Меню

Косинус при резонансе напряжений

Что такое резонанс напряжений?

Резонансные явления наблюдаются в колебательных системах, когда частота собственных колебаний элементов системы совпадает с частотой внешних (вынужденных) колебательных процессов. Данное утверждение справедливо и для цепей с циркулирующим переменным током. В таких электрических цепях при наличии определённых условий возникает резонанс напряжений, что влияет на параметры тока. Явление резонанса в электротехнике может быть полезным или вредным, в зависимости от ситуации, в которой происходит процесс.

Описание явления

Если в некой электрической цепи (см. рис. 1) имеются ёмкостные и индуктивные элементы, которые обладают собственными резонансными частотами, то при совпадении этих частот амплитуда колебаний резко возрастёт. То есть происходит резкий всплеск напряжений на этих элементах. Это может вызвать разрушение элементов электрической цепи.

Давайте рассмотрим на этом примере, какие явления будут происходить при подключении генератора переменного тока к контактам схемы. Заметим, что катушки и конденсаторы обладают свойствами, которые можно сравнить с аналогом реактивного резистора. В частности, дроссель в электрической цепи создаёт индуктивное сопротивление. Конденсатор является причиной ёмкостного сопротивления.

Индуктивный элемент вызывает сдвиг фаз, характеризующийся отставанием тока от напряжения на ¼ периода. Под действием конденсатора ток, наоборот, на ¼ периода опережает напряжение.

Другими словами, действие индуктивности противоположно действию на сдвиг фаз ёмкостного сопротивления. То есть катушки индуктивности и ёмкостные элементы по-разному воздействуют на генератор и по-своему корректируют фазовые соотношения между электрическим током и напряжением.

Формула

Общее реактивное сопротивление рассматриваемых нами элементов равно сумме сопротивлений каждого из них. С учётом противоположности действий можно записать: X общ = X L — X c , где X L = ωL — индуктивное реактивное сопротивление, выражение X c = 1/ωC — это ёмкостное реактивное сопротивление.

На рисунке 2 изображены графики зависимости полного сопротивления цепи и связанной с ним силы тока, от реактивного сопротивления индуктивного элемента. Обратите внимание на то, как падает полное сопротивление при уменьшении реактивной сопротивляемости R L (график б) и как при этом возрастает ток (график в).

Электрические цепи, состоящие из последовательно соединённых конденсаторов, пассивный резисторов и катушек индуктивности называют последовательными резонансными (колебательными) контурами (см. рис. 2). Существуют также параллельные контуры, в которых R, L, C элементы подключены параллельно (рис. 3).

В режиме резонанса мощность источника питания будет рассеиваться только на активных сопротивлениях (в том числе на активном сопротивлении катушки). Для резонансных контуров характерны потери только активной мощности, которая израсходуется на поддержание колебательного процесса. Реактивная мощность на L C — элементах при этом не расходуется. Ток в резонансном режиме принимает максимальное значение:

Величину Q принято называть термином «Добротность контура». Данный параметр показывает, во сколько раз напряжение, возникшее на контактах реактивных элементов, превышает входное напряжение U электрической сети. Для описания соотношения выходного и входного напряжений часто применяют коэффициент K. При резонансе:

Читайте также:  Возможен ли скачок напряжения

K = U вых / U вх = U C0 / U = Q

Формулировка

На основании вышеописанных явлений, сформулируем определение резонансного напряжения: «Если общее падение напряжения на ёмкостно-индуктивных элементах равно нулю, а амплитуда тока – максимальна, то такое особое состояние системы называется резонансом напряжений». Для лучшего понимания явления, немного перефразируем определение: резонансом напряжений является состояние, когда напряжение на CL — цепочке больше чем на входе электрической цепи.

Описанное явление довольно распространено в электротехнике. Иногда с ним борются, а иногда специально создают условия для образования резонанса. Основными характеристиками всякого резонансного контура являются параметры добротности и частоты [ 1 ].

