Resonanca tokov in napetosti: pogoji nastanka in uporabe

Pojav resonance tokov in napetosti opazimo v induktivno-kapacitivnih vezjih. Ta pojav je našel uporabo v radijski elektroniki in je postal glavni način za nastavitev sprejemnika na določen val. Na žalost lahko resonanca poškoduje električno opremo in kabelske vodove. V fiziki je resonanca naključje frekvenc več sistemov. Poglejmo, kakšna je resonanca napetosti in tokov, kako pomembna je in kje se uporablja v elektrotehniki.

Induktivnost in kapacitivnost reaktanc

Induktivnost se nanaša na sposobnost telesa, da shranjuje energijo v magnetnem polju. Zanj je značilen fazni zamik med tokom in napetostjo. Tipični induktivni elementi so dušilke, tuljave, transformatorji, elektromotorji.

Kapacitivnost se nanaša na elemente, ki hranijo energijo z uporabo električnega polja. Za kapacitivne elemente je značilen fazni zamik napetosti od toka. Kapacitivni elementi: kondenzatorji, varikapi.

Njihove glavne lastnosti so podane, nianse v tem članku niso upoštevane.

Poleg naštetih elementov imajo tudi drugi določeno induktivnost in kapacitivnost, na primer v električnih kablih, razporejenih po njegovi dolžini.

AC kapacitivnost in induktivnost

Če je v enosmernih tokokrogih, je kapacitivnost v splošnem smislu odprt odsek vezja in induktivnost je prevodnik, potem so v spremenljivih kondenzatorjih in tuljavah reaktivni analog upor.

Reaktanca induktorja se določi s formulo:

Vektorski diagram:

Reaktanca kondenzatorja:

Tukaj je w kotna frekvenca, f je frekvenca v sinusoidnem tokovnem vezju, L je induktivnost in C je kapacitivnost.

Vektorski diagram:

Upoštevati je treba, da se pri izračunu reaktivnih elementov, povezanih zaporedno, uporablja formula:

Upoštevajte, da je kapacitivna komponenta vzeta z znakom minus. Če je v vezju tudi aktivna komponenta (upor), seštejte po formuli Pitagorovega izreka (na podlagi vektorskega diagrama):

Od česa je odvisna reaktanca? Reaktivne lastnosti so odvisne od vrednosti kapacitivnosti ali induktivnosti, pa tudi od frekvence izmeničnega toka.

Če pogledate formulo za reaktivno komponento, boste opazili, da je pri določenih vrednostih kapacitivnosti ali induktivno komponento, bo njihova razlika enaka nič, potem bo v vezju ostal samo aktivni upor. Vendar to niso vse značilnosti takšne situacije.

Napetostna resonanca

Če sta kondenzator in induktivnost tuljava serijsko povezana z generatorjem, potem bo pod pogojem, da sta njuni reaktanci enaki, nastala napetostna resonanca. V tem primeru naj bo aktivni del Z čim manjši.

Treba je opozoriti, da imata induktivnost in kapacitivnost le reaktivne lastnosti le v idealiziranih primerih. V resničnih tokokrogih in elementih vedno obstaja aktivni upor prevodnikov, čeprav je izredno majhen.

Pri resonanci se energija izmenjuje med induktorjem in kondenzatorjem. V idealnih primerih, ko je vir energije (generator) prvotno priključen, se energija kopiči v kondenzatorju (ali dušilki) in po izklopu zaradi tega prihaja do neprekinjenih nihanj menjava.

Napetosti na induktivnosti in kapacitivnosti so približno enake, glede na Ohmov zakon:

U = I / X

Kjer je X Xc kapacitivna oziroma XL induktivna reaktanca.

Vezje, sestavljeno iz induktivnosti in kapacitivnosti, se imenuje nihajno vezje. Njegova pogostost se izračuna po formuli:

Obdobje nihanja je določeno s Thompsonovo formulo:

Ker je reaktanca odvisna od frekvence, se upor induktivnosti povečuje z naraščajočo frekvenco, medtem ko se kapacitivnost zmanjšuje. Ko so upori enaki, se skupni upor znatno zmanjša, kar se odraža v grafu:

Glavne značilnosti vezja so faktor kakovosti (Q) in frekvenca. Če vezje obravnavamo kot omrežje s štirimi vrati, se njegov prenosni koeficient po preprostih izračunih zmanjša na faktor kakovosti:

K = Q

In napetost na sponkah vezja se poveča sorazmerno s koeficientom prenosa (faktorjem kakovosti) vezja.

