Συντονισμός τάσης

Εάν το κύκλωμα AC είναι συνδεδεμένο σε σειρά επαγωγέας και πυκνωτής, τότε με τον δικό τους τρόπο επηρεάζουν τη γεννήτρια που τροφοδοτεί το κύκλωμα και τις συνδέσεις φάσης μεταξύ ρεύματος και τάσης.

Ένας επαγωγέας εισάγει μια μετατόπιση φάσης όπου το ρεύμα καθυστερεί την τάση κατά ένα τέταρτο της περιόδου, ενώ ένας πυκνωτής, αντίθετα, κάνει την τάση στο κύκλωμα να καθυστερεί το ρεύμα κατά ένα τέταρτο της περιόδου. Έτσι, η επίδραση της επαγωγικής αντίστασης στη μετατόπιση φάσης μεταξύ ρεύματος και τάσης σε ένα κύκλωμα είναι αντίθετη από την επίδραση της χωρητικής αντίστασης.

Αυτό οδηγεί στο γεγονός ότι η συνολική μετατόπιση φάσης μεταξύ ρεύματος και τάσης στο κύκλωμα εξαρτάται από την αναλογία των τιμών επαγωγικής και χωρητικής αντίστασης.

Εάν η τιμή της χωρητικής αντίστασης του κυκλώματος είναι μεγαλύτερη από την επαγωγική, τότε το κύκλωμα έχει χωρητικό χαρακτήρα, δηλαδή η τάση υστερεί σε σχέση με το ρεύμα σε φάση. Αν, αντίθετα, η επαγωγική αντίσταση του κυκλώματος είναι μεγαλύτερη από την χωρητική, τότε η τάση οδηγεί το ρεύμα και επομένως το κύκλωμα είναι επαγωγικό.

Η συνολική αντίσταση Xtot του κυκλώματος που εξετάζουμε προσδιορίζεται προσθέτοντας την επαγωγική αντίσταση του πηνίου XL και τη χωρητική αντίσταση του πυκνωτή XC.

Αλλά δεδομένου ότι η δράση αυτών των αντιστάσεων στο κύκλωμα είναι αντίθετη, τότε σε μία από αυτές, δηλαδή στο Xc, εκχωρείται σύμβολο μείον και η συνολική αντίδραση καθορίζεται από τον τύπο:

Εφαρμόστε σε αυτό το κύκλωμα Νόμος του Ohm, παίρνουμε:

Αυτός ο τύπος μπορεί να μετασχηματιστεί ως εξής:

Στην εξίσωση που προκύπτει, AzxL — η πραγματική τιμή της συνιστώσας της συνολικής τάσης του κυκλώματος, η οποία θα ξεπεράσει την επαγωγική αντίσταση του κυκλώματος, και AzNSC — η πραγματική τιμή της συνιστώσας της συνολικής τάσης του κυκλώματος, η οποία θα ξεπεράστε την χωρητική αντίσταση.

Έτσι, η συνολική τάση ενός κυκλώματος που αποτελείται από μια σειριακή σύνδεση ενός πηνίου και ενός πυκνωτή μπορεί να θεωρηθεί ότι αποτελείται από δύο όρους, οι τιμές των οποίων εξαρτώνται από τις τιμές της επαγωγικής και χωρητικής αντίστασης του κύκλωμα.

Πιστεύαμε ότι ένα τέτοιο κύκλωμα δεν έχει ενεργή αντίσταση. Ωστόσο, σε περιπτώσεις όπου η ενεργή αντίσταση του κυκλώματος δεν είναι πλέον τόσο μικρή ώστε να είναι αμελητέα, η συνολική αντίσταση του κυκλώματος προσδιορίζεται από τον ακόλουθο τύπο:

όπου R είναι η συνολική ενεργή αντίσταση του κυκλώματος, XL -NSC — η συνολική του αντίδραση. Προχωρώντας στον τύπο του νόμου του Ohm, έχουμε το δικαίωμα να γράψουμε:

Συντονισμός τάσης AC

Οι επαγωγικές και οι χωρητικές αντιστάσεις που συνδέονται σε σειρά προκαλούν λιγότερη μετατόπιση φάσης μεταξύ ρεύματος και τάσης σε ένα κύκλωμα εναλλασσόμενου ρεύματος από ό,τι αν περιλαμβάνονταν στο κύκλωμα χωριστά.

