзарядки. Поэтому внутри контура сопротивление должно быть сведено к минимуму чтобы уменьшить потери.

Если генератор слабый, большой ток подзарядки в момент его включения на колебательный контур может сжечь его. Выйти из положения можно, постепенно повышая напряжение на клеммах генератора (постепенно «раскачивая» контур).

Колебательный контур с низкой добротностью и катушкой с небольшой индуктивностью слишком плохо «накачивается» энергией (запасает мало энергии), что понижает КПД системы. Также катушка с маленькой индуктивностью и на низких частотах обладает малым индуктивным сопротивлением, что может привести к «короткому замыканию» генератора по катушке, и вывести генератор из строя.

Добротность колебательного контура пропорциональна L/C, колебательный контур с низкой добротностью плохо «запасает» энергию. Для повышения добротности колебательного контура используют несколько путей:

  1. Повышение рабочей частоты;
  2. По возможности увеличить L и уменьшить C. Если увеличить L с помощью увеличения витков катушки или увеличения длины провода не представляется возможным, используют ферромагнитные сердечники или ферромагнитные вставки в катушку; катушка оклеивается пластинками из ферромагнитного материала и т п.

При расчёте колебательного контура с небольшой индуктивностью нужно учитывать индуктивность соединительных шин (от катушки к конденсатору) и соединительных проводов конденсаторной батареи. Индуктивность соединительных шин может быть намного больше индуктивности катушки и серьёзно понизить частоту колебательного контура.

При реализации резонанса токов на трансформаторах, первичная и вторичная обмотки должны располагаться на разных кернах на магнитопроводе, иначе электромагнитные наводки от вторичной обмотки будут мешать резонансу. Поэтому годятся трансформаторы с П-образным или Ш-образным сердечником. В противном случае обмотки тщательно экранируют друг от друга фольгой.

Резонанс: атомный, частичный и молекулярный

Атомный резонанс – это поглощение электромагнитных волн ядрами атома, которое происходит, когда изменяется вектор его момента движения. Особенно часто АР проявляется в атомах, которые помещают в сильное магнитное поле. При этом на них должно воздействовать небольшое электромагнитное поле, характеризующееся радиочастотным диапазоном.

График ядерного магнитного резонанса

В этом области существует и теория резонанса. Согласно ей, химические соединения имеют электронное строение, а распределение электронов в молекулах вещества есть комбинация или резонанс структуры с различным строением.

Важно! Это означает, что структура молекулы описывается не только одной возможной структурной формулой, сочетанием (резонансом) других структур. Теория резонанса позволяет путем химической терминологии и классических формул визуализировать построение мат

модели волновой функции какой-либо сложной молекулы.

Резонирование применяется в частотомере

Использование резонанса напряжений для передачи радиосигнала

Колебательный контур этого типа создают из последовательной комбинации трех базовых компонентов: резистор, конденсатор, индуктивность. Подходящим для резонанса условием является нулевое сопротивление цепи (комплексное). Для решения такой задачи следует изучить основные формулы.

Комплексное сопротивление Rк=R+j(wL-1/wC). Постоянный резистор (R) не зависит от частоты (w). Значит, придется оперировать с индукционными и емкостными элементами. Резонансный эффект получают при (wL-1/wC)=0. Для вычисления необходимых значений пользуются следующими расчетами:

  • Lп=1/w2*C;
  • Сп=1/w2*L;
  • Wп=1/√L*C.

Из приведенных данных понятно, что корректировать можно любой из параметров при одновременном сохранении двух других. В практической схемотехнике удобнее работать с частотой, поэтому рассмотрим подробнее применение такого варианта.


Последовательный контур с графиками

На рисунках показаны условия возникновения резонанса напряжений. В точке, обозначенной w0, наблюдается равенство индуктивной и емкостной составляющих на определенной частоте. Небольшой сдвиг влево по оси обусловлен резистивным компонентом цепи.

Напряжение на конденсаторе (Uc) при частоте резонанса (W0) равно волновому сопротивлению колебательного контура (p=√L/C). Аналогичная разница потенциалов будет на клеммах катушки при частоте W0. Данная особенность объясняет особое название процесса – «резонанс напряжений». Также в электротехнических расчетах применяют следующие определения:

  • Добротность – Q=p/R;
  • Затухание – 1/Q.

Отмеченные свойства используют в радиоприемной и передающей аппаратуре. Выделение контуром определенного диапазона позволяет выполнять настройку станции на определенную частоту с определенной параметрами цепи погрешностью. Для контроля избирательности оценивают амплитуду сигнала относительно резонансной частоты. Уровень отклонения на 3 дБ в обе стороны (0,7 от максимума) называют полосой пропускания.


Амплитудно-частотная характеристика (АЧХ) и полоса пропускания

Что такое резонанс?

мощность

Данный вариант является характерным преимущественно для схем с переменными показателями токовых величин и обладает не только положительными свойствами, но и некоторыми совершенно нежелательными качествами, которые в обязательном порядке учитываются еще в процессе проектирования.

Положительное резонансное действие — явление из области радиотехники, автоматики и проволочной телефонии. Резонанс напряжений относится к категории нежелательных явлений, обусловленных перенапряжениями. При этом добротным электрическим контуром принято считать величину:

Достижение токового резонанса осуществляется подбором необходимого индуктивного или емкостного значения, а также показателей частотности питающих сетей.

Токовый резонанс получается подбором параметров электроцепи в условиях заданной частоты источника питания, а также посредством выбора обратных показателей.

Резонанс токов, параллельный резонанс

Заземляющий контур

В электротехнике часто применяют не последовательное, а параллельное соединение конденсатора и катушки.

Следует помнить! В такой ситуации реактивные элементы рассматривают по измененной схеме. Вместо сопротивлений оперируют суммой проводимостей.


Электрические параметры и компоненты, векторные диаграммы напряжений и токов

В этом примере рассмотрим уточненные параметры. Величину (I) определяют по сумме токов, которые проходят по индуктивному и емкостному участкам цепи. В обеих ситуациях определенное значение имеет частота (w):

  • IL=E/(RL+Кз*w*L);
  • Ic=E/(Rc+(1/Кз*w*С).

Диаграммы наглядно демонстрируют характерные изменения физических параметров при работе контура в трех типовых режимах. На рисунке а) изображен емкостной вариант. Предполагается что w*L больше, чем 1/w*С. В этом случае минимальным значением RL можно пренебречь, что несколько упрощает приведенную выше формулу для расчета тока. Он будет отставать от вектора напряжения на угол ϕL. Второй рисунок демонстрирует обратную ситуацию, когда IL больше Ic.

Для резонансных условий надо, чтобы фазы совпадали. Это показано векторами на рисунке в). Такая ситуация получится, если w*L равно 1/ w*С. В этом случае наблюдается примерное равенство IL и Ic, что определено во втором названии явления – «резонанс токов».

Принципы действия

Теперь ясно, что резонирование – это процесс возбуждения колебаний одного объекта колебаниями другого тела такой же частоты. Это явление присуще всему, что есть на планете. Это может быть человек или камень. Резонирование может возникать между всеми телами вне зависимости от их природы и устройства. Но есть одно условие – работа тела на одном виде энергии и на совпадающей частоте и гармонике.

Качели – одно из основных механических проявлений резонирования

Этот принцип соответствия и дает возможность происходить обменным энергетическим и информационным процессам, позволяя представителям живого и неживого производить общение друг с другом. Резонанс, который лежит в любом взаимодействии, способен разрушать и создавать, убивать и исцелять. Неизвестно, в какой области он проявляется более полно и сильно. Согласно физическим законам, в области чувств явление и принцип резонирования должны проявляться сильнее, так как именно в этой области несущими сигнал являются более короткие волны, обладающие более высокой энергией.

Интерферометр Фабри-Перо

Вхождение в резонанс или антирезонанс с тем или иным объектом, процессом или телом на уровне действий и ощущений может способствовать или препятствовать исходу того или иного события любого масштаба (локального и глобального). Это могут быть и природные катастрофы, и техногенные аварии.

Токовое резонирование

Резонанс напряжений

Основы > Задачи и ответы > Одиночные колебательные контуры

Резонанс напряжений

1. Реостат с резистивным сопротивлением R=1Ом, катушка с индуктивностью L=5,05 мГн и конденсатор емкостью С=0,05 мкФ соединены последовательно. Вычислить резонансную частоту, характеристическое сопротивление, затухание контура, напряжения при резонансной частоте. При каких частотах напряжения на конденсаторе и катушке достигнут максимума?Чему они будут равны, если действующее значение напряжения переменной частоты, приложенного к пени, U=10 В?Решение:
Частоты, при которых напряжения на индуктивности и емкости максимальны, и значения этих максимальных напряжений определяют по формулам, известным из теории:2. Электрическая цепь состоит из последовательно соединенных резистора, сопротивление которого R=10Ом, катушки с индуктивностью L=100мкГн и конденсатора с емкостью С=100пФ. Определить резонансную частоту , характеристическое сопротивление r, затухание d и добротность Q. Чему равны ток , расходуемая в цепи мощность , напряжения на индуктивной катушке и конденсаторе при резонансе, если контур включен на напряжение U=1 В? Вычислить абсолютное значение полосы пропускания контура.Решение:

