Εφαρμογή συντονισμού τάσης και συντονισμού ρεύματος
Σε ένα ταλαντωτικό κύκλωμα επαγωγής L, χωρητικότητας C και αντίστασης R, οι ελεύθερες ηλεκτρικές ταλαντώσεις τείνουν να αποσβένονται. Για να αποτρέψετε την απόσβεση των ταλαντώσεων, είναι απαραίτητο να ανανεώνετε περιοδικά το κύκλωμα με ενέργεια, στη συνέχεια θα εμφανιστούν αναγκαστικές ταλαντώσεις, οι οποίες δεν θα εξασθενήσουν, καθώς η εξωτερική μεταβλητή EMF θα υποστηρίζει ήδη τις ταλαντώσεις στο κύκλωμα.
Εάν οι ταλαντώσεις υποστηρίζονται από μια πηγή εξωτερικού αρμονικού EMF, της οποίας η συχνότητα f είναι πολύ κοντά στη συχνότητα συντονισμού του κυκλώματος ταλάντωσης F, τότε το πλάτος των ηλεκτρικών ταλαντώσεων U στο κύκλωμα θα αυξηθεί απότομα, δηλ. φαινόμενο ηλεκτρικού συντονισμού.
Χωρητικότητα κυκλώματος AC
Ας εξετάσουμε πρώτα τη συμπεριφορά του πυκνωτή C στο κύκλωμα AC.Εάν ένας πυκνωτής C είναι συνδεδεμένος στη γεννήτρια, η τάση U στους ακροδέκτες της οποίας αλλάζει σύμφωνα με τον αρμονικό νόμο, τότε το φορτίο στις πλάκες πυκνωτών θα αρχίσει να αλλάζει σύμφωνα με τον αρμονικό νόμο, παρόμοιο με το ρεύμα I στο κύκλωμα . Όσο μεγαλύτερη είναι η χωρητικότητα του πυκνωτή και όσο μεγαλύτερη είναι η συχνότητα f του αρμονικού emf που εφαρμόζεται σε αυτόν, τόσο μεγαλύτερο είναι το ρεύμα I.
Το γεγονός αυτό σχετίζεται με την ιδέα του λεγόμενου Χωρητικότητα του πυκνωτή XC, τον οποίο εισάγει στο κύκλωμα εναλλασσόμενου ρεύματος, περιορίζοντας το ρεύμα, παρόμοια με την ενεργή αντίσταση R, αλλά σε σύγκριση με την ενεργή αντίσταση, ο πυκνωτής δεν διαχέει ενέργεια με τη μορφή θερμότητας.
Εάν η ενεργή αντίσταση διαχέει την ενέργεια και έτσι περιορίζει το ρεύμα, τότε ο πυκνωτής περιορίζει το ρεύμα απλώς και μόνο επειδή δεν έχει χρόνο να αποθηκεύσει περισσότερο φορτίο από αυτό που μπορεί να δώσει η γεννήτρια σε ένα τέταρτο, επιπλέον, στο επόμενο τέταρτο της περιόδου, ο πυκνωτής απελευθερώνει την ενέργεια που συσσωρεύεται στο ηλεκτρικό πεδίο του διηλεκτρικού του, πίσω στη γεννήτρια, δηλαδή, αν και το ρεύμα είναι περιορισμένο, η ενέργεια δεν διαχέεται (θα παραμελήσουμε τις απώλειες στα καλώδια και στο διηλεκτρικό).
Επαγωγή AC
Τώρα εξετάστε τη συμπεριφορά μιας αυτεπαγωγής L σε ένα κύκλωμα AC.Εάν, αντί για πυκνωτή, ένα πηνίο επαγωγής L είναι συνδεδεμένο στη γεννήτρια, τότε όταν ένα ημιτονοειδές (αρμονικό) EMF τροφοδοτείται από τη γεννήτρια στους ακροδέκτες του πηνίου, θα αρχίσει να εμφανίζεται ένα EMF αυτοεπαγωγής. γιατί όταν το ρεύμα διαμέσου της επαγωγής αλλάζει, το αυξανόμενο μαγνητικό πεδίο του πηνίου τείνει να εμποδίζει την αύξηση του ρεύματος (νόμος του Lenz), δηλαδή, το πηνίο φαίνεται να εισάγει μια επαγωγική αντίσταση XL στο κύκλωμα AC — εκτός από το καλώδιο αντίσταση R.
Όσο μεγαλύτερη είναι η επαγωγή ενός δεδομένου πηνίου και όσο υψηλότερη είναι η συχνότητα F του ρεύματος της γεννήτριας, τόσο μεγαλύτερη είναι η επαγωγική αντίσταση XL και τόσο μικρότερο το ρεύμα I γιατί το ρεύμα απλά δεν έχει χρόνο να σταθεροποιηθεί επειδή το EMF της αυτεπαγωγής του το πηνίο παρεμβαίνει σε αυτό. Και κάθε τέταρτο της περιόδου, η ενέργεια που αποθηκεύεται στο μαγνητικό πεδίο του πηνίου επιστρέφεται στη γεννήτρια (προς το παρόν θα αγνοήσουμε τις απώλειες στα καλώδια).
Αντίσταση, λαμβάνοντας υπόψη το R
Σε κάθε πραγματικό κύκλωμα ταλάντωσης, η αυτεπαγωγή L, η χωρητικότητα C και η ενεργή αντίσταση R συνδέονται σε σειρά.
Η επαγωγή και η χωρητικότητα δρουν στο ρεύμα με τον αντίθετο τρόπο σε κάθε τέταρτο της περιόδου του αρμονικού EMF της πηγής: στις πλάκες του πυκνωτή η τάση αυξάνεται κατά τη φόρτιση, αν και το ρεύμα μειώνεται, και καθώς το ρεύμα αυξάνεται μέσω της αυτεπαγωγής, το ρεύμα, αν και παρουσιάζει επαγωγική αντίσταση, αλλά αυξάνεται και διατηρείται.
Και κατά την εκφόρτιση: το ρεύμα εκφόρτισης του πυκνωτή είναι αρχικά μεγάλο, η τάση στις πλάκες του τείνει να δημιουργήσει μεγάλο ρεύμα και η αυτεπαγωγή εμποδίζει την αύξηση του ρεύματος και όσο μεγαλύτερη είναι η επαγωγή, τόσο χαμηλότερο θα είναι το ρεύμα εκφόρτισης. Στην περίπτωση αυτή, η ενεργή αντίσταση R εισάγει αμιγώς ενεργές απώλειες. Δηλαδή, η σύνθετη αντίσταση Z των L, C και R που συνδέονται σε σειρά, στη συχνότητα πηγής f, θα είναι ίση με:
Ο νόμος του Ohm για το εναλλασσόμενο ρεύμα
Από τον νόμο του Ohm για το εναλλασσόμενο ρεύμα, είναι προφανές ότι το πλάτος των εξαναγκασμένων ταλαντώσεων είναι ανάλογο με το πλάτος του EMF και εξαρτάται από τη συχνότητα. Η συνολική αντίσταση του κυκλώματος θα είναι η μικρότερη και το πλάτος του ρεύματος θα είναι το μεγαλύτερο, με την προϋπόθεση ότι η επαγωγική αντίσταση και η χωρητικότητα σε μια δεδομένη συχνότητα είναι ίσες μεταξύ τους, οπότε θα προκύψει συντονισμός. Ένας τύπος για τη συχνότητα συντονισμού του κυκλώματος ταλάντωσης προκύπτει επίσης από εδώ:
Συντονισμός τάσης
Όταν η πηγή EMF, η χωρητικότητα, η επαγωγή και η αντίσταση συνδέονται σε σειρά μεταξύ τους, τότε ο συντονισμός σε ένα τέτοιο κύκλωμα ονομάζεται συντονισμός σειράς ή συντονισμός τάσης. Ένα χαρακτηριστικό γνώρισμα του συντονισμού τάσης είναι οι σημαντικές τάσεις στην χωρητικότητα και στην αυτεπαγωγή σε σύγκριση με το EMF της πηγής.
Ο λόγος για την εμφάνιση μιας τέτοιας εικόνας είναι προφανής. Στην ενεργό αντίσταση, σύμφωνα με το νόμο του Ohm, θα υπάρχει μια τάση Ur, στην χωρητικότητα Uc, στην επαγωγή Ul, και αφού κάνουμε τον λόγο Uc προς Ur, μπορούμε να βρούμε την τιμή του συντελεστή ποιότητας Q.Η τάση σε όλη την χωρητικότητα θα είναι Q φορές το EMF της πηγής, η ίδια τάση θα εφαρμοστεί στην αυτεπαγωγή.
Δηλαδή, ο συντονισμός τάσης οδηγεί σε αύξηση της τάσης στα αντιδρώντα στοιχεία κατά συντελεστή Q και το συντονιστικό ρεύμα θα περιοριστεί από το EMF της πηγής, την εσωτερική αντίσταση της και την ενεργό αντίσταση του κυκλώματος R. Έτσι , η αντίσταση του κυκλώματος σειράς στη συχνότητα συντονισμού είναι ελάχιστη.
Εφαρμόστε συντονισμό τάσης
Το φαινόμενο του συντονισμού τάσης χρησιμοποιείται σε ηλεκτρικά φίλτρα διαφόρων τύπων, για παράδειγμα, εάν είναι απαραίτητο να αφαιρέσετε ένα στοιχείο ρεύματος μιας συγκεκριμένης συχνότητας από το μεταδιδόμενο σήμα, τότε ένα κύκλωμα ενός πυκνωτή και ενός επαγωγέα συνδεδεμένου σε σειρά τοποθετείται παράλληλα με τον δέκτη, έτσι ώστε το ρεύμα συχνότητας συντονισμού αυτού Το κύκλωμα LC θα έκλεινε μέσω αυτού και δεν θα φτάσουν στον δέκτη.
Τότε ρεύματα μιας συχνότητας μακριά από τη συχνότητα συντονισμού του κυκλώματος LC θα περάσουν ανεμπόδιστα στο φορτίο και μόνο ρεύματα κοντά στον συντονισμό σε συχνότητα θα βρουν τη συντομότερη διαδρομή μέσω του κυκλώματος LC.
Ή αντιστρόφως. Εάν είναι απαραίτητο να περάσει μόνο ένα ρεύμα συγκεκριμένης συχνότητας, τότε το κύκλωμα LC συνδέεται σε σειρά με τον δέκτη, τότε τα στοιχεία του σήματος στη συχνότητα συντονισμού του κυκλώματος θα περάσουν στο φορτίο σχεδόν χωρίς απώλειες και οι συχνότητες μακριά από τον συντονισμό θα εξασθενήσουν σημαντικά και μπορούμε να πούμε ότι δεν θα φτάσουν καθόλου στο φορτίο. Αυτή η αρχή εφαρμόζεται σε ραδιοφωνικούς δέκτες όπου ένα ρυθμιζόμενο ταλαντευόμενο κύκλωμα είναι συντονισμένο ώστε να λαμβάνει μια αυστηρά καθορισμένη συχνότητα του επιθυμητού ραδιοφωνικού σταθμού.
Γενικά, ο συντονισμός τάσης στην ηλεκτρική μηχανική είναι ένα ανεπιθύμητο φαινόμενο επειδή προκαλεί υπέρταση και ζημιά στον εξοπλισμό.
Ένα απλό παράδειγμα είναι μια μακρά γραμμή καλωδίου, η οποία για κάποιο λόγο αποδείχθηκε ότι δεν συνδέεται με το φορτίο, αλλά ταυτόχρονα τροφοδοτείται από έναν ενδιάμεσο μετασχηματιστή. Μια τέτοια γραμμή με κατανεμημένη χωρητικότητα και αυτεπαγωγή, εάν η συχνότητα συντονισμού της συμπίπτει με τη συχνότητα του δικτύου τροφοδοσίας, απλά θα κοπεί και θα αποτύχει. Για να αποφευχθεί η ζημιά του καλωδίου από τυχαία τάση συντονισμού, εφαρμόζεται ένα πρόσθετο φορτίο.
Αλλά μερικές φορές ο συντονισμός τάσης παίζει στα χέρια μας, όχι μόνο τα ραδιόφωνα. Για παράδειγμα, συμβαίνει ότι σε αγροτικές περιοχές η τάση στο δίκτυο έχει πέσει απρόβλεπτα και το μηχάνημα χρειάζεται τάση τουλάχιστον 220 βολτ. Σε αυτή την περίπτωση, το φαινόμενο του συντονισμού τάσης εξοικονομεί.
Αρκεί να συμπεριλάβετε αρκετούς πυκνωτές ανά φάση σε σειρά με το μηχάνημα (αν η κίνηση σε αυτό είναι ασύγχρονος κινητήρας) και έτσι η τάση στις περιελίξεις του στάτη θα αυξηθεί.
Εδώ είναι σημαντικό να επιλέξετε τον σωστό αριθμό πυκνωτών, ώστε να αντισταθμίζουν ακριβώς την πτώση τάσης στο δίκτυο με τη χωρητική τους αντίσταση μαζί με την επαγωγική αντίσταση των περιελίξεων, δηλαδή, πλησιάζοντας ελαφρά το κύκλωμα στον συντονισμό, μπορείτε να αυξήσετε πτώση τάσης ακόμη και υπό φορτίο.
Συντονισμός ρευμάτων
Όταν η πηγή EMF, η χωρητικότητα, η επαγωγή και η αντίσταση συνδέονται παράλληλα μεταξύ τους, τότε ο συντονισμός σε ένα τέτοιο κύκλωμα ονομάζεται παράλληλος συντονισμός ή συντονισμός ρεύματος.Ένα χαρακτηριστικό γνώρισμα του συντονισμού ρεύματος είναι τα σημαντικά ρεύματα μέσω της χωρητικότητας και της επαγωγής σε σύγκριση με το ρεύμα πηγής.
Ο λόγος για την εμφάνιση μιας τέτοιας εικόνας είναι προφανής. Το ρεύμα μέσω της ενεργού αντίστασης σύμφωνα με το νόμο του Ohm θα είναι ίσο με U / R, μέσω της χωρητικότητας U / XC, μέσω της επαγωγής U / XL και συνθέτοντας την αναλογία IL προς I, μπορείτε να βρείτε την τιμή του παράγοντα ποιότητας Ε. Το ρεύμα μέσω της αυτεπαγωγής θα είναι Q φορές το ρεύμα της πηγής, το ίδιο ρεύμα θα ρέει κάθε μισή περίοδο μέσα και έξω από τον πυκνωτή.
Δηλαδή, ο συντονισμός των ρευμάτων οδηγεί σε αύξηση του ρεύματος μέσω των αντιδρώντων στοιχείων κατά συντελεστή Q και το συντονιστικό EMF θα περιοριστεί από το emf της πηγής, την εσωτερική αντίστασή του και την ενεργό αντίσταση του κυκλώματος R. Έτσι, στη συχνότητα συντονισμού, η αντίσταση του παράλληλου ταλαντούμενου κυκλώματος είναι μέγιστη.
Εφαρμογή ρευμάτων συντονισμού
Όπως ο συντονισμός τάσης, ο συντονισμός ρεύματος χρησιμοποιείται σε διάφορα φίλτρα. Αλλά συνδεδεμένο με το κύκλωμα, το παράλληλο κύκλωμα ενεργεί με τον αντίθετο τρόπο από ό,τι στην περίπτωση της σειράς: εγκατεστημένο παράλληλα με το φορτίο, το παράλληλο κύκλωμα ταλάντωσης θα επιτρέψει στο ρεύμα της συχνότητας συντονισμού του κυκλώματος να περάσει στο φορτίο , γιατί η αντίσταση του ίδιου του κυκλώματος στη δική του συχνότητα συντονισμού είναι μέγιστη.
Εγκατεστημένο σε σειρά με το φορτίο, το παράλληλο ταλαντούμενο κύκλωμα δεν θα μεταδίδει το σήμα συχνότητας συντονισμού, επειδή όλη η τάση θα πέσει στο κύκλωμα και το φορτίο θα έχει ένα μικρό μέρος του σήματος συχνότητας συντονισμού.
Έτσι, η κύρια εφαρμογή του συντονισμού ρεύματος στη ραδιομηχανική είναι η δημιουργία μεγάλης αντίστασης για ρεύμα συγκεκριμένης συχνότητας σε γεννήτριες σωλήνων και ενισχυτές υψηλής συχνότητας.
Στην ηλεκτρική μηχανική, ο συντονισμός ρεύματος χρησιμοποιείται για την επίτευξη υψηλού συντελεστή ισχύος φορτίων με σημαντικά επαγωγικά και χωρητικά εξαρτήματα.
Για παράδειγμα, Μονάδες αντιστάθμισης άεργου ισχύος (KRM) είναι πυκνωτές που συνδέονται παράλληλα με τις περιελίξεις ασύγχρονων κινητήρων και μετασχηματιστών που λειτουργούν υπό φορτίο κάτω από το ονομαστικό.
Τέτοιες λύσεις καταφεύγουν ακριβώς για να επιτευχθεί συντονισμός ρευμάτων (παράλληλος συντονισμός), όταν η επαγωγική αντίσταση του εξοπλισμού είναι ίση με τη χωρητικότητα των συνδεδεμένων πυκνωτών στη συχνότητα του δικτύου, έτσι ώστε η άεργος ενέργεια να κυκλοφορεί μεταξύ των πυκνωτών και εξοπλισμό, και όχι μεταξύ του εξοπλισμού και του δικτύου. έτσι το δίκτυο εκπέμπει ισχύ μόνο όταν ο εξοπλισμός είναι φορτισμένος και καταναλώνει ενεργή ισχύ.
Όταν ο εξοπλισμός δεν λειτουργεί, το δίκτυο αποδεικνύεται ότι είναι συνδεδεμένο παράλληλα με το κύκλωμα συντονισμού (εξωτερικοί πυκνωτές και η αυτεπαγωγή του εξοπλισμού), το οποίο αντιπροσωπεύει μια πολύ μεγάλη σύνθετη αντίσταση για το δίκτυο και επιτρέπει τη μείωση συντελεστής ισχύος.