Με άλλα λόγια, από την ταυτόχρονη δράση αυτών των δύο αντιδράσεων διαφορετικής φύσης στο κύκλωμα, προκύπτει αντιστάθμιση (αμοιβαία καταστροφή) της μετατόπισης φάσης.

Πλήρης αποζημίωση, δηλ. Η πλήρης εξάλειψη της μετατόπισης φάσης μεταξύ ρεύματος και τάσης σε ένα τέτοιο κύκλωμα θα συμβεί όταν η επαγωγική αντίσταση είναι ίση με την χωρητική αντίσταση του κυκλώματος, δηλαδή όταν XL = XC ή, που είναι το ίδιο, όταν ωL = 1 / ωC.

Σε αυτή την περίπτωση, το κύκλωμα θα συμπεριφέρεται ως καθαρά ενεργή αντίσταση, δηλαδή σαν να μην έχει ούτε πηνίο ούτε πυκνωτή. Η τιμή αυτής της αντίστασης καθορίζεται από το άθροισμα των ενεργών αντιστάσεων του πηνίου και των συρμάτων σύνδεσης. Στο οποίο ενεργό ρεύμα στο κύκλωμα θα είναι το μεγαλύτερο και καθορίζεται από τον τύπο του νόμου του Ohm I = U / Rόπου το Z αντικαθίσταται τώρα από το R.

Ταυτόχρονα, οι τάσεις που δρουν στο πηνίο UL = AzxL και στον πυκνωτή Uc = AzNSCC θα είναι ίσες και θα είναι όσο το δυνατόν μεγαλύτερες. Με χαμηλή ενεργό αντίσταση του κυκλώματος, αυτές οι τάσεις μπορεί να υπερβούν πολλές φορές τη συνολική τάση U των ακροδεκτών του κυκλώματος. Αυτό το ενδιαφέρον φαινόμενο ονομάζεται συντονισμός τάσης στην ηλεκτρική μηχανική.

Στο σχ. Το σχήμα 1 δείχνει τις καμπύλες των τάσεων, των ρευμάτων και της ισχύος στις τάσεις συντονισμού στο κύκλωμα.

Γράφημα ρεύματος τάσης και ισχύος σε συντονισμό τάσης

Θα πρέπει να ληφθεί υπόψη ότι οι αντιστάσεις XL και C είναι μεταβλητές που εξαρτώνται από τη συχνότητα του ρεύματος και αξίζει τουλάχιστον να αλλάξετε ελαφρώς τη συχνότητά του, για παράδειγμα, να την αυξήσετε καθώς θα αυξηθεί το XL = ωL και το XSC = = 1 / ωC θα μειωθεί και έτσι ο συντονισμός τάσης στο κύκλωμα θα διαταραχθεί αμέσως, ενώ μαζί με την ενεργή αντίσταση θα εμφανιστεί και η αντίδραση στο κύκλωμα. Το ίδιο θα συμβεί αν αλλάξετε την τιμή της αυτεπαγωγής ή της χωρητικότητας του κυκλώματος.

Με τον συντονισμό τάσης, η ισχύς της πηγής ρεύματος θα δαπανηθεί μόνο για να ξεπεραστεί η ενεργή αντίσταση του κυκλώματος, δηλαδή για να θερμανθούν τα καλώδια.

Μάλιστα, σε ένα κύκλωμα με ένα μόνο επαγωγικό πηνίο, συμβαίνουν διακυμάνσεις ενέργειας, δηλ. περιοδική μεταφορά ενέργειας από τη γεννήτρια προς μαγνητικό πεδίο πηνία. Σε ένα κύκλωμα με πυκνωτή συμβαίνει το ίδιο, αλλά λόγω της ενέργειας του ηλεκτρικού πεδίου του πυκνωτή. Σε ένα κύκλωμα με πυκνωτή και επαγωγέα σε συντονισμό τάσης (ΧL = XС), η ενέργεια, μόλις αποθηκευτεί από το κύκλωμα, περνά περιοδικά από το πηνίο στον πυκνωτή και αντίστροφα, και μόνο η κατανάλωση ενέργειας που απαιτείται για να ξεπεραστεί η ενεργή αντίσταση του το κύκλωμα πέφτει στο μερίδιο της πηγής ρεύματος. Επομένως, η ανταλλαγή ενέργειας πραγματοποιείται μεταξύ του πυκνωτή και του πηνίου σχεδόν χωρίς τη συμμετοχή της γεννήτριας.

