Добавил:
Upload Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз: Предмет: Файл:

Бандурин TOE 1

.pdf
Скачиваний:
46
Добавлен:
15.03.2016
Размер:
2 Мб
Скачать
☆

В результате при резонансе напряжений для исследуемой схе-

мы (рис.7.1) X = X L − X C = 0 ; X L = X C ; или ωL =

1

.

 

 

 

 

 

 

ωC

ω0 =

 

1

 

– резонансная угловая частота.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

LC

Активная и реактивная мощности:

P = U 2 ; R

Q = UI sinϕ = 0 .

Тогда cosϕ = 1. Полная мощность S = P 2 + Q 2 = P , при этом

U L = U C = I × X L = I × X C = U × q , гдеq – добротность контура, которая показывает, во сколько напряжение на реактивных элементах превышает входное напряжение.

q =

UC

=

U L

=

X L

=

X C

=

ρ

>> 1, то U L = U C >> U ,

 

U

 

 

 

 

R

 

 

 

 

 

U R

R

 

 

 

 

 

 

ρ =

U L

=

UC

= ω0 L =

1

=

 

 

L

 

, (Ом) – характеристическое

 

 

ω0C

 

 

 

I

 

 

 

I

 

 

 

 

C

сопротивление контура При резонансе напряжений входное сопротивление цепи будет

минимальным, а ток будет максимальным.

Векторная диаграмма при резонансе напряжений

 

Uɺ

 

= R Iɺ

 

 

R

 

к

 

 

 

к

 

Iɺ

Uɺ

= R Iɺ

 

 

 

 

 

 

 

Н

н

 

 

Uɺ

UɺК

 

 

 

 

Uɺ

= (− jX

C

)Iɺ

UɺL = jX L Iɺ

С

 

 

 

 

 

 

 

Рис. 7.2.

121

Частотные и резонансные характеристики

Предположим к что к контуру приложено синусоидальное напряжение U (t) = U 2 sinωt амплитуда которого неизменна, а частота может изменяться в широких пределах от о до ∞ , изменение частоты приводит к изменению параметров контура, изменяется его реактивное, а, следовательно, и его полное сопротивление, а также угол сдвига между входным током и входным напряжением ϕ (аргумент комплексного сопротивления цепи).

Зависимости параметров схемы от частоты называют частот-

ными характеристиками цепи.

ϕ, рад

 

 

ϕ(ω)

ω0

ω, рад/с

Рис. 7.3.

 

Отметим, что частоты, при которых наблюдаются фазовый и амплитудный резонансы, не совпадают с частотой собственных колебаний контура (они совпадают только в теоретическом случае, когда катушка индуктивности и конденсатор без потерь)

122

X L (ω)

Z (ω)

XC (ω)

R(ω)

ω, рад/с

Рис. 7.4.

При изменении частоты ω меняется реактивное сопротивление цепи. При ω → 0 сопротивление Z → ∞ и ток I → 0 . При ω → ∞ сопротивление Z → ∞ и ток I → 0 . При изменении частоты ω от 0 до ω0 ϕ < 0 , т.е. полное сопротивление цепи имеет ёмкостный характер.

При изменении частоты ω от ω0

до∞ ϕ > 0 и увеличивается до π ,

 

2

т.е. полное сопротивление цепи имеет индуктивный характер.

Резонансные кривые

Зависимости действующих и амплитудных значений тока напряжения от частоты называют резонансными кривыми. Запишем на основании законов Ома.

Iɺ =

Uɺ

; I (ω) =

 

 

 

U

 

 

 

.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Z

+ (ωL − 1ωC )

2

 

 

 

 

 

 

 

R2

 

 

 

 

 

 

Z

 

X = ωL − 1

ωC

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

R

 

 

 

 

 

 

123

U L (ω) = I × X L =

 

UωL

;

 

 

 

 

 

R2 + (ωL - 1ωC )2

UC (ω) = I × XC =

 

 

 

U

.

 

 

 

 

 

 

ωC R2 + (ωL - 1ωC )2

UC , U L , I

I (ω)

 

 

 

 

UC (ω)

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

U L (ω)

U

 

 

 

 

 

I ® U

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

RK

 

 

 

 

 

 

UC → 0

ωL

ω0

 

ωC

ω

 

Рис. 7.5.

 

 

 

Максимумы напряжений U L

и UC

 

имеют место при частотах,

отличных от резонансной, причём связь между частотами, при кото-

рых кривые имеют максимумы ω ω

= ω

2 .

 

 

L

C

0

 

 

Im

 

q > q

2

> q

 

 

 

1

 

3

Im

 

2

q3

 

q2

 

q1

ω1 ω0 ω2

ω

Рис. 7.6.

