Rezonans napięć i prądów

Celem ćwiczenia jest poznanie zjawisk zachodzących w obwodach zawierających elementy RLC zasilanych napięciem o zmiennej częstotliwości.

1. Wiadomości ogólne

Zjawisko rezonansu występuje w różnorodnych układach fizycznych i pojawia się wtedy, gdy układ jest poddany pobudzeniom okresowym fźr o częstotliwości równej częstotliwości drgań własnych układu fw, czyli fw=fźr.

W rezonansie elektrycznym częstotliwość źródła równa jest częstotliwości własnej obwodu, która zależy od wartości indukcyjności L i pojemności C. Warunkiem koniecznym (ale nie dostatecznym) wystąpienia rezonansu elektrycznego jest to, aby obwód zawierał zarówno kondensatory, jak i cewki.

Rezonans można zdefiniować również jako stan obwodu, w którym reaktancja odbiornika lub susceptancja odbiornika są równe zeru.

Jeżeli w odbiorniku istnieje szeregowe połączenie elementów R, L, C i jest prawdziwy warunek x = 0, to występuje rezonans szeregowy nazywany również rezonansem napięć.

Jeżeli w odbiorniku istnieje równoległe połączenie elementów R, L, C i występuje warunek B=0 to odbiornik jest w stanie rezonansu równoległego nazywanego również rezonansem prądów.

Rys.2. Trójkąty impedancji: a) ; b)

Z analizy trójkątów rezystancji przedstawionych na rys.2 wynika, że dla przypadku rezonansu, tzn. prawdziwe są zależności: φ=0, Z=R, czyli w obwodzie z rezonansem nie ma przesunięcia fazowego między prądem i napięciem. Obwód zachowuje się tak, jakby istniała w nim tylko rezystancja.

W stanie rezonansu moc czynna wynosi:

a moc bierna:

gdyż φ=0.

Oznacza to, że cała energia elektryczna pobrana przez obwód przekształca się w ciepło w jego rezystancji R. Energia bierna przekazywana jest między elementami L i C z pominięciem źródła. Kolejna definicja rezonansu elektrycznego podaje, że jest to stan obwodu, w którym występuje całkowita wewnętrzna wymiana energii biernych.

Zjawisko rezonansu w obwodach elektrycznych ma duże znaczenie praktyczne zarówno   w technice wielkich częstotliwości, jak i w układach elektroener­getycznych. Jednym z podstawowych układów wchodzących w skład generato­rów wielkiej częstotliwości jest układ rezonansowy. Układy rezonansowe są stosowane zarówno w układach nadawczych stacji radiowych, jak i w urządze­niach odbiorczych. W urządzeniach teletransmisyjnych układy rezonansowe umożliwiają przekazywanie wielu sygnałów za pomocą jednej linii przesyłowej. Układy rezonansowe są także stosowane w wielu urządzeniach pomiarowych.

W urządzeniach elektroenergetycznych kompensacja prądów biernych indukcyjnych jest realizowana za pomocą kondensatorów lub kompensatorów synchronicznych. Polega to w swej istocie na tworzeniu układu rezonansowe­go, którego wypadkowy cos <φ jest bliski jedności.

W wielu sytuacjach układy rezonansowe mogą powstać w sposób przypadkowy, z czym są związane wszystkie dodatnie i ujemne skutki zjawiska rezonansu. Dość niebezpieczne w układach elektroenergetycznych jest powsta­wanie szeregowych układów rezonansowych przy małej rezystancji obwodu. Wtedy bowiem na elementach reaktancyjnych mogą powstać znaczne przepię­cia zwane przepięciami rezonansowymi.

Niebezpieczne zjawiska mogą powstawać np. w układzie utworzonym przez dołączenie do generatora lub transformatora linii kablowej lub napowie­trznej pracującej w stanie jałowym; generator lub transformator są urządzenia­mi o dużej indukcyjności, a linia lub kabel mają dużą pojemność. Wobec tego w układzie takim mogą powstać przepięcia rezonansowe wtedy, gdy częstot­liwość rezonansowa układu jest bliska częstotliwości źródła

1.1. Rezonans napięć

Rozpatrzmy obwód składający się z elementów R, L i C połączonych szeregowo - rys.3.

