Резонансные режимы в электрических цепях синусоидального тока

ЛЕКЦИЯ 6

 Резонансные режимы в электрических цепях синусоидального тока.

Резонанс напряжений

Режим работы RLC цепи или LC-цепи, при условии равенства реактивных сопротивлений X_C = X_L, когда общее напряжение цепи совпадает по фазе с её током , называется резонансом напряжения.

X_C = X_L – условие резонанса

             

RLC цепь                                                                              LC цепь.

Признаки резонанса напряжения:

1. Напряжение на входе совпадает по фазе с током, т.е. сдвиг фаз между I и U    φ = 0, cos φ = 1

Рекомендуемые материалы

2. Ток в цепи будет наибольшим и как следствие P_max = I²_maxR тоже максимальна, а реактивная мощность равна нулю.

3. Резонансная частота

4.  

Резонанс можно достигнуть, изменяя L, C или ω.

Векторные диаграммы при резонансе напряжений

LC цепь                                                               RