При протекании электроэнергии по элементам электрической схемы возможно возникновение различных режимов; совпадение по фазе вектора токов и напряжений в цепях с емкостью и индуктивностью называют явлением электрического резонанса.
При нем исчезает реактивный характер нагрузки и выполняются все соотношения для активного сопротивления , когда Х=I m ∙Z, В= I m ∙Y, R=Z, φ=0 .
В электротехнике при последовательном соединении элементов индуктивной и емкостной нагрузки возможен резонанс напряжений. Рассмотрим его проявление для простейшей цепи с последовательно образованным контуром, когда резонанс проявится при случае Х=Х L -Х C =0 . Выразим Х L =Х C , а после подстановки их выражений получим соотношение:
φL=1/φC .
У индуктивности и емкости для рассматриваемого случая вектора напряжений находятся в противоположных фазах, уравновешивают друг друга. При этом, все напряжение, которое приложено на электрическую схему, воздействует на активное сопротивление. Диаграмма векторов представлена следующим видом:
Диаграмма демонстрирует, что величины напряжений на реактивных нагрузках при резонансе могут весьма значительно превышать входное напряжение схемы. Для оценки этого параметра введено термин добротности контура Q .
Q=U L /U=U C /U=x Lрез /R=x Cрез /R .
Она зависит от частоты, величины емкости или индуктивности. Изменяя любой из перечисленных параметров можно регулировать величину добротности. В радиотехнике она нашла широкое применение, где ее величина доводится до больших значений в несколько сотен единиц во время резонанса напряжений.
При этом возникают изменения реактивного и полного сопротивлений в схеме, следствием чего проявляются изменения токов, напряжений, углов сдвига фаз на различных приемниках электроэнергии.
Зависимость параметров электрической схемы при изменении значений емкости С O для создания резонанса демонстрирует график:
Величину С O выражает соотношение: С O =1/(ω2L) .
Вполне допустимо рассмотреть случай параллельного соединения нагрузок R, L и C . Для него будет справедлива векторная диаграмма вида:
На практике приходится иметь дело с более сложными соединениями элементов. Для примера можно взять разветвленную схему с 2-мя параллельными ветвями, включающими как активные, так и реактивные нагрузки.
У данной цепи резонанс наступает при равенстве нулю составляющей ее реактивной проводимости, когда I m ∙Y=0 . То есть, при рассматриваемом случае мнимая часть у комплексного выражения Y приравнена к нулю.
Найдем значение комплексной проводимости для схемы, которая выразится суммой всех проводимостей в ветвях.
Y=Y1+Y2=1/Z1+1/Z2=1/(R1+jx1)+1/(R2-jx2)=(R1-jx1)/(R 2 1+x 2 1)+(R2+jx2)/(R 2 2+x 2 2)=
R1/(R 2 1+x 2 1)+R2/(R 2 2+x 2 2)-j(x1/(R 2 1+x 2 1)-x2/(R 2 2+x 2 2))
.
Выражение, выделенное круглыми скобками, приравниваем к нулю и получаем соотношение:
x1/(R 2 1+x 2 1)=x2/(R 2 2+x 2 2) .
Данное соотношение может быть представлено развернутым видом:
φL/(R 2 1+(φL) 2)=(1/φC)/(R 2 2+(1/φC) 2) .
Мы получили выражение, не похожее на реактивные проводимости для 1-й и 2-й ветвей цепи с В1 и В2 . Сделаем замену рассматриваемой нами схемы на эквивалентную. У нее значения параметров определены расчетом для условий резонанса, когда В=В1-В2=0 :
Таким способом мы пришли к искомому выражению. Векторная диаграмма для полученной схемы разветвленной цепи может быть выражена так:
В разветвленных схемах возникает явление резонанса токов, когда реактивные части токов для противоположных ветвей направлены в противоположных направлениях и уравновешены между собой по величине. Общий ток в схеме формируется суммой составляющих активных токов в ветвях.
Реактивное сопротивление или проводимость двухполюсника, в состав которого входят конденсаторы и катушки индуктивности, в зависимости от частоты приложенного напряжения могут принимать как положительные, так и отрицательные значения. При определенных условиях реактивное сопротивление (проводимость) может оказаться равным нулю, а эквивалентное сопротивление (проводимость) всей цепи становится активным. В этом случае ток и напряжение на входе цепи совпадают по фазе. Такое явление называют резонансом , а соотношение −условием резонанса .
Эквивалентные
параметры двухполюсника связаны
соотношениями
и
,
поэтому
условие
эквивалентно выполнению равенств
или
.
Из
условий
,
могут быть определены значения параметров
элементов электрической цепи, при
которых наблюдается явление резонанса,
а также значения частоты
резонанса.
Если
для двухполюсника
и
,
то для определения значений резонансных
частот может быть использовано любое
из условий
или
.
В
случае, когда активное эквивалентное
сопротивление или активная эквивалентная
проводимость двухполюсника равны нулю,
для определения значений резонансных
частот следует использовать оба условия
и
,
так как при этом
.
Равенства
и
выполняются, в частности, для цепей,
содержащих только катушки индуктивности
и конденсаторы.
Для
описания частотных свойств электрических
цепей широко используются частотные
характеристики. Под частотными
характеристиками понимают зависимости
от частоты входных параметров цепи: r
,
x
,
z
,
g
,
b
,
y
, а также
величин, определяемых этими параметрами
,
и т.д. Рассмотрим далее частотные
свойства простейших цепей, в которых
возможен резонанс.
Рассмотрим цепь, изображенную на рис. 10.1а
Комплексное сопротивление цепи равно
Угол
сдвига между входным током и напряжением
обращается в нуль при равенстве нулю
реактивного сопротивления цепи, то есть
при выполнении условия
.
Таким образом, состояние резонанса в
цепи наступает при частоте
.
Эта угловая частота называетсярезонансной
.
Векторная диаграмма для токов и напряжений
в последовательном rLC
контуре,
построенная при
,
изображена на рис. 10.1б. Как видно из
векторной диаграммы, вектора
и
равны по величине и противоположны по
направлению, таким образом, напряжение
при резонансной частоте равно нулю.
Индуктивное и равное ему емкостное
сопротивление цепи при резонансной
частоте
,
обозначаемое
символом
,
носит названиеволнового
сопротивления
колебательного контура и измеряется в
омах.
Отношение волнового сопротивления к активному сопротивлению в последовательном колебательном контуре называется добротностью , а величина, обратная добротности − затуханием :
,
.
Как следует из приведенных соотношений, добротность и затухание являются безразмерными величинами. Поскольку во всех элементах цепи, изображенной на рис. 10.1а протекает один и тот же ток, добротность показывает, во сколько раз напряжение на реактивных элементах при резонансе превышает входное напряжение. В реальных колебательных контурах эта величина может достигать значительного уровня. Поэтому резонанс в цепи с последовательным соединением элементов r , L , C иногда называютрезонансом напряжений .
При резонансной частоте полное сопротивление z
равно сопротивлению резистора r , ток и входное напряжение совпадают по фазе.
Таким образом, вся мощность, поставляемая в цепь источником, равна активной мощности, потребляемой единственным резистивным элементом, а реактивная мощность цепи равна нулю. Это означает, что в резонансе взаимный обмен энергии происходит только между конденсатором и катушкой индуктивности. Уменьшение энергии электрического поля при разряде конденсатора сопровождается увеличением энергии магнитного поля катушки и наоборот. Обмен энергией между источником и реактивными элементами отсутствует.
Рассмотрим
частотные свойства цепи с последовательно
соединенными элементами r
,
L
,
C
. Будем
считать, что на входе цепи действует
синусоидальное напряжение с постоянной
амплитудой и угловой частотой
,
меняющейся в пределах от 0 до ∞ .
Изменение частоты приводит к изменению
параметров цепиx
,
z
,
. На рисунке 10.2 приведены соответствующие
частотные характеристики
,
Активное
сопротивление рассматриваемой цепи не
зависит от частоты, а реактивное при
определенных значениях частоты ()
становится равным либо нулю либо
бесконечности. Эти характерные значения
называют соответственно нулями и
полюсами частотной характеристики.
Важным свойством функции
является то, что она монотонно возрастает
при увеличении частоты
.
В интервале частот
реактивное сопротивление возрастает
от − ∞ до 0 и имеетемкостной
характер, при
реактивное сопротивление возрастает
от 0 до ∞ и имеетиндуктивный
характер.
Рассмотрим зависимость тока в rLC контуре от частоты приложенного напряжения:
.
Анализ этого
выражения показывает, что при
максимального значения
ток достигает в точке, соответствующей
резонансной частоте.
Важной характеристикой
rLC
контура является
ширина резонансной кривой или полоса
пропускания, которую определяют как
разность верхнейи нижней
частот, для которых отношение
составляет
:
.
Частоты
и
, ограничивающие полосу пропускания,
могут быть определены из соотношения
,
откуда следует, что на границах полосы пропускания реактивные сопротивления по абсолютной величине равны активному
.
Последнее соотношение эквивалентно равнству
,
Откуда ,
.
Разность
частот
и
(полоса пропускания) определяется
выражением
Если построить
зависимость
в системе относительных координат
,
(рис.10.3), то ширина полосы пропускания
оказывается равной затуханию контура.
В
выражении напряжения на катушке
индуктивности
оба сомножителя зависят от частоты.
При
напряжение
.
С увеличением частоты напряжение
возрастает и стремится к входному при
.
Можно показать, что при
эта зависимость монотонна, а при
имеет максимум (рис. 10.4).
Напряжение
на конденсаторе
.
Приток в контуре отсутствует и все входное
напряжение оказывается приложенным к
конденсатору. При
напряжение на конденсаторе стремится
к нулю. Для цепи, добротность которой
превышает
,
зависимость
имеет максимум; если
,
напряжение на конденсаторе монотонно
уменьшается с ростом частоты.
Явление резонанса электрических напряжений наблюдается в цепи последовательного колебательного контура, состоящего из емкости (конденсатора), индуктивности и резистора (сопротивления). Для обеспечения энергетической подпитки колебательного контура в последовательную цепь включается также источник электродвижущей силы Е. Источник вырабатывает переменное напряжение с частотой W. При резонансе ток, циркулирующий в последовательной цепи, должен совпадать по фазе с э.д.с. Е. Это обеспечивается, если общее сопротивление схемы Z = R+J(WL – 1/WС) будет лишь активным, т.е. Z=R. Равенство:
(L – 1/WС) = 0 (1),
является математическим условием резонанса в колебательном контуре. При этом величина тока в цепи составит I = E/R. Если преобразовать равенство (1), то получим:
В этом выражении W - является резонансной частотой контура.
Важно то, что в процессе резонанса напряжение на индуктивности равно напряжению на конденсаторе и составляет:
UL = U = WL * I = WLE/R
Общая сумма энергий в индуктивности и емкости (магнитного и электрического полей) постоянна. Это объясняется тем, что между этими полями происходит колебательный обмен энергиями. Суммарное ее количество в любой момент неизменно. При этом обмена энергией между ее источником Е и цепью не происходит. Вместо этого имеет место непрерывное преобразование одного вида энергии в другой.
Для колебательных контуров применятся термин добротность, которая показывает, как соотносятся напряжение на реактивном элемента (емкость или индуктивность) и входное напряжение контура. Добротность вычисляется по формуле:
Для идеальной последовательной цепи с нулевым активным сопротивлением возникновение резонанса сопровождается незатухающими колебаниями. На практике затухание колебаний компенсируется подпиткой контура от генератора колебаний с частотой резонанса.
Явление колебательного резонанса широко используется в радиоэлектронике. В частности, входная цепь любого радиоприемника представляет собой регулируемый колебательный контур. Его резонансная частота, изменяемая с помощью регулировки емкости конденсатора, совпадает с частотой сигнала радиостанции, которую необходимо принять.
В электроэнергетике возникновение резонанса напряжений вследствие сопутствующих ему перенапряжений чревато нежелательными последствиями. Например, в случае подключения к генератору или промежуточному трансформатору длинной кабельной линии (являющейся колебательным контуром с распределенной емкостью и индуктивностью), не соединенной на приемном конце с нагрузкой (это называется режимом холостого хода), весь контур может оказаться в резонансом состоянии. В такой ситуации напряжения, возникающие на некоторых участках цепи, могут оказаться выше расчетных. Это может грозить пробоем изоляции кабеля и выходом его из строя. Такая ситуация предотвращается применением вспомогательной нагрузки.
Режим работы электрической цепи, при котором ток и напряжение на входе цепи совпадают по фазе, называют резонансом . При этом эквивалентное сопротивление всей цепи будет активным. В цепях, состоящих из резистивного, индуктивного и емкостного элементов, различают резонанс напряжений и резонанс токов.
Резонанс напряжений
Резонанс напряжений может иметь место в цепи с последовательно соединенными индуктивным и емкостным элементами. Рассмотрим схему последовательного соединения резистора, индуктивности и емкости (рис. 6.1).
2. Пусть индуктивное сопротивление меньше емкостного X L < X C . Тогда и индуктивное напряжение станет меньше емкостного U L < U C , так как ток через элементы протекает один и тот же, а напряжение пропорционально току и сопротивлению. Векторная диаграмма будет иметь вид (рис. 6.3).
Реактивная составляющая напряжения U Х = U L – U C – отрицательна, и угол сдвига фаз между током и напряжением φ < 0. Такой характер цепи является активно- емкостным .
3. Пусть X L = X C , в этом случае индуктивное и емкостное напряжения равны по величине U L = U C . Так как они всегда противоположны по фазе, то они полностью компенсируют друг друга, следовательно, реактивная составляющая U Х = U L – U C = 0. Общее напряжение будет активным и совпадет по фазе с током φ = 0, следовательно, в цепи имеет место резонанс напряжений. Векторная диаграмма для данного случая показана на рис. 6.4.
Из вышесказанного следует, что условием, при котором наступит резонанс напряжений, является равенство индуктивного и емкостного сопротивлений.
Из выражения (6.1) следует, что при резонансе полное сопротивление цепи имеет активный характер.
Резонанс напряжений можно достигнуть подбором трех параметров:
1) изменением частоты колебательного контура , L , C = const;
2) изменением индуктивности контура , , С = const;
3) изменением емкости колебательного контура , , L = const .
При этом все три параметра связаны между собой.
Из условия получаем: , отсюда:
Частоту ω 0 , определяемую из такого условия, называют резонансной.
Если напряжение на зажимах цепи и активное сопротивление цепи R не изменяются, то ток при резонансе имеет максимальное значение
, так как
.
Если реактивные сопротивления превосходят при резонансе активное сопротивление:
,
,
то напряжения на зажимах катушки и конденсатора могут существенно превышать напряжение на входе цепи.
Превышение напряжения на реактивных элементах над напряжением на входе принято характеризовать величиной
,
называемой волновым или характеристическим сопротивлением цепи. Волновое сопротивление численно равно индуктивному или емкостному сопротивлению на резонансной частоте.
Кратность превышения напряжения на зажимах индуктивного и емкостного сопротивлений над входным определяют отношением напряжения на реактивном элементе к напряжению на входе цепи на резонансной частоте:
Эта величина называется добротностью контура.
Величина, обратная добротности
называется затуханием контура.
![]() |
Избирательность контура характеризуется полосой пропускания. Полоса пропускания – это диапазон частот, для которых ток ослабляется не более чем в раз по отношению к максимальному значению
.
Ширину полосы пропускания можно определить по формуле
Рассмотрим резонансные кривые тока и напряжений (рис. 6.6).
При неизменных параметрах цепи и неизменном входном напряжении ток определится выражением
.
![]() |
Напряжение на индуктивности пропорционально частоте, следовательно, при нулевой частоте напряжение на индуктивности . При все напряжение, подаваемое от источника, приложено к индуктивности, и .
Напряжение на емкости обратно пропорционально частоте, следовательно, при все напряжение приложено к емкости . При , так как равно нулю емкостное сопротивление.
При резонансной частоте индуктивное и емкостное напряжения равны .
Напряжение на резистивном элементе пропорционально току и, следовательно, повторяет форму кривой тока при и , при .
Рассмотрим энергетические соотношения при резонансе.
Мгновенные значения мощности на зажимах катушки и конденсатора определяются выражениями:
;
.