В случае, если X L = X c – справедливо равенство: ωL = 1/ωC , отсюда получаем:

Если ω = ω 0 – возникает резонанс напряжений. Частоты совпадают в том случае, когда индуктивное сопротивление сравняется с ёмкостным сопротивлением конденсатора. В таких случаях в цепи будет действовать только активное сопротивление R. Наличие реактивных элементов в схеме приводит к увеличению полного сопротивления цепи (Z):

где R – общее активное сопротивление.

Учитывая, что по закону Ома U = I/Z, можно утверждать, что общее напряжение в цепи зависит, в том числе, и от слагаемых индуктивного и ёмкостного сопротивлений.

Если бы в рассматриваемой схеме (рис. 1) отсутствовало активное сопротивление R, то значение полного сопротивления Z стремилось бы к 0. Следовательно, напряжение на реактивных элементах при этом возрастает до критического уровня.

Поскольку X L и X c зависят от частоты входного напряжения, то для возникновения резонанса следует подобрать соответствующую частоту сети, или изменять параметры катушки, либо конденсатора до тех пор, пока резонансные частоты не совпадут. Любое нарушение условий резонанса немедленно приводит к выходу системы из резонансного режима с последующим падением напряжения.

Условия наступления

Резонансные явления наступают только при наличии следующих условий:

  1. Наличие минимального активного сопротивления на участке электрической цепи.
  2. Равенство реактивных сопротивлений, возникших на цепочке LC.
  3. Совпадение входной частоты источника питания с резонансной частотой колебательного контура.

При резонансе в контуре напряжения на его элементах могут повышаться на порядок и больше.

Примеры применения на практике

Классическим примером применения резонанса колебательных контуров является настройка радиоприёмника на частоту соответствующей радиостанции. В качестве рабочего элемента настроечного узла используется конденсатор с регулируемой ёмкостью. Вращение ручки настройки изменяет ёмкость конденсатора, а значит и резонансную частоту контура.

В момент совпадения резонансной частоты с рабочей частотой какой-либо радиостанции возникает резонанс напряжений, в результате которого резко возрастает амплитуда колебаний принятой радиоприёмником частоты. Специальные фильтры отделяют эти колебания от несущих радиочастот, а усилители усиливают полученные сигналы. В динамике появляются звуки, генерируемые передатчиком радиостанции.

Читайте также:  Формула определения напряжения вторичной обмотки трансформатора

Колебательные контуры, построенные на принципе последовательного соединения LC-элементов, применяются в цепях питания высокоомных нагрузок, потребляющих токи повышенного напряжения. Такие же устройства применяют в полосовых фильтрах.

Последовательный резонанс применяют при пониженных напряжениях сети. В этом случае используют реактивную энергию обмоток трансформатора, соединённых последовательно.

Конденсаторы и различные катушки индуктивности (рис. 5) входят в конструкцию практически всех аналоговых устройств. Они используются для настройки фильтров или для управления токами в отдельных узлах.

Важно знать, что резонансные контуры не увеличивают количество электрической энергии в цепях. Они лишь могут повышать напряжения, иногда до опасных значений. Постоянный ток не причиной резонансных явлений.

Наряду с полезными свойствами резонансных явлений, в практической электротехнике часто возникают ситуации, когда резонанс напряжений приносит вред. В основном это связано с нежелательным повышением параметров тока на участках цепей. Примером могут служить опасное резонансные явления в кабельных линиях без нагрузки, что может привести к пробоям изоляции. Чтобы этого не случилось, на концевых участках таких линий устанавливают балластные нагрузочные элементы.

Источник



Резонанс напряжений

Условия возникновения резонанса:

  1. Последовательное соединение L и C с генератором переменного тока;
  2. Частота генератора должна быть равна частоте собственных колебаний контура , при этом характеристические сопротивления равны;
  3. Сопротивление должно быть меньше, чем 2ρ, так как только в этом случае в цепи возникнут свободные колебания, поддерживаемые внешним источником.

Полное сопротивление цепи:

так как равны характеристические сопротивления. Следовательно, при резонансе цепь носит чисто активный характер, значит, входное напряжение, и ток в момент резонанса совпадают по фазе. Ток принимает максимальное значение.

При максимальном значении тока напряжения на участках L и C будут большими и равными между собой.

