Aplicació de la ressonància de tensió i la ressonància de corrent

En un circuit oscil·latori d'inductància L, capacitat C i resistència R, les oscil·lacions elèctriques lliures tendeixen a esmorteir-se. Per evitar que les oscil·lacions s'amortinguin, cal omplir periòdicament el circuit amb energia, llavors es produiran oscil·lacions forçades, que no es debilitaran, ja que la variable externa EMF ja suportarà les oscil·lacions del circuit.

Si les oscil·lacions estan suportades per una font d'EMF harmònics externs, la freqüència f és molt propera a la freqüència de ressonància del circuit oscil·lant F, aleshores l'amplitud de les oscil·lacions elèctriques U al circuit augmentarà bruscament, és a dir. fenomen de ressonància elèctrica.

Capacitat del circuit de CA

Considerem primer el comportament del condensador C al circuit de CA.Si es connecta un condensador C al generador, la tensió U als terminals del qual canvia d'acord amb la llei harmònica, llavors la càrrega de les plaques del condensador començarà a canviar segons la llei harmònica, similar al corrent I del circuit. . Com més gran sigui la capacitat del condensador i com més gran sigui la freqüència f de la fem harmònica aplicada a ell, més gran serà el corrent I.

Aquest fet està relacionat amb la idea de l'anomenat Capacitat del condensador XC, que introdueix al circuit de corrent altern, limitant el corrent, similar a la resistència activa R, però en comparació amb la resistència activa, el condensador no dissipa energia en forma de calor.

Si la resistència activa dissipa l'energia i, per tant, limita el corrent, aleshores el condensador limita el corrent simplement perquè no té temps per emmagatzemar més càrrega de la que el generador pot donar en un quart de període, a més, en el següent quart de període, el condensador allibera energia acumulada en el camp elèctric del seu dielèctric, de tornada al generador, és a dir, encara que el corrent és limitat, l'energia no es dissipa (descurarem les pèrdues en els cables i en el dielèctric).

Inductància de CA

Considereu ara el comportament d'una inductància L en un circuit de CA.Si, en lloc d'un condensador, es connecta una bobina d'inductància L al generador, aleshores quan es subministra un EMF sinusoïdal (harmònic) des del generador als terminals de la bobina, començarà a aparèixer un EMF d'autoinducció, perquè quan el corrent a través de la inductància canvia, el camp magnètic creixent de la bobina tendeix a evitar que el corrent augmenti (llei de Lenz), és a dir, la bobina sembla introduir una resistència inductiva XL al circuit de CA, a més del cable. resistència R.

Com més gran sigui la inductància d'una bobina determinada i més gran sigui la freqüència F del corrent del generador, més gran serà la resistència inductiva XL i menor serà el corrent I perquè el corrent simplement no té temps d'assentar-se perquè la FEM de l'autoinductància de la bobina hi interfereix. I cada quart del període, l'energia emmagatzemada en el camp magnètic de la bobina es retorna al generador (de moment ignorarem les pèrdues dels cables).

Impedància, tenint en compte R

En qualsevol circuit oscil·lant real, la inductància L, la capacitat C i la resistència activa R estan connectades en sèrie.

La inductància i la capacitat actuen sobre el corrent de manera oposada en cada quart del període de l'EMF harmònic de la font: a les plaques del condensador la tensió augmenta durant la càrrega, encara que el corrent disminueix, i a mesura que augmenta el corrent a través de la inductància, el corrent, encara que experimenta resistència inductiva, però augmenta i es manté.

I durant la descàrrega: el corrent de descàrrega del condensador és inicialment gran, la tensió a les seves plaques tendeix a establir un gran corrent i la inductància evita que el corrent augmenti, i com més gran sigui la inductància, menor serà el corrent de descàrrega. En aquest cas, la resistència activa R introdueix pèrdues purament actives, és a dir, la impedància Z de L, C i R connectats en sèrie, a la freqüència font f, serà igual a:

Llei d'Ohm per al corrent altern

A partir de la llei d'Ohm per al corrent altern, és obvi que l'amplitud de les oscil·lacions forçades és proporcional a l'amplitud de l'EMF i depèn de la freqüència. La resistència total del circuit serà la més petita i l'amplitud del corrent serà la més gran, sempre que la resistència inductiva i la capacitat a una freqüència determinada siguin iguals entre si, en aquest cas es produirà una ressonància. D'aquí també es deriva una fórmula per a la freqüència de ressonància del circuit oscil·lant:

Ressonància de voltatge

Quan la font d'EMF, la capacitat, la inductància i la resistència estan connectades en sèrie entre si, la ressonància en aquest circuit s'anomena ressonància en sèrie o ressonància de tensió. Un tret característic de la ressonància de voltatge són els voltatges significatius de la capacitat i de la inductància en comparació amb l'EMF de la font.

El motiu de l'aparició d'aquesta imatge és evident. Sobre la resistència activa, segons la llei d'Ohm, hi haurà una tensió Ur, sobre la capacitat Uc, sobre la inductància Ul, i després de fer la relació de Uc a Ur, podem trobar el valor del factor de qualitat Q.La tensió a través de la capacitat serà Q vegades l'EMF font, s'aplicarà la mateixa tensió a la inductància.

És a dir, la ressonància de tensió comporta un augment de la tensió en els elements reactius per un factor de Q, i el corrent de ressonància estarà limitat per la FEM de la font, la seva resistència interna i la resistència activa del circuit R. Així, , la resistència del circuit en sèrie a la freqüència de ressonància és mínima.