3. К контуру, данные которого приведены в задаче 2, подведено напряжение U=1 В с угловой частотой . Чему при этом равны реактивное и полное сопротивления цепи, ток, мощность, напряжение на конденсаторе, сдвиг фазj между приложенным напряжением и током, сдвиг фаз j’ между приложенным напряжением и напряжением на конденсаторе, коэффициенты передачи по току и по напряжению?Решение:
Прежде всего вычислим абсолютную, относительную и обобщенную расстройки:.Реактивное и полное сопротивления: . Ток и расходуемая в цепи мощность:.Напряжение на конденсаторе:
Сдвиг фаз между напряжением и током:
Найдем сдвиг фаз j’ между . Так как расстройка положительна, то и ток отстает от напряжения на угол j; вектор напряжения на конденсаторе отстает от вектора тока на 90° (рис. 5.11), поэтому отстает от на угол j’= j+ 90°С=111°50′.При заданной расстройке коэффициенты передачи по току и напряжению:

4. Для контура и данных, рассмотренных в задачах 2 и 3, построить ампдитудно- и фазочастотные характеристики тока и напряжения на конденсаторе в зависимости от отношения , от отношения расстройки частоты питающего генератора к резонансной частоте (построение сделать для частот, отличающихся от резонансной на ±10%) и от обобщенной расстройки (в пределах ±4).Решение:
Построение амплитудно- и фазочастотной характеристик тока и напряжения на конденсаторе в зависимости от


На практике обычно приходится иметь дело с небольшими расстройками . В этом случае, учитывая, что
формулы для примут такой вид:
Для удобства расчеты сведены в таблицу 1. При этом следует иметь в виду, что
По данным таблицы 1 на рис. 5.12 начерчены требуемые кривые в зависимости от .Кривые зависимостей от обобщенной расстройки:

Таблица 1

Задаваемые значения

Расчеты по приближенным формулам

Искомые значения, рассчитанные по приближенным формулам

-0,10-0,08-0,06-0,04-0,020,020,040,060,080,10

0,900,920,940,960,981,001,021,041,061,081,10

-0,20-0,16-0,12-0,08-0,040,040,080,120,160,20

-20-16-12-8-4048121620

5,06,28,312,424,310024,312,48,36,25,0

-87°10′-86°25′-85°15′-82°50′-76°076°82°50’85°15’86°25’87°10′

5,06,28,312,424,310024,312,48,36,25,0

2°50’3°35’4°45’7°10’14°90°166°172°50’175°15’176°25’177°10′

 

Результаты расчетов сведены в таблицу 2, а соответствующие кривые даны на рис. 5.12.Наконец, выясним, каким значениям соответствует некоторая фиксированная величина x. Пусть x=±1. Тогда из выражения находим, что
или , отсюда
Таким образом, значению x=±1 соответствуют или 0,995, т.е. частота генератора напряжения отклоняется от резонансной на ±0,5%. Аналогично найдем, что x=2 соответствует , при; при

Таблица 2

-4-3-2-101234

24,331,644,770,7 100 70,7 44,7 31,6 24,3

-82°50′-71°35′-63°30′-45°045°63°30’71°35’82°50′

24,331,644,770,710070,744,731,624,3

7°10’18°25’26°30’45°90°135°153°30’161°35’172°50′

 

Смотри полное содержание по представленным решенным задачам на websor.

Замечания

Большие токи, циркулирующие в контуре, возникают за счет мощного импульса тока от генератора в момент включения, когда заряжается конденсатор. При значительном отборе мощности от контура эти токи «расходуются», и генератору вновь приходится отдавать значительный ток подзарядки. Поэтому внутри контура сопротивление должно быть сведено к минимуму чтобы уменьшить потери.

Если генератор слабый, большой ток подзарядки в момент его включения на колебательный контур может сжечь его. Выйти из положения можно, постепенно повышая напряжение на клеммах генератора (постепенно «раскачивая» контур).

Колебательный контур с низкой добротностью и катушкой небольшой индуктивности слишком плохо «накачивается» энергией (запасает мало энергии), что понижает КПД системы. Также катушка с маленькой индуктивностью и на низких частотах обладает малым индуктивным сопротивлением, что может привести к «короткому замыканию» генератора по катушке, и вывести генератор из строя.

Добротность колебательного контура пропорциональна L/C, колебательный контур с низкой добротностью плохо «запасает» энергию. Для повышения добротности колебательного контура используют несколько путей:

  1. Повышение рабочей частоты;
  2. По возможности увеличить L и уменьшить C. Если увеличить L с помощью увеличения витков катушки или увеличения длины провода не представляется возможным, используют ферромагнитные сердечники или ферромагнитные вставки в катушку; катушка обклеивается пластинками из ферромагнитного материала и т п.

При расчёте колебательного контура с катушкой небольшой индуктивности, нужно учитывать индуктивность соединительных шин (от катушки к конденсатору), соединительные провода конденсаторной батареи. Индуктивность соединительных шин может быть намного больше индуктивности катушки и серьёзно понизить частоту колебательного контура.

При реализации резонанса токов на трансформаторах, первичная и вторичная обмотки должны располагаться на разных кернах на магнитопроводе, иначе электромагнитные наводки от вторичной обмотки будут мешать резонансу. Поэтому годятся трансформаторы с П образным или Ш образным сердечником. В противном случае обмотки тщательно экранируют друг от друга фольгой.

Какие последствия резонанса напряжений

Если в электрической системе с ёмкостью, индуктивностью и сопротивлением не учитывать воздействие этого явления, то работа устройств может быть нестабильной. Если этот эффект носит паразитический характер, то от него следует обязательно избавляться. Увеличение напряжения вследствие возникновения резонансного явления в цепи переменного напряжения может привести к выходу элементов из строя.

Важно! При возникновении этого явления могут быть разрушены конденсаторы из-за превышения реактивной мощности. При перегреве вследствие резонанса напряжений электротехника может не только выйти из строя, но и загореться

При перегреве вследствие резонанса напряжений электротехника может не только выйти из строя, но и загореться.

Возгорание электрической подстанции

На крупных производственных объектах такое явление может привести к аварии с человеческими жертвами. Если высоковольтные линии электропередач находятся слишком близко, то эффект электрического резонанса может возникать и в системах этого типа.

Шунтирующие генераторы ЛЭП

Чтобы защитить ЛЭП от негативного воздействия этого явления применяются шунтирующие генераторы, которые устанавливаются через каждые 300 – 400 км.

Описание явления

Имеется параллельный колебательный контур, состоящий из резистора R, катушки индуктивности L и конденсатора C. Контур подключен к источнику переменного напряжения с частотой ω{\displaystyle \omega }. Резонансная частота контура ωp=1LC{\displaystyle \omega _{p}={\frac {1}{\sqrt {LC}}}}.

С помощью метода комплексных амплитуд определим ток в контуре

I˙=U˙Z=U˙11R+1jωL+jωC=|U˙Z|e−jϕ,{\textstyle {\dot {I}}={\frac {\dot {U}}{Z}}={\frac {\dot {U}}{1/\left}}=\left\vert {\frac {\dot {U}}{Z}}\right\vert e^{-j\phi },}

где Z=(ωL)2R−jωLR2(ω2LC−1)(ωL)2+R2(ω2LC−1)2{\displaystyle Z={\frac {\left(\omega L\right)^{2}R-j\omega LR^{2}\left(\omega ^{2}LC-1\right)}{\left(\omega L\right)^{2}+R^{2}\left(\omega ^{2}LC-1\right)^{2}}}} — комплексное сопротивление параллельного контура, ϕ=arctan⁡(−R(ω2LC−1)ωL){\displaystyle \phi =\arctan \left(-{\frac {R\left(\omega ^{2}LC-1\right)}{\omega L}}\right)} — сдвиг фаз между током и напряжением.

Кроме того, полный ток контура является суммой токов, протекающих через конденсатор и катушку индуктивности

I˙=IR˙+IL˙+IC˙=U˙R+U˙jωL+jωCU˙=U˙R+(−jU˙ωL)+U˙jωC.{\displaystyle {\dot {I}}={\dot {I_{R}}}+{\dot {I_{L}}}+{\dot {I_{C}}}={\frac {\dot {U}}{R}}+{\frac {\dot {U}}{j\omega L}}+j\omega C{\dot {U}}={\frac {\dot {U}}{R}}+\left({\frac {-j{\dot {U}}}{\omega L}}\right)+{\dot {U}}j\omega C.}

Как видно из последнего выражения, токи IL˙{\displaystyle {\dot {I_{L}}}} и IC˙{\displaystyle {\dot {I_{C}}}} текут в противофазе (у одного множитель −j{\displaystyle -j}, а у другого — множитель j{\displaystyle j}).

При резонансной частоте ω=ωp=1LC{\displaystyle \omega =\omega _{p}={\frac {1}{\sqrt {LC}}}} амплитуда тока в контуре примет значение Ip=UR=IR{\displaystyle I_{p}={\frac {U}{R}}=I_{R}}.

