Основные уравнения

Основные понятия

Резонансом называют явление увеличения амплитуды вынужденных колебаний по сравнению с вынуждающими при совпадении частоты вынуждающих колебаний с собственной частотой цепи. Резонанс нашел широкое применение во многих областях техники, особенно в измерительной. Однако очень часто резонанс приводит к нежелательным явлениям и становится вредным. Например, резонанс элементов летательного аппарата, его силовой установки вызывает усталостные разрушения материалов и преждевременный выход из строя изделий авиационной техники.

Резонанс может возникнуть в устройствах, содержащих как минимум два разнородных накопителя энергии: в электрических цепях - емкостный и индуктивный, в механических устройствах - инерционный (массовый) и энергия сжатой пружины, а в общем случае - накопители кинетической и потенциальной энергии.

Резонанс напряжений может возникнуть в цепи, содержащей последовательно соединённые конденсатор и катушку индуктивности (рис. 4.1). В этом случае напряжение на конденсаторе или на катушке (вынужденное колебание) будет больше питающего напряжения (вынуждающее напряжение) - отсюда называется резонанс напряжений

Рис.1

При резонансе энергия, запасаемая конденсатором, равна энергии, запасаемой в индуктивности, происходит обмен этими энергиями, а источник вынуждающих колебаний только компенсирует потери энергии в активных элементах цепи.

(4.1)

где - действующее значение напряжения на конденсаторе;

- действующее значение тока в контуре;

- емкость конденсатора при резонансе;

- индуктивность катушки при резонансе.

Индекс «0» использован для обозначения величин при резонансе. Равенство запасаемых индуктивностью и конденсатором энергий может быть достигнуто только при равенстве их мгновенных мощностей

(4.2)

Выражения (4.1) и (4.2) представляют разные формы записи энергетического условия резонанса.

Поскольку , то выражение (4.2) можно представить в следующем виде:

если, учитывая, что через конденсатор и катушку течет один и тот же ток, и, переходя к действующим значениям напряжений, получаем электрическое условие резонанса

(4.3)

Замена в (4.3) и через позволяет представить условие резонанса через параметры цепи, индуктивное и емкостное сопротивления - параметрическое условие резонанса

(4.4)

а, учитывая, что и получаем

или

(4.5)

Выражение (4.5) показывает, что резонансную частоту можно сделать равной частоте возбуждающих колебаний , изменяя величину или . На практике чаще используют изменение . Кроме того, резонанса можно достичь изменением частоты вынуждающих колебаний.

Величина , показывающая во сколько раз вынужденные колебания при резонансе превышают вынуждающие, носит название добротности, (для электрических цепей, представляющих собой контур говорят «добротность контура»)

или

Реактивное сопротивление индуктивности или емкости при резонансе носит название волнового сопротивления

;

,

откуда выражение добротности:

.

Основные уравнения

Реальная цепь, в которой возникает резонанс, содержит кроме катушки индуктивности и конденсатора активное сопротивление (рис. 4.2).

Рис. 2

На основании 2-го закона Кирхгофа для цепи, изображенной на рис. 4.2 запишем:

(4.7)

а учитывая, что

, , ,

имеем:

(4.8)

Первые два члена выражения (4.8) представляют собой падения напряжений, совпадающие по фазе с током (падения напряжений на активных сопротивлениях)

(4.9)

где - активное сопротивление всей цепи, два других члена - напряжения, отличающихся по фазе на от тока - реактивную составляющую напряжения

(4.10)

где - реактивное сопротивление всей цепи. Подставим (4.9) и (4.10) в (4.8), получим

или переходя к мощностям

(4.11)

а с учётом (4.8), (4.9), (4.10)

(4.12)

Выражения, полученные ранее, позволяют записать значения , , , , , через питающее напряжение и параметры цепи , , , .

(4.13)

(4.14)

(4.15)

(4.16)

(4.17)

При резонансе (т. е. ) выражения для электрического состояния имеют следующий вид:

При резонансе цепь становится чисто активной (, ), полное сопротивление цепи имеет минимальное значение, а ток максимальное. Напряжения на индуктивности и емкости равны и в добротность раз больше питающего (возбуждающего напряжения) напряжения. Активная мощность имеет максимальное значение ().

Наступление резонанса в цепи нельзя определить с помощью условий резонанса (выражениями (4.2), (4.3), (4.4)) поскольку одна из величин этих выражений не измеряется, поэтому пользуются косвенными - максимум тока или активной мощности. Наиболее точный способ определения наличия резонанса в цепи - достижение фазового сдвига между напряжениями питания и током цепи равного 0. Однако он используется реже, поскольку необходим достаточно сложный прибор - фазометр.

Поиск по сайту: