83657

Резонансы в цепях синусоидального тока

Лекция

Физика

Следствием этого является совпадение по фазе тока на входе цепи с входным напряжением. Резонанс в цепи с последовательно соединенными элементамирезонанс напряжений Для цепи на рис. В цепи преобладает индуктивность т.

Русский

2015-03-15

136 KB

1 чел.

Лекция N 12

Резонансы в цепях синусоидального тока

Резонансом называется такой режим работы цепи, включающей в себя индуктивные и емкостные элементы, при котором ее входное сопротивление (входная проводимость) вещественно. Следствием этого является совпадение по фазе тока на входе цепи с входным напряжением.

 

Резонанс в цепи с последовательно соединенными элементами
(резонанс напряжений)

 

Для цепи на рис.1 имеет место

где

; 

(1)

.    

(2)

 

В зависимости от соотношения величин  и  возможны три различных случая.

1. В цепи преобладает индуктивность, т.е. , а следовательно,

. Этому режиму соответствует векторная диаграмма на рис. 2,а.

 

 

2. В цепи преобладает емкость, т.е. , а значит, . Этот случай отражает векторная диаграмма на рис. 2,б.

3.  - случай резонанса напряжений (рис. 2,в).

Условие резонанса напряжений

.

(3)

 

При этом, как следует из (1) и (2), .

При резонансе напряжений или режимах, близких к нему, ток в цепи резко возрастает. В теоретическом случае при R=0  его величина стремится к бесконечности. Соответственно возрастанию тока увеличиваются напряжения на индуктивном и емкостном элементах, которые могут во много раз превысить величину напряжения источника питания.

Пусть, например, в цепи на рис. 1     . Тогда , и, соответственно, .

Явление резонанса находит полезное применение на практике, в частности в радиотехнике. Однако, если он возникает стихийно, то может привести к аварийным режимам вследствие появления больших перенапряжений и сверхтоков.

Физическая сущность резонанса заключается в периодическом обмене энергией между магнитным полем катушки индуктивности и электрическим полем конденсатора, причем сумма энергий полей остается постоянной.

Суть дела не меняется, если в цепи имеется несколько индуктивных и емкостных элементов. Действительно, в этом случае    , и соотношение (3) выполняется для эквивалентных значений LЭ и CЭ .

Как показывает анализ уравнения (3), режима резонанса можно добиться путем изменения параметров L и C, а также частоты. На основании (3) для резонансной частоты можно записать

.  

(4)

 

Резонансными кривыми называются зависимости тока и напряжения от частоты. В качестве их примера на рис. 3 приведены типовые кривые I(f);  и  для цепи на рис. 1 при U=const.

Важной характеристикой резонансного контура является добротность Q, определяемая отношением напряжения на индуктивном (емкостном) элементе к входному напряжению:

(5)

 

- и характеризующая “избирательные” свойства резонансного контура, в частности его полосу пропускания .

Другим параметром резонансного контура является характеристическое сопротивление, связанное с добротностью соотношением

,   

(6)

 

или с учетом (4) и (5) для  можно записать:

.  

(7)

 

Резонанс в цепи с параллельно соединенными элементами
(резонанс токов)

Для цепи рис. 4 имеем

,

где

(8)

 . 

(9)

 

В зависимости от соотношения величин  и , как и в рассмотренном выше случае последовательного соединения элементов, возможны три различных случая.

В цепи преобладает индуктивность, т.е. , а следовательно, . Этому режиму соответствует векторная диаграмма на рис. 5,а.

В цепи преобладает емкость, т.е. , а значит, . Этот случай иллюстрирует векторная диаграмма на рис. 5,б.

 - случай резонанса токов (рис. 5,в).

Условие резонанса токов  или

.  

(10)

 

При этом, как следует из (8) и (9), . Таким образом, при резонансе токов входная проводимость цепи минимальна, а входное сопротивление, наоборот, максимально. В частности при отсутствии в цепи на рис. 4 резистора R ее входное сопротивление в режиме резонанса стремится к бесконечности, т.е. при резонансе токов ток на входе цепи минимален.

Идентичность соотношений (3) и (5) указывает, что в обоих случаях резонансная частота определяется соотношением (4). Однако не следует использовать выражение (4) для любой резонансной цепи. Оно справедливо только для простейших схем с последовательным или параллельным соединением индуктивного и емкостного элементов.

При определении резонансной частоты в цепи произвольной конфигурации или, в общем случае, соотношения параметров схемы в режиме резонанса следует исходить из условия вещественности входного сопротивления (входной проводимости) цепи.

Например, для цепи на рис. 6 имеем

Поскольку в режиме резонанса мнимая часть  должна быть равна нулю, то условие резонанса имеет вид

,

откуда, в частности, находится резонансная частота.

Резонанс в сложной цепи

Условие резонанса для сложной цепи со смешанным соединением нескольких индуктивных и емкостных элементов, заключающееся в равенстве нулю мнимой части входного сопротивления  или входной проводимости , определяет наличие у соответствующих этому условию уравнений относительно  нескольких вещественных корней, т.е. таким цепям соответствует несколько резонансных частот.

При определении резонансных частот для реактивного двухполюсника аналитическое выражение его входного реактивного сопротивления  или входной реактивной проводимости  следует представить в виде отношения двух полиномов по степеням , т.е.  или . Тогда корни уравнения  дадут значения частот, которые соответствуют резонансам напряжений, а корни уравнения  - значения частот, при которых возникают резонансы токов. Общее число резонансных частот в цепи на единицу меньше количества индуктивных и емкостных элементов в схеме, получаемой из исходной путем ее сведения к цепи (с помощью эквивалентных преобразований) с минимальным числом этих элементов. Характерным при этом является тот факт, что режимы резонансов напряжений и токов чередуются.

В качестве примера определим резонансные частоты для цепи рис. 7. Выражение входного сопротивления данной цепи имеет вид

Из решения уравнения  получаем частоту , соответствующую резонансу напряжений, а из решения уравнения  - частоту , соответствующую резонансу токов.

 

                      Литература

 

  1.  Основы теории цепей: Учеб. для вузов /Г.В.Зевеке, П.А.Ионкин, А.В.Нетушил, С.В.Страхов. –5-е изд., перераб. –М.: Энергоатомиздат, 1989. -528с.
  2.  Бессонов Л.А. Теоретические основы электротехники: Электрические цепи. Учеб. для студентов электротехнических, энергетических и приборостроительных специальностей вузов. –7-е изд., перераб. и доп. –М.: Высш. шк., 1978. –528с.

Контрольные вопросы и задачи

  1.  Что такое резонанс напряжений, чем он характеризуется?
  2.  Что такое резонанс токов, чем он характеризуется?
  3.  В чем физическая сущность резонансных режимов?
  4.  На основании каких условий в общем случае определяются резонансные частоты?
  5.  В цепи на рис. 1 R=1 Ом; L=10 мГн; С=10 мкФ. Определить резонансную частоту и добротность контура.

Ответ: .

  1.  Какие условия необходимы и достаточны, чтобы в цепи на рис. 1 выполнялось соотношение ?
  2.  Определить резонансную частоту для цепи на рис. 7, если в ней конденсатор С3   заменен на резистор R3.

Ответ: .

86


 