Амплитуды токов через катушку индуктивности L{\displaystyle L} и конденсатор C{\displaystyle C}, пропорциональные напряжению, при резонансной частоте ω=ωρ{\displaystyle \omega =\omega _{\rho }} имеют значения

ILp=UωpL=UCL=Uρ,{\displaystyle I_{Lp}={\frac {U}{\omega _{p}L}}=U{\sqrt {\frac {C}{L}}}={\frac {U}{\rho }},}
ICp=U(ωpC)=UCL=Uρ,{\displaystyle I_{Cp}=U\left(\omega _{p}C\right)=U{\sqrt {\frac {C}{L}}}={\frac {U}{\rho }},}

где ρ{\displaystyle \rho } — характеристическое (волновое) сопротивление контура и равно ρ=ωpL=1ωpC=LC{\displaystyle \rho =\omega _{p}L={\frac {1}{\omega _{p}C}}={\sqrt {\frac {L}{C}}}}.

Следовательно, на резонансной частоте токи, текущие в реактивных элементах, превышают общий ток в Rρ{\displaystyle {\frac {R}{\rho }}} раз. Отсюда и происходит название «резонанс токов» или «параллельный резонанс».

Резонанс в реальных цепях

Для изучения описанных процессов надо собрать контур из соответствующих компонентов. Придется подготовить генератор с изменяющейся частотой выходного сигнала, осциллограф и другие измерительные инструменты. Чтобы получить достоверные результаты без лишних трудностей, пользуются специализированным программным обеспечением.


Теория и практика

В левой части рисунка размещены схема и амплитуда сигнала на выходе при подключении к выводам конденсатора параллельного контура. В правой – снимок экрана измерительной аппаратуры. Несложно убедиться в идентичности колебаний.

К сведению. С помощью ПО выполняют десятки экспериментов быстро и точно в обычных домашних условиях. Этот способ значительно упрощает создание электрических схем с оптимальными параметрами.

Резонанс в линейных системах с одной степенью свободы

К этой группе можно причислить рассмотренные последовательные и параллельные электрические схемы. Механический пример – пружина с грузом, который способен перемещаться только по вертикальной прямой. Исключены порывы ветра, вибрации, другие «паразитные» внешние воздействия. В подобных условиях можно применять типовые формулы для систем линейного типа.

Отмеченная выше добротность является определяющим фактором для избирательности по частоте. Сужение ширины резонансного диапазона помогает улучшить характеристики приемных и передающих устройств. Кроме экономного расходования электроэнергии, при правильном расчете схемы существенно улучшается помехозащищенность.

Резонанс токов в цепи с переменным током

Таким образом, резонанс электрической цепи является режимом участка, который содержит элементы индуктивного и емкостного типа, а угол фазового сдвига между токовыми величинами и показателями напряжения нулевые.

В соединяемых параллельным способом конденсаторе и катушечной части наблюдается равное реактивное сопротивление, чем обусловлен резонанс.

Также должен учитываться тот факт, что для катушечной части и конденсатора характерно полное отсутствие активного сопротивления, а равенство реактивного сопротивления делает нулевыми общие токовые показатели внутри неразветвленной части электрической цепи и большие величины тока в ветвях.

В условиях параллельного соединения индуктивной катушки и конденсатора получается колебательный контур, который отличается наличием создающего колебания генератора, не подключенного в контур, что делает систему замкнутой.

Явление, сопровождающееся резким уменьшением амплитуды силы токовых величин внешней цепи, которая используется для питания параллельно включенного конденсатора и обычной индуктивной катушки в условиях приближения частоты приложенного напряжения к частоте резонанса, носит название токового или параллельного резонанса.

Реактивные сопротивления индуктивности и емкости

Индуктивностью называется способность тела накапливать энергию в магнитном поле. Для нее характерно отставание тока от напряжения по фазе. Характерные индуктивные элементы — дросселя, катушки, трансформаторы, электродвигатели.

Емкостью называются элементы, которые накапливают энергию с помощью электрического поля. Для емкостных элементов характерно отставание по фазе напряжения от тока. Емкостные элементы: конденсаторы, варикапы.

Приведены их основные свойства, нюансы в пределах этой статьи во внимание не берутся. Кроме перечисленных элементов другие также имеют определенную индуктивность и емкость, например в электрических кабелях распределенные по его длине

Кроме перечисленных элементов другие также имеют определенную индуктивность и емкость, например в электрических кабелях распределенные по его длине.

Оцените статью:
Оставить комментарий
Adblock
detector