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

18051. Краткосрочная финансовая политика предприятия. Учебное пособие 2.77 MB
  Н.М. Крюкова Учебное пособие. Содержание и значение финансовой стратегии фирмы. Определение целей и задач бизнеса. Содержание и порядок разработки финансовой политики фирмы. Что п...
18052. Основы радиации. Радиационное загрязнение территории РБ 599 KB
  1. Радиационное загрязнение территории РБ. Радиоактивность явл результатом процесса кот происх внутри ядер. НТР принесла чел не только технический прогресс но и истощение природных ресурсов загрязнение окр среды усиление техногенной экологической и природной опас
18053. Административно-процессуальное право: Курс лекций 1.11 MB
  Административно-процессуальное право: Курс лекций./ Сост.: В.В. Степанюк Орёл: Орловский юридический институт МВД России 2009 г. 172 с. В данном курсе лекций представлены конспекты лекций по первому разделу: Введение в административнопроцессуал
18054. ТИПИЧНЫЕ ОШИБКИ ПРИ НАЧИСЛЕНИИ НАЛОГОВ И СТРАХОВЫХ ВЗНОСОВ 2.87 MB
  ТИПИЧНЫЕ ОШИБКИ ПРИ НАЧИСЛЕНИИ НАЛОГОВ И СТРАХОВЫХ ВЗНОСОВ Ф.Н. Филина И.А. Толмачев Под редакцией Т.Н. Межуевой. НАЛОГ НА ПРИБЫЛЬ 1.1. Доходы В соответствии со ст. 41 Налогового кодекса РФ доходом признается экономическая выгода в денежной или натурал...
18055. Анализ деятельности коммерческого банка 1.36 MB
  Л.В. КОХ Ю.В. КОХ Анализ деятельности коммерческого банка Учебное пособие Раскрываются основные направления экономического анализа деятельности коммерческого банка. Рассматриваются вопросы анализа состояния и использования собственных и привлеченных средств...
18056. Організація, планування та управління підприємствами галузі: Конспект лекцій 1.35 MB
  Стахурський В.О. Організація планування та управління підприємствами галузі: Конспект лекцій для студ. напрямів 0902 Інженерна механіка 0905 Енергетика 0925 Автоматизація та компютерно-інтегровані технології всіх форм навчання. К. : НУХТ 2009. 113 с. АНОТАЦІЯ К
18057. Базы данных, учебное пособие 1.41 MB
  Базы данных Допущено Учебно-методическим объединением вузов по образованию в области автоматизированного машиностроения УМО АМ в качестве учебного пособия для студентов высших учебных заведений обучающихся по направлениям подготовки бакалавров и магистров.
18058. Проблемы подростковой адаптации с позиций профилактики и психотерапии личностных и поведенческих расстройств и зависимости от психоактивных веществ 1.06 MB
  Проблемы подростковой адаптации с позиций профилактики и психотерапии личностных и поведенческих расстройств и зависимости от психоактивных веществ М. 325 с. Вместо введения. История создания книги Психическая адаптация к требованиям социальной среды. Базисные ком...
18059. Практикум по арбитражному процессу 1.2 MB
  Практикум по арбитражному процессу Учебное пособие для студентов юридических вузов и факультетов Под редакцией доктора юридических наук профессора В. В. Яркова и кандидата юридических наук доцента С.Л. Дегтярева 2е издание переработанное и дополненное .: ...