Αρκεί να σπάσει κανείς έναν συντονισμό τάσης κατά τιμή, πώς η ενέργεια του μαγνητικού πεδίου του πηνίου γίνεται άνιση με την ενέργεια του ηλεκτρικού πεδίου του πυκνωτή και στη διαδικασία ανταλλαγής ενέργειας μεταξύ αυτών των πεδίων, μια περίσσεια ενέργειας θα εμφανίζεται, το οποίο θα ρέει περιοδικά από την πηγή στο κύκλωμα και στη συνέχεια θα το τροφοδοτεί πίσω σε αυτό στο κύκλωμα.

Αυτό το φαινόμενο μοιάζει πολύ με αυτό που συμβαίνει σε έναν ρολόι. Το εκκρεμές ενός ρολογιού θα μπορούσε να ταλαντώνεται συνεχώς χωρίς τη βοήθεια ενός ελατηρίου (ή ενός βάρους σε έναν περιπατητή ρολογιού) εάν δεν υπήρχαν οι δυνάμεις τριβής που επιβραδύνουν την κίνησή του.

Το ελατήριο, μεταδίδοντας μέρος της ενέργειάς του στο εκκρεμές την κατάλληλη στιγμή, το βοηθά να ξεπεράσει τις δυνάμεις της τριβής, επιτυγχάνοντας έτσι τη συνέχεια της ταλάντωσης.

Ομοίως, σε ένα ηλεκτρικό κύκλωμα, όταν εμφανίζεται συντονισμός σε αυτό, η πηγή ρεύματος ξοδεύει την ενέργειά της μόνο για να υπερνικήσει την ενεργό αντίσταση του κυκλώματος, βοηθώντας έτσι την ταλαντωτική διαδικασία σε αυτό.

Έτσι καταλήγουμε στο συμπέρασμα ότι ένα κύκλωμα εναλλασσόμενου ρεύματος, αποτελούμενο από γεννήτρια και σε σειρά συνδεδεμένο επαγωγέα και πυκνωτή, υπό ορισμένες συνθήκες XL = XС γίνεται ταλαντούμενο σύστημα... Αυτό το κύκλωμα ονομάστηκε κύκλωμα ταλάντωσης.

Από την εξίσωση XL = XС είναι δυνατό να προσδιοριστούν οι τιμές της συχνότητας της γεννήτριας στην οποία εμφανίζεται το φαινόμενο του συντονισμού τάσης:

Σημασία χωρητικότητας και επαγωγής του κυκλώματος όπου εμφανίζεται συντονισμός τάσης:

Έτσι, αλλάζοντας οποιοδήποτε από αυτά τα τρία μεγέθη (eres, L και C), είναι δυνατό να προκληθεί συντονισμός τάσης στο κύκλωμα, δηλαδή να μετατραπεί το κύκλωμα σε ταλαντούμενο κύκλωμα.

Ένα παράδειγμα χρήσιμης εφαρμογής συντονισμού τάσης: Το κύκλωμα εισόδου ενός δέκτη ρυθμίζεται από έναν μεταβλητό πυκνωτή (ή μεταβλητόμετρο) με τέτοιο τρόπο ώστε να εμφανίζεται συντονισμός τάσης σε αυτό. Αυτό επιτυγχάνει μεγάλη αύξηση της τάσης του πηνίου που απαιτείται για την κανονική λειτουργία του δέκτη σε σύγκριση με την τάση κυκλώματος που δημιουργείται από την κεραία.

Μαζί με τη χρήσιμη χρήση του φαινομένου του συντονισμού τάσης στην ηλεκτρική μηχανική, υπάρχουν συχνά περιπτώσεις όπου ο συντονισμός τάσης είναι επιβλαβής.Μεγάλη αύξηση της τάσης σε επιμέρους τμήματα του κυκλώματος (στο πηνίο ή στον πυκνωτή) σε σύγκριση με την τάση της γεννήτριας μπορεί να προκαλέσει ζημιά σε ξεχωριστά εξαρτήματα και συσκευές μέτρησης.