Так как при резонансе , эти мощности в любой момент времени равны и противоположны по знаку. Это значит, что происходит обмен энергией между магнитным полем катушки и электрическим полем конденсатора, но не происходит обмена между источником и реактивными элементами, так как
и
,
то есть суммарная энергия электрического и магнитного полей остается постоянной. Энергия переходит из конденсатора в катушку в течение четверти периода, когда напряжение на конденсаторе убывает, а ток растет. В течение следующей четверти периода энергия переходит из катушки в конденсатор. Источник энергии питает только активное сопротивление.
Резонанс токов
Резонанс в идеальной цепи
Резонанс токов наступает при параллельном соединении индуктивности и емкости. Для обобщения анализов включим в цепь параллельно индуктивности и емкости активное сопротивление (рис. 6.7).
![]() |
.
Запишем это выражение в комплексной форме:
,
где , ,
.
Вынесем напряжение за скобку, получим
.
Условием резонанса токов является равенство индуктивной и емкостной проводимостей:
.
Векторная диаграмма для режима резонанса представлена на рис. 6.8. При равенстве индуктивной и емкостной проводимостей будут равны и токи . Направленные в противофазе, эти токи компенсируют друг друга, в цепи остается только активная составляющая тока, и общий ток будет совпадать по фазе с напряжением . Поэтому резонанс называют резонансом токов.
Общий ток в цепи можно представить как ,
где – полная комплексная проводимость, модуль которой равен
.
С учетом условия резонанса, получим, что , то есть проводимость цепи минимальна, следовательно, и ток будет минимальным – это признак резонанса токов.
Из условия резонанса получим выражение для резонансной частоты
То есть, как и при резонансе напряжений, добиться резонанса токов можно, изменяя один из трех параметров ω , L , C .
Резонанс в реальной цепи
Реальная катушка и реальный конденсатор обладают не только реактивным, но и активным сопротивлением. Катушка – сопротивлением обмотки, конденсатор – сопротивлением токам утечки. В этом случае при большой добротности катушки или конденсатора активное сопротивление может оказаться функцией частоты.
Под добротностью катушки будем понимать отношение её индуктивного сопротивления к активному.
Под добротностью конденсатора – отношение его емкостного сопротивления к активному
.
Рассмотрим цепь, содержащую реальные катушку и конденсатор, представленную на рис. 6.9.
Условием резонанса токов в такой цепи является равенство нулю реактивной проводимости .
![]() |
Резонанс является одним из самых распространенных в природе резонанса можно наблюдать в механических, электрических и даже тепловых системах. Без резонанса у нас не было бы радио, телевидения, музыки и даже качелей на детских площадках, не говоря уже об эффективнейших диагностических системах, применяемых в современной медицине. Одним из самых интересных и полезных видов резонанса в электрической цепи является резонанс напряжений.
Явление резонанса может возникнуть в так называемой RLC-цепи, содержащей следующие компоненты:
Ключевыми элементами резонансного контура являются индуктивность (L) и емкость (C). Резистор имеет тенденцию к гашению колебаний, поэтому он удаляет энергию из контура. При рассмотрении процессов, происходящих в колебательном контуре, мы его временно игнорируем, но необходимо помнить, что подобно силе трения в механических системах электрическое сопротивление в цепях невозможно устранить.
В зависимости от способа соединения ключевых элементов резонансный контур может быть последовательным и параллельным. При подключении последовательного колебательного контура к источнику напряжения с частотой сигнала, совпадающей с собственной частотой, при определенных условиях в нем возникает резонанс напряжений. Резонанс в электрической цепи с параллельно соединенными реактивными элементами называется резонансом токов.
Мы можем заставить систему колебаться с собственной частотой. Для этого сначала необходимо зарядить конденсатор, как показано на верхнем рисунке слева. Когда это будет выполнено, ключ переводится в положение, показанное на том же рисунке справа.
В момент времени "0" вся электрическая энергия сохраняется в конденсаторе, и ток в контуре равен нулю (рисунок внизу). Обратите внимание, что верхняя пластина конденсатора заряжена положительно, а нижняя - отрицательно. Мы не можем видеть колебания электронов в цепи, но мы можем измерить ток амперметром, а при помощи осциллоскопа отследить характер зависимости тока от времени. Отметим, что T на нашем графике - это время, необходимое для завершения одного колебания, носящего в электротехнике название "период колебания".