Rys.3. Obwód szeregowy R, L, C

Moduł impedancji Z w tym obwodzie:

                            (1)

gdzie  ,

oraz

                            (2.2)

Ponieważ przy rezonansie kąt przesunięcia fazowego między prądem i napięciem φ=0,

to:                                                                                   

                                                             tgφ=0,                                                     (3)

a stąd

                                           czyli                                                     (4)

gdzie              ω=2πf.

Równanie (4) pozwala określić warunki, jakie powinny być spełnione, aby w obwodzie z rys.3.  wystąpił rezonans.

W przypadku, gdy obwód zasilany jest ze źródła o stałej częstotliwości f, stan rezonansu można otrzymać regulując wartość indukcyjności L lub pojemności C (w praktyce dostraja się obwód do rezonansu stosując kondensator o regulowanej pojemności).

Aby uzyskać rezonans w obwodzie o ustalonych wartościach L i C, należy zastosować źródło napięcia o regulowanej częstotliwości. Częstotliwość, przy której wystąpi rezonans nazywamy częstotliwością rezonansową fr. Wartość częstotliwości fr  otrzymamy z równania (4)

                 lub                                               (6)

Wykres wskazowy obwodu szeregowego w stanie rezonansu przedstawia rys.4.

Rys.4. Wykres wskazowy szeregowego obwodu szeregowego RLC w stanie rezonansu napięć

Należy zauważyć, że w stanie rezonansu szeregowego, czyli rezonansu napięć, występuje równoważenie się napięć na cewce i kondensatorze . Przy pewnych wartościach rezystancji R, indukcyjności L i pojemności C - napięcia UL i UC mogą przybierać stosunkowo duże wartości, mimo że napięcie zasilające obwód U jest stosunkowo małe. Mówimy wówczas, że w obwodzie występują przepięcia.

Dla zilustrowania właściwości obwodu rezonansowego wykreśla się charakterystyki częstotliwościowe. Są to charakterystyki przedstawiające zależności prądu I, napięć UL oraz UC od częstotliwości napięcia źródła zasilającego obwód. Charakterystyki częstotliwościowe obwodu rezonansowego otrzymuje się na podstawie zależności:

                            (7)

                            (8)

                            (9)

Na rysunku 5 przedstawiono charakterystyki częstotliwościowe badanych wielkości.

Rys.5. Charakterystyki częstotliwościowe

W miarę zwiększania częstotliwości reaktancja indukcyjna XL wzrasta liniowo, zaś reaktancja pojemnościowa XC maleje hiperbolicznie. Przy małych częstotliwościach w obwodzie płynie prąd o małej wartości wyprzedzający napięcie o kąt bliski 90° (obwód ma wtedy charakter pojemnościowy). Przy wielkich częstotliwościach w obwodzie płynie prąd o małych wartościach opóźniony względem napięcia o kąt bliski 90° (obwód ma wtedy charakter indukcyjny).

Przy częstotliwości rezonansowej f=fr wartości reaktancji XL i XC są sobie równe, a prąd I osiąga największą wartość ograniczoną jedynie rezystancją R w obwodzie ().

Napięcie UC osiąga wartość maksymalną dla częstotliwości tuż przed rezonansem, natomiast napięcie UL tuż po rezonansie. Przy częstotliwości rezonansowej napięcia UC i UL są sobie równe.

Zależność prądu I w obwodzie od częstotliwości f (rys.5), nazywana jest często krzywą rezonansową obwodu. Kształt tej krzywej zależny jest głównie od stosunku reaktancji indukcyjnej XL do rezystancji R obwodu.