 

График зависимости тока от частоты показывает, что цепь обладает избирательными свойствами. Цепь обладает наименьшим сопротивлением при резонансной частоте. Входной ток и напряжение при резонансе резко изменяют свою величину, что приводит к частотным искажениям сигнала. Чтобы эти искажения не превышали допустимой нормы, вводят понятие полосы пропускания– П (т.е.

124

спектр сигнала не должен выходить за пределы полосы пропускания).

Полоса пропускания для большинства сигналов устанавливается на уровне, при котором ток – I (напряжение – U) уменьшается

не более чем

2 раз от максимального значения.

По полосе пропускания определяется качество резонансной

цепи (её добротность)

 

 

Q = ω0 ,

где П = ω

2

− ω – полоса пропускания.

П

 

1

 

 

 

Чем больше добротность контура, тем острее кривая тока, тем выше избирательные свойства контура. Избирательными свойствами широко пользуются в электросвязи и радиотехнике, при этом режим резонанса является нормальным режимом работы цепи. Наоборот, в устройствах, где резонансный режим не предусмотрен, появление резонанса нежелательно, т.к. возникающее значительные напряжения на катушке и конденсаторе могут оказаться опасными для изоляции.

Резонанс напряжений используется:

а) в радиотехнике для усиления сигналов определенной часто-

ты;

б) в электроэнергетике для увеличения активной мощности нагрузки генератора (компенсация реактивной мощности).

jX Г

− jX C

UɺГ

 

Iɺ

 

Рис. 7.7.

 

 

 

 

 

 

 

'

=

'

 

2

=

 

Eг2 Rн

 

 

а)

X С = 0 (С = ∞) Pн

(I ) Rн

 

 

 

, (Вт)

(R

+ R )2

+ Х 2

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

X С = X Г

 

 

 

 

 

 

 

г

н

г

 

б)

(резонанс)

 

 

 

 

 

 

 

 

"

 

"

 

2

 

Eг2 Rн

 

 

'

 

 

 

 

 

 

 

Pн

= (I

 

)

 

Rн =

 

 

> Pн

,

(Вт)

 

 

 

 

 

(R + R )2

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

г н

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

125

Примечание: если Rk=0, то тогда Zdb=jXL-jXC=0 – это идеальный резонанс напряжений.

Резонанс токов

Резонанс токов – это резонанс при параллельно соединенных емкости и индуктивности

Iɺ IɺК

IɺC

Uɺ UɺС

UɺR

к

− jXC

UɺL jX L

Рис. 7.8.

При резонансе токов входная проводимость цепи и входной ток минимальны

По закону Ома

 

Iɺ= UɺY вх = Ie j(α −ϕ ) ,

 

 

( A)

 

 

 

 

 

где Uɺ

= Ue jα –

 

входное напряжение.

 

 

 

Комплекс входной проводимости:

 

Y вх =

 

 

1

 

 

 

+

 

 

 

1

 

 

 

 

=

j

+

 

 

Rк − jX L

=

(− jX C )

 

(Rк + jX L )

X C

(Rк

+ jX L )(Rк − jX L )

 

 

 

 

 

 

 

 

= g − jb = Yвхе− jϕ , ( 1

Ом

),

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

( 1

)

 

 

 

 

 

 

 

 

где g =

 

 

Rк

 

 

 

 

,

 

 

 

 

–

активная проводимость цепи,

2

+

 

 

 

2

Ом

 

 

 

 

Rк

 

ХL

 

 

 

 

 

 

 

 

 

( 1

 

 

) –

 

 

b = bк − bC =

 

 

 

 

Х L

 

−

1

 

,

 

 

реактивная проводимость це-

 

2

 

 

 

2

 

ХС

 

Ом

 

 

 

 

 

 

Rк

 

+ Х L

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

пи.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

(

 

 

 

) – модуль входной проводимости цепи.

Yвх =

 

 

 

,

 

 

 

 

 

 

g 2 + b2

 

 

1

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Ом

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

ϕ = arctg

b

,

 

(град) –

 

угол сдвига фаз между током и напряжением.

g

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Из определения резонанса ϕ = 0 , тогда Im(Y ) = b = bк − bC = 0 .

126

В результате при резонансе токов

bк = bC

или

 

 

X L

 

 

 

=

1

,

 

R

2

+ X

2

 

 

X

C

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

к

 

L

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

ω L

 

= ωC .

 

 

 

 

 

 

R

2

+ (ω L )2

 

 

 

 

 

 

 

к

 

 

 

 

 

Резонанса токов можно добиться изменяя: частоту, либо ёмкость,

либо индуктивность, либо активное сопротивление катушки.

Тогда

b = 0

Y вх

= g

ϕ = 0

 

ɺ

ɺ

jα

 

 

I = Uge

 

 

 

 

 

 

P = U 2 g

cos ϕ = 1

Q = 0

S = P

 

 

 

 

 

 

 

 

 

При резонансе токов входная проводимость цепи и входной ток минимальны.

Векторная диаграмма при резонансе токов

+j

 

U R к

b

 

 

 

 

U

U L

I

 

IС

α = ϕк

 

 

 

+1

 

a

= Iкеj0°

 

Iк

Рис. 7.8.

127

где – Zк =

Rк2 + Х L2 ; Iк = U

; IС = U

;

 

 

 

 

 

; U R = RкIк .

Zк

ХС

 

 

 

 

U L = Iк X L

 

 

 

 

 

 

 

к

 

 

 

 

 

 

 

Резонансные характеристики

 

 

Запишем действующие значения токов ветвей

 

ω L

 

Iɺ = UɺY ; I (ω) = U g 2 + (bC − bК )2 ; I L

(ω) = U × bK

= U

;

 

 

 

 

 

R2

+ ω L2

 

 

 

 

 

 

к

 

 

IC (ω ) = U × bC = U ωC , на основе этих соотношений построим резо-

нансные характеристики.

 

 

 

 

 

 

I

 

 

g =

 

Rк

 

 

 

 

2

+ Х 2

 

 

 

 

 

R

 

 

 

 

 

к

L

 

 

 

 

 

I (ω)

 

 

 

 

 

 

 

 

IC (ω )

 

 

I0 = Ug

 

 

 

IL (ω)

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

ω0

ω,

рад / с

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

резонанс

 

 

 

 

 

Рис. 7.9

 

 

 

 

 

I0 – действующее значение входного тока при резонансе токов

Частотные характеристики повторяют резонансные, только

в другом масштабе.

 

 

 

 

 

 

128

 

b

 

 

 

 

 

bC (ω)

 

 

b = bC − bL

 

 

 

bК (ω)

0

ω0

ω,

рад / с

 

 

резонанс

 

 

 

Рис. 7.10.

 

 

Примечание:

Если в ветви с ёмкостью присутствует последовательное сопротивление. Результирующая комплексная входная проводимость равна Y = g + jb,

где

g =

 

R1

 

 

−

 

 

R2

; – вещественная часть,

R2 + X 2

 

R2

+ X 2

 

 

1

 

 

L

2

 

 

C

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

b =

 

X L

 

−

 

 

X C

 

 

– мнимая часть входной комплексной прово-

R2

+ X

2

R2

+ X

 

2

 

1

 

 

L

2

 

 

C

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

димости.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Iɺ

 

 

Iɺ1

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Iɺ2

 

 

UɺR

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

UɺR

 

 

 

1

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Uɺ

 

 

 

2

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

ɺ

 

Uɺ

L

jX L

UС

− jXC

 

 

 

 

 

 

Рис. 7.11.

 

 

Приравнивая мнимую часть входной комплексной проводимости к нулю, получаем условие резонанса токов:

129

X L

=

X C

 

ω L

=

1ωC

 

 

или

 

 

.

R12 + X L2

R22 + X C2

R12 + (ω L )2

R12 + ( 1ωC )2

Изменением одной из величин (ω, L,C, R1 , R2 ) при остальных четырёх постоянных не всегда может быть достигнут резонанс. Резонанс отсутствует, если значение изменяемой величины при её определении из уравнения получается мнимым или комплексным. Для L и C могут получаться и по два различных действительных значения. В таких случаях можно достичь двух различных резонансных режимов.

Решая уравнение относительно ω , получим величину резонансной частоты:

 

 

ρ 2 − R12

 

 

1

 

 

 

 

 

 

ω p = ω0

 

, где ω0 =

 

 

, ρ =

L

.

 

 

 

 

 

 

 

 

ρ 2 − R2

 

 

 

 

2

 

 

LC

 

 

 

C

Резонанс возможен, если сопротивления оба больше или оба меньше ρ . Если же это условие не выполняется, получается мнимая частота, т.е. не существует такой частоты при которой имел бы место резонанс.

При ρ = R1 = R2 , резонансная частота имеет любое значение, т.е. резонанс наблюдается при любой частоте.

 

 

UɺR1

UɺR2

ϕ = arctg X L

ϕ2

X C

Uɺ

 

1

R1

 

 

= arctg

 

 

 

 

 

R2

 

 

 

 

 

 

UɺL

UɺС

ϕ1

 

 

Iɺ2

ϕ2

 

 

 

 

Iɺ

 

 

 

 

 

1

 

Рис. 7.12.

При параллельном соединении элементов качество резонанс-

ной цепи считается тем выше, чем больше отношение Y , которое и g

в этом случае называется добротностью. Добротность контура показывает во сколько раз ток на реактивных элементах превышает входной ток. При R1 = R2 = 0

130

Соседние файлы в предмете [НЕСОРТИРОВАННОЕ]