Напряжение на зажимах цепи:

Рассмотрим следующие соотношения:

Q – добротность контура –при резонансе напряжения показывает, во сколько раз напряжение на реактивных элементах больше входного напряжения генератора, питающего цепь. При резонансе коэффициент передачи последовательного колебательного контура

Если добротность равна 100, напряжение на зажимах 1В, то

то есть напряжение на зажимах меньше напряжений на емкости и индуктивности. Это явление называется резонансом напряжений.

При резонансе, коэффициент передачи равен добротности.

Построим векторную диаграмму напряжения.

Напряжение на емкости равно напряжению на индуктивности, следовательно напряжение на сопротивлении равно напряжению на зажимах и совпадает по фазе с током.

Рассмотрим энергетический процесс в колебательном контуре:

В цепи имеется обмен энергии между электрическим полем конденсатора и магнитным полем катушки. К генератору энергия катушки не возвращается. От генератора в цепь поступает такое количество энергии, которое тратится на резисторе. Это необходимо для того, чтобы в контуре наблюдались незатухающие колебания. Мощность в цепи только активная.

Докажем это математически:

, полная мощность цепи, которая равна активной мощности.

, реактивная мощность обмена цепи с генератором.

Qвн = Io 2 (L/C) 0.5 , реактивная мощность, циркулирующая в LC-контуре.

где (L/C) 0.5 — характеристическое (волновое) сопротивление контура.

Источник

Электротехника

вторник, 22 июня 2010 г.

РЕЗОНАНС ТОКОВ. КОЭФФИЦИЕНТ МОЩНОСТИ И МЕТОДЫ ЕГО ПОВЫШЕНИЯ.

ЛЕКЦИЯ 22 РЕЗОНАНС ТОКОВ. КОЭФФИЦИЕНТ МОЩНОСТИ И МЕТОДЫ ЕГО ПОВЫШЕНИЯ.

Рассмотрим электрическую цепь, состоящую из параллельно соединенных активного сопротивления, катушки индуктивности и конденсатора.

Активная проводимость: g = 1/ R

Реактивная индуктивная проводимость: bL = 1/Х L

Реактивная емкостная проводимость: b С = 1/ХС

Режим работы электрической цепи при параллельном соединении ее элементов, характеризуемый равенством индуктивной и емкостной проводимостей называется резонансом токов.

bL = b С условие резонанса токов. При резонансе токов общий ток в цепи имеет минимальное значение: Imin = U/R

w р = 1/ Ö LC – резонансная циклическая частота

При резонансе токов IL = IC , IL = UbL , IC = UbC

При резонансе токов , так же как при резонансе напряжений, cos j = 1, поэтому sin j = 0.

Величину уВ = Ö C / L называют волновой проводимостью параллельно соединенного контура.

Отношение IL / I = IC / I = уВ/ g называют добротностью контура.

Мощности при резонансе токов:

· активная: P = IUcos j = UI , т.к. cos j = R / Z = R / R =1

· реактивная: Q = UIsin j = UI (Х L — ХС)/ Z = 0;

· полная : S = P = UI

Коэффициент мощности: cos j = P / S = 1

Зависимость bL , b С , b, g, y в от w называется частотной характеристикой:

bL = 1/ w L – зависимость от w — обратно пропорциональная (график – гипербола);

b С = w C — зависимость от w — прямо пропорциональная (график – прямая линия, идущая через начало координат);

g – от w не зависит (график – прямая линия, параллельная оси w );

Зависимость I , IR , IL , IC от w называется резонансными кривыми.

IR = Ug = U / R – от w не зависит Þ график – прямая линия, параллельная оси w ;

IL = UbL = U / w L – зависимость от w — обратно пропорциональная (график – гипербола);

IC = UbC = U w С – зависимость от w — прямо пропорциональная (график – прямая линия, идущая через начало координат)

Все электрические приборы характеризуются тремя основными параметрами:

1. номинальным током ( I Н ) – это максимальный ток, который при длительном прохождении через прибор вызывает его предельное нагревание;

2. номинальным напряжением ( U Н ) – это максимальное напряжение, на которое рассчитан данный прибор;

Меры повышения с os j :

естественные: правильный выбор мощностей двигателя; работа двигателя без недогрузок; без работы в холостую;

Источник