Aplicar ressonància de voltatge

S'utilitza el fenomen de la ressonància de tensió filtres elèctrics de diversos tipus, per exemple, si és necessari eliminar un component actual d'una determinada freqüència del senyal transmès, llavors un circuit d'un condensador i un inductor connectats en sèrie es col·loca en paral·lel amb el receptor, de manera que el corrent de freqüència de ressonància d'aquest El circuit LC es tancaria a través d'ell i no arribaran al receptor.

Aleshores, els corrents d'una freqüència allunyada de la freqüència de ressonància del circuit LC passaran sense obstacles a la càrrega, i només els corrents propers a la freqüència de ressonància trobaran el camí més curt a través del circuit LC.

O viceversa. Si només cal passar un corrent d'una determinada freqüència, llavors el circuit LC està connectat en sèrie amb el receptor, els components del senyal a la freqüència de ressonància del circuit passaran a la càrrega gairebé sense pèrdua i les freqüències. lluny de la ressonància es debilitarà significativament i podem dir que no arribaran a la càrrega en absolut. Aquest principi és aplicable als receptors de ràdio on un circuit oscil·lant sintonitzable està sintonitzat per rebre una freqüència estrictament definida de l'estació de ràdio desitjada.

En general, la ressonància de tensió en enginyeria elèctrica és un fenomen indesitjable perquè provoca sobretensions i danys a l'equip.

Un exemple senzill és una línia de cable llarga, que per alguna raó va resultar que no estava connectada a la càrrega, però al mateix temps s'alimenta amb un transformador intermedi. Aquesta línia amb capacitat i inductància distribuïdes, si la seva freqüència de ressonància coincideix amb la freqüència de la xarxa de subministrament, simplement es tallarà i fallarà. Per evitar danys al cable per tensió de ressonància accidental, s'aplica una càrrega addicional.

Però de vegades la ressonància de voltatge juga a les nostres mans, no només les ràdios. Per exemple, passa que a les zones rurals la tensió a la xarxa ha baixat de manera imprevisible i la màquina necessita una tensió d'almenys 220 volts. En aquest cas, el fenomen de la ressonància de tensió estalvia.

N'hi ha prou amb incloure diversos condensadors per fase en sèrie amb la màquina (si l'accionament és un motor asíncron) i, ​​per tant, augmentarà la tensió dels bobinatges de l'estator.

Aquí és important triar el nombre correcte de condensadors perquè compensin exactament la caiguda de tensió a la xarxa amb la seva resistència capacitiva juntament amb la resistència inductiva dels bobinatges, és a dir, apropant lleugerament el circuit a la ressonància, podeu augmentar caiguda de tensió fins i tot sota càrrega.

Ressonància de corrents

Quan la font d'EMF, la capacitat, la inductància i la resistència estan connectades en paral·lel entre si, la ressonància en aquest circuit s'anomena ressonància paral·lela o ressonància actual.Un tret característic de la ressonància actual són els corrents significatius a través de la capacitat i la inductància en comparació amb el corrent font.

El motiu de l'aparició d'aquesta imatge és evident. El corrent a través de la resistència activa segons la llei d'Ohm serà igual a U / R, a través de la capacitat U / XC, a través de la inductància U / XL i component la relació entre IL i I, podeu trobar el valor del factor de qualitat. P. El corrent a través de la inductància serà Q vegades el corrent de la font, el mateix corrent fluirà cada mig període dins i fora del condensador.

És a dir, la ressonància dels corrents condueix a un augment del corrent a través dels elements reactius per un factor de Q, i la FEM ressonant estarà limitada per la fem de la font, la seva resistència interna i la resistència activa del circuit R. Així, a la freqüència de ressonància, la resistència del circuit oscil·lant paral·lel és màxima.

Aplicació de corrents ressonants

Igual que la ressonància de tensió, la ressonància actual s'utilitza en diversos filtres. Però connectat al circuit, el circuit paral·lel actua de manera contrària que en el cas de la sèrie: instal·lat en paral·lel amb la càrrega, el circuit oscil·lant paral·lel permetrà que el corrent de la freqüència de ressonància del circuit passi a la càrrega. , perquè la resistència del propi circuit a la seva pròpia freqüència de ressonància és màxima.

Instal·lat en sèrie amb la càrrega, el circuit oscil·lant paral·lel no transmetrà el senyal de freqüència ressonant, perquè tota la tensió caurà al circuit i la càrrega tindrà una petita part del senyal de freqüència ressonant.

Per tant, la principal aplicació de la ressonància de corrent en enginyeria de ràdio és la creació d'una gran resistència per a un corrent d'una determinada freqüència en generadors de tubs i amplificadors d'alta freqüència.

En enginyeria elèctrica, la ressonància de corrent s'utilitza per aconseguir un factor de potència elevat de càrregues amb components inductius i capacitius significatius.

Per exemple, Unitats de compensació de potència reactiva (KRM) Són condensadors connectats en paral·lel amb els bobinatges de motors asíncrons i transformadors que funcionen amb una càrrega inferior a la nominal.

Aquestes solucions es recorren precisament per aconseguir la ressonància de corrents (ressonància paral·lela), quan la resistència inductiva de l'equip és igual a la capacitat dels condensadors connectats a la freqüència de la xarxa, de manera que l'energia reactiva circuli entre els condensadors. i equip, i no entre l'equip i la xarxa; de manera que la xarxa només emet energia quan l'equip està carregat i consumeix energia activa.

Quan l'equip no funciona, la xarxa resulta connectada en paral·lel amb el circuit ressonant (condensadors externs i la inductància de l'equip), la qual cosa representa una impedància complexa molt gran per a la xarxa i permet reduir factor de potència.