Uk = Uin * Q

Pri napetostni resonanci, višji kot je Q-faktor, bolj bo napetost na elementih vezja presegla napetost priključenega generatorja. Napetost se lahko dvigne deset in stokrat. To je prikazano na grafu:

Izguba moči v vezju je posledica samo prisotnosti aktivnega upora. Energija iz vira energije se vzame samo za vzdrževanje nihanja.

Faktor moči bo enak:

cosФ = 1

Ta formula kaže, da so izgube posledica aktivne moči:

S = P / Cosph

Resonanca tokov

Resonančne tokove opazimo v tokokrogih, kjer sta induktivnost in kapacitivnost povezani vzporedno.

Pojav je v pretoku velikih tokov med kondenzatorjem in tuljavo, pri ničelnem toku v nerazvejanem delu vezja. To je zato, ker ko je dosežena resonančna frekvenca, se skupni upor Z poveča. Ali preprosto povedano, zveni takole - na resonančni točki je dosežena največja skupna vrednost upora Z, po katerem se eden od uporov poveča, drugi pa zmanjša, odvisno od tega, ali se poveča ali zmanjša frekvenco. To je jasno prikazano na grafu:

Na splošno je vse podobno prejšnjemu pojavu, pogoji za nastanek resonance tokov so naslednji:

1. Napajalna frekvenca je enaka resonančni frekvenci za vezje.
2. Prevodnosti induktivnosti in kapacitivnosti izmeničnega toka sta BL = Bc, B = 1 / X.

Uporaba v praksi

Razmislite o koristih in škodi resonance tokov in napetosti. Fenomen resonance je bil najbolj uporaben pri radijski oddajni opremi. Preprosto povedano, tuljava in kondenzator sta nameščena v vezju sprejemnika, priključena na anteno. S spreminjanjem induktivnosti (na primer s premikanjem jedra) ali vrednosti kapacitivnosti (na primer z zračno spremenljivim kondenzatorjem) nastavite resonančno frekvenco. Posledično se napetost na tuljavi dvigne in sprejemnik ujame določen radijski val.

Ti pojavi so lahko škodljivi v elektrotehniki, na primer na kabelskih vodih. Kabel je induktivnost in kapacitivnost, porazdeljena po dolžini, če je uporabljena dolga črta napetost odprtega tokokroga (ko je na nasprotnem koncu kabla od napajalnika, obremenitev ni povezan). Zato obstaja nevarnost, da pride do okvare izolacije, da bi se temu izognili, je priključen obremenilni balast. Tudi podobna situacija lahko privede do okvare elektronskih komponent, merilnih instrumentov in druge električne opreme - to so nevarne posledice tega pojava.

Zaključek

Resonanca napetosti in tokov je zanimiv pojav, ki se ga je treba zavedati. Opazimo ga le v induktivno-kapacitivnih vezjih. V vezjih z velikimi aktivnimi upori se to ne more zgoditi. Naj povzamemo tako, da na kratko odgovorimo na glavna vprašanja o tej temi:

1. Kje in v katerih tokokrogih je opažen pojav resonance?

V induktivno-kapacitivnih vezjih.

1. Kakšni so pogoji za nastanek resonance tokov in napetosti?

Pojavi se pod pogojem enakosti reaktanc. Vezje mora imeti najmanjši aktivni upor, frekvenca napajalnika pa se mora ujemati z resonančno frekvenco vezja.

1. Kako najdem resonančno frekvenco?

V obeh primerih po formuli: w = (1 / LC) ^ (1/2)

1. Kako odpraviti pojav?

S povečanjem upora v tokokrogu ali spremembo frekvence.

Zdaj veste, kaj je resonanca tokov in napetosti, kakšni so pogoji za njeno pojavljanje in možnosti za njeno uporabo v praksi. Za utrjevanje gradiva priporočamo ogled uporabnega videoposnetka na to temo:

Povezani materiali:

• Vzroki za izgubo električne energije na dolge razdalje
• Merjenje frekvence AC
• Kako izračunati upor žice