А также другие работы, которые могут Вас заинтересовать

34149. Деньги 29.36 KB
  Сущность денег раскрывается в их функциях. Ученыеэкономисты считают что можно выделить пять функций денег Современные экономисты считают что деньги выполняют три функции деньги как мера стоимости деньги как средство обращения и деньги как средство накопления. движение денег в наличной и безналичной формах закрепленная национальным законодательством; включает следующие элементы денежную единицу масштаб цен виды денег в стране и порядок их эмиссии порядок обращения денег и платежей а также государственный аппарат осуществляющий...
34150. Закон стоимости 14.56 KB
  Закон стоимости вынуждает товаропроизводителей следить за тем чтобы индивидуальные затраты труда на производство товаров не превышали общественно необходимые. Закону стоимости свойственны следующие черты: в основе стоимости лежит общественно необходимый труд; величина стоимости товара прямо пропорциональна количеству воплощенного в нем общественно необходимого труда и обратно пропорциональна его производительной силе; обмен товаров совершается в соответствии с количеством воплощенного в них общественно необходимого труда; с возникновением...
34151. Понятие «рынок» и «рыночная экономика» 14.23 KB
  Рынок возникает и развивается вместе с разделением труда в обществе задолго до формирования рыночной экономики. В современной экономической литературе понятия рынок и рыночная экономика употребляются в одном и том же значении: для характеристики рыночной экономики одновременно понимаемой и как рынок. Рынок это одна из важнейших категорий товарного хозяйства выражающая его наиболее существенные связи и отношения связанные с обменом.
34152. Спрос 17.46 KB
  Объем спроса это количество товара которое покупатели желают приобрести за некоторый период например день или год. Объем спроса зависит от цены данного товара цены других товаров товаровзаменителей доходов покупателей и их вкусов. Графическое выражение между ценой товара и величиной спроса предъявляемого покупателями на этот товар называется кривой спроса. Кривая спроса обычно является убывающей.
34153. Объем предложения товара 16.06 KB
  Объем предложения товара это количество товара которое продавцы желают продать за некоторый период например день или год. Объем предложения зависит от цены товаров от цены используемых в производстве ресурсов имеющихся в распоряжении товаропроизводителей и других факторов. Важно отличать объем предложения от объема производства: не все что создано производителем предлагается к продаже и не все что продается обязательно покупается. Объем предложения определяется только поведением продавцов тогда как объем продаж определяется и...
34154. Равновесная цена 14.49 KB
  Взаимодействие предложения и спроса приведет к установлению рыночной цены или равновесной цены. Равновесная цена это цена при которой объем спроса равен объему предложения и этот объем является соответственно равновесным. Возможны четыре варианта взаимодействия спроса и предложения: 1 возрастание спроса на товар кривая его двигается вправо; 2 уменьшение спроса на товар кривая его двигается влево; 3 возрастание предложения на товар кривая его двигается вправо; 4 уменьшение предложения на товар кривая его двигается влево.
34155. Главный фактор потребности выбора 16.57 KB
  Потребляя те или иные блага люди тем самым как бы оценивают их полезность для себя. Главный фактор потребности выбора полезность того или иного товара это категория применяемая для характеристики результатов эффективности экономических решений или деятельности. В более ограниченном смысле полезность определяется как субъективная польза извлекаемая индивидом из потребления товара или услуги. Полезность означает способность экономического блага товара услуги удовлетворять определенные потребности людей.
34156. ПОТРЕБИТЕЛЬСКИЙ ВЫБОР 22.98 KB
  Изменение цены какоголибо товара влияет на объем спроса через эффект дохода и эффект замещения. Эффект дохода возникает поскольку изменение цены данного товара увеличивает при снижении цены или уменьшает при повышении цены реальный доход или покупательную способность потребителя. Эффект замещения замены возникает в результате относительного изменения цен. Эффект замещения способствует росту потребления относительно подешевевшего товара тогда как эффект дохода может стимулировать и увеличение и сокращение потребления товара или быть...
34157. Инфраструктура рынка 15.91 KB
  Основные элементы инфраструктуры рынка. Условно рыночную инфраструктуру можно подразделить по видам объединений баз субъектов инфраструктуры главная задача которых обеспечение функционирования рынка. Среди таких объединений выделяют: 1 организационные объединения рыночной инфраструктуры биржи оптовые брокерские дилерские и другие посреднические организации коммерческие структуры крупных промышленных объединений комбинатов концернов предприятия мелкооптовой и розничной торговли; 2 материальную базу рыночной инфраструктуры...