Ток течет по часовой стрелке (рисунок внизу). Энергия передается из конденсатора в На первый взгляд может показаться странным, что индуктивность содержит энергию, однако это похоже на кинетическую энергию, содержащуюся в движущейся массе.
Поток энергии возвращается обратно в конденсатор, но обратите внимание, что полярность конденсатора теперь изменилась. Другими словами, нижняя пластина теперь имеет положительный заряд, а верхняя пластина - отрицательный заряд (рисунок внизу).
Теперь система полностью обратилась, и энергия начинает поступать из конденсатора опять в индуктивность (рисунок внизу). В итоге энергия полностью возвращается к своей отправной точке и готова начать цикл заново.
Частота колебаний может быть аппроксимирована следующим образом:
где: F - частота, L - индуктивность, C - емкость.
Рассмотренный на этом примере процесс отражает физическую суть резонанса напряжений.
В реальных схемах LC всегда присутствует небольшое сопротивление, которое с каждым циклом уменьшает прирост амплитуды тока. После нескольких циклов ток уменьшается до нуля. Этот эффект называется "затухание синусоидального сигнала". Скорость затухания тока до нулевого значения зависит от величины сопротивления в цепи. Тем не менее, сопротивление не изменяет частоту колебаний резонансного контура. Если сопротивление достаточно велико, синусоидальные колебания в контуре не возникнут вообще.
Очевидно, там, где существует собственная частота колебаний, есть возможность возбуждения резонансного процесса. Мы делаем это, включая в последовательную цепь источник питания (АС), как показано на рисунке слева. Термин "переменный" означает, что выходное напряжение источника колеблется с определенной частотой. Если частота источника питания совпадает с собственной частотой контура, возникает резонанс напряжений.
Сейчас мы рассмотрим условия возникновения резонанса напряжений. Как показано на последнем рисунке, мы вернули резистор в контур. При отсутствии резистора в контуре ток в резонансной цепи будет нарастать до некоторого максимального значения, определяемого параметрами элементов контура и мощностью источника питания. Увеличение сопротивления резистора в резонансной цепи повышает тенденцию к затуханию тока в контуре, но не влияет на частоту резонансных колебаний. Как правило, режим резонанса напряжений не наступает, если сопротивление цепи резонанса удовлетворяет условию R = 2(L/C) 0,5 .
Явление резонанса напряжений является не только любопытнейшим физическим феноменом. Оно играет исключительную роль в технологии беспроводных коммуникаций - радио, телевидении, сотовой телефонии. Передатчики, используемые для беспроводной передачи информации, в обязательном порядке содержат схемы, предназначенные для резонирования на определенной для каждого устройства частоте, называемой несущей частотой. При помощи передающей антенны, подключенной к передатчику, он излучает на несущей частоте.
Антенна на другом конце приемо-передающего тракта получает этот сигнал и подает его на приемный контур, предназначенный для резонирования на частоте несущей. Очевидно, что антенна принимает множество сигналов на различных частотах, не говоря уже о фоновом шуме. Благодаря наличию на входе приемного устройства, настроенного на несущую частоту резонансного контура, приемник выбирает единственно правильную частоту, отсеивая все ненужные.
После детектирования амплитудно-модулированного (AM) радиосигнала, выделенный из него низкочастотный сигнал (НЧ) усиливается и подается на звуковоспроизводящее устройство. Это простейшая форма радиопередачи очень чувствительна к шумам и помехам.
Для повышения качества принимаемой информации разработаны и успешно используются другие, более совершенные способы передачи радиосигнала, которые также базируются на использовании настроенных резонансных систем.
Или FM-радио решает многие из проблем радиопередачи с амплитудно-модулированным передающим сигналом, однако это достигается ценой существенного усложнения системы передачи. В FM-радио системные звуки в электронном тракте превращаются в небольшие изменения несущей частоты. Часть оборудования, которое выполняет это преобразование, называется "модулятор" и используется с передатчиком.
Соответственно, к приемнику должен быть добавлен демодулятор для преобразования сигнала обратно в форму, которая может быть воспроизведена через громкоговоритель.
Резонанс напряжений как основополагающий принцип заложен также в схемотехнике многочисленных фильтров, широко применяемых в электротехнике для устранения вредных и ненужных сигналов, сглаживания пульсаций и генерирования синусоидальных сигналов.