Iloraz ten nosi nazwę dobroci obwodu:

              =              (10)

Dobroć obwodu jest funkcją częstotliwości, przy częstotliwości rezonansowej przyjmuje ona wartość:

                            (11)

W stanie rezonansu napięcie na indukcyjności jest równe:

                            (12)

Napięcie to, równe napięciu na kondensatorze, może być Qr razy większe od napięcia zasilającego. Ten  Qr - krotny wzrost napięcia na kondensatorze lub cewce jest zjawiskiem niekorzystnym ze względu na możliwość przebicia kondensatora lub izolacji cewki, natomiast zjawiskiem korzystnym w przypadku wielu obwodów elektronicznych, uniemożliwiającym generowanie napięć o określonych częstotliwościach. W obwodach radiotechnicznych Q może przybierać wartości od 50 do 200.

Na rysunku 6 przedstawiono krzywe rezonansowe obwodów o różnych dobrociach.

Rys.6. Krzywe rezonansowe obwodów o różnych dobrociach Q

Ten sposób przedstawienia krzywych rezonansowych ułatwia znacznie analizę właściwości obwodu rezonansowego. Z rysunku 6 wynika, że im większa dobroć obwodu rezonansowego, tym ostrzejsza jest krzywa rezonansowa. Dobroć obwodu w zasadzie jest określona jakością cewki, ponieważ w niej koncentrują się prawie wszystkie straty energii w obwodzie. W obwodzie o dostatecznie dużej dobroci (rzędu kilkudziesięciu i więcej), nawet przy małych odstrojeniach od częstotliwości rezonansowej, prąd będzie gwałtownie malał w porównaniu z jego wartością przy rezonansie. Oznacza to, że tylko źródła o częstotliwościach zbliżonych do częstotliwości rezonansowej  obwodu mogą spowodować, że moduł impedancji obwodu rezonansowego jest równy jego rezystancji lub do niej zbliżony (1). Inaczej - obwód osiąga minimalną impedancję w określonym paśmie częstotliwości. Tę jego właściwość określa się mianem pasma przepuszczania obwodu, tzn. pasma - 2Df, w otoczeniu częstotliwości rezonansowej fr, w którego końcach wartość skuteczna prądu I w obwodzie spada do wartości tego prądu przy rezonansie (patrz rys.6). Szerokość pasma przepuszczania 2Df stanowi zwykle 0,3...2% częstotliwości rezonansowej.

Zdolność obwodu do przepuszczania prądów o częstotliwościach zbliżonych do częstotliwości rezonansowej i praktycznie nieprzepuszczania prądów o innych częstotliwościach nosi nazwę selektywności obwodu. Selektywność obwodu jest tym większa, im mniejsze jest jego pasmo przepuszczania, czyli im większą ma on dobroć. Selektywność obwodu jest szeroko wykorzystywana w radiotechnice.

1.2. Rezonans prądów

Rozpatrzmy obwód składający się z elementów R, L, C połączonych równolegle (rys.7)

Na rysunku 8 przedstawiono wykres wskazowy dla tego obwodu przy założeniu, że w obwodzie występuje rezonans, a więc kąt przesunięcia fazowego między prądem I, a napięciem U jest równy zeru.

W stanie rezonansu równoległego, czyli rezonansu prądów mamy:

co oznacza, że prądy w cewce i kondensatorze równoważą się.

Rys.7. Obwód równoległy R, L, C

Rys.8. Wykres wskazowy równoległego obwodu R, L, C w stanie rezonansu prądów

Ponieważ w stanie rezonansu

oraz        ,      

więc

                   lub                     (13)

Otrzymaliśmy w ten sposób wyrażenie, które musi być spełnione, aby obwód z rys.7 znalazł się w stanie rezonansu. Równanie (13) może być spełnione przez odpowiedni dobór indukcyjności L i pojemności C przy stałej częstotliwości f źródła napięcia zasilającego lub przez zmiany częstotliwości źródła, gdy stałe są wartości L i C.

Z zależności (13) otrzymujemy wyrażenie na częstotliwość rezonansową:

                            (14)

Częstotliwość rezonansowa w przypadku rezonansu prądów opisana jest za pomocą identycznej zależności jak częstotliwość przy rezonansie szeregowym.

Właściwości równoległego obwodu rezonansowego dobrze ilustrują zależności prądów I, IL, IC od częstotliwości źródła f

...