Материал: 33_Rezhimy_post_i_sin_toka_v_LETs_2014

Рис. 3.44. Диаграммы токов и напряжений при резонансе

3.11.3.2. Резонанс в цепях с произвольным количеством реактивных элементов

С возрастанием числа индуктивных и емкостных элементов в схемах резко увеличивается объем математических преобразований и вычислений, поэтому в качестве объекта для изучения возьмем схему с тремя реактивными элементами, изображенную на рис. 3.45.

Рис. 3.45. Схема с тремя реактивными элементами

Исследование явления резонанса в цепях, содержащих три реактивных элемента и более, имеет ту же основу, т. е. при резонансе входное сопротивление (проводимость) цепи становится чисто активным. Задача чаще всего сводится к определению резонансных частот и построению, если в том есть необходимость, частотных зависимостей реактивных сопротивлений (проводимостей) от частоты.

Входное комплексное сопротивление имеет вид:

145

После разделения действительной и мнимой частей Z приходим к выражению:

Далее используется только мнимая часть выражения (3.181). Приравнивая ее к нулю и подставляя в полученное выражение 0 , получаем уравнение

корни которого определяют резонансные частоты.

Положительный ответ на вопрос о возможности возникновения того или иного резонанса, как уже указывалось, дают только положительные действительные корни уравнения (3.182). Любые другие типы корней (отрицательные действительные или комплексные) указывают на отсутствие резонанса в рассматриваемой схеме.

Например, при численных значениях параметров схемы (см. рис. 3.45) r1 = 23 Ом, L1 = 0,274 Гн, r2 = 35 Ом, L2 = 0,340 Гн, C = 20 мкФ уравнение (3.182) приобретает вид:

Корни уравнения (3.183) имеют следующие значения: 01 380 радс и

02 566 радс.

Из полученных корней два действительные, положительные, следовательно, можно сделать вывод о том, что в схеме наблюдаются резонансы при двух значениях частот: 01 380 радс и 02

146

Удобство использования комплексного сопротивления или проводимости определяется топологией схемы, а решение уравнений x = 0 или b = 0 приводит к одинаковым результатам.

Чтобы ответить на вопрос о типе того или иного резонанса, необходимо дополнительно провести расчет режимов схемы при полученных резонансных частотах. На рис. 3.46 и 3.47 представлены векторные диаграммы, построенные по результатам расчета токов и напряжений в одном масштабе для схемы рис. 3.45 при входном напряжении U = 2 В на частотах 01 380 радс и

02 566 радс.

Результаты расчета при 01 380 радс :

тивофазе, поэтому полностью компенсируются реактивные составляющие этих токов I'2 и I'3, которые относительно входного напряжения U сдвинуты на 90 º. Составляющая I'2 отстает от U на 90 º, а I'3 опережает, поскольку первая обусловлена индуктивностью, а вторая – емкостью.

В режиме резонанса реактивные токи превышают по величине входной

следовательно, добротность цепи при частоте 01 , равной 380 рад/с, можно оценивать значением Q 3,8.

Результаты расчета при 02 566 радс :

В случае резонанса напряжений, имеющего место при 02 566 радс, как видно из диаграммы на рис. 3.47, полностью компенсируются падение напряжения UL1 и составляющая U'C напряжения на емкости UC, в результате чего обеспечивается нулевой сдвиг по фазе между входным напряжением U и входным током I1.

147

При численных значениях параметров схемы на рис. 3.45 r1 = 23 Ом, L1 = 0,274 Гн, r2 = 35 Ом, L2 = 0,340 Гн, C = 1000 мкФ уравнение (3.182) приобретает вид:

нансной частоты 0 61,7 рад/с.

В целом можно отметить, что первый этап работы, позволяющий вычислить резонансные частоты, не отвечает на вопрос, какому резонансу соответствует конкретная частота. Требуется полный расчет режима цепи на заданной резонансной частоте, как в этом можно было убедиться на приведенных примерах. Однако независимо от количества резонансных частот полный расчет чаще всего достаточен только для одной из них. Обусловлено это свойствами частотных характеристик электрических цепей, среди которых важное значение имеет следующее: частоты, определяющие положение резонансов напряжений и токов на оси частот, обязательно чередуются. Поэтому при отсутствии необходимости глубокого исследования режимов электрической цепи на каждой резонансной частоте вполне достаточно ограничиться расчетом одного режима.

3.11.4. Задачи для самостоятельного решения

1) В цепи с последовательно соединенными r, L, C наступает резонанс напряжений при угловой частоте 500 рад/с; r = 34 Ом; L = 400 мГн; напряжение на зажимах цепи U 120. Определить С и мгновенные значения тока и напряжений на элементах цепи, построить векторную диаграмму.

2)Цепь состоит из индуктивной катушки (r, L) и конденсатора (C), соединенных последовательно. Напряжение на зажимах цепи равно 120 В. Определить напряжение на катушке при резонансе, если при этом напряжение на конденсаторе равно 208 В.

Ответ: UK = 240 В.

3)Вычислить резонансную угловую частоту 0 в цепи с последовательно

соединенными r = 50 Ом, L = 10 мГн, С = 1 мкФ.

Ответ: 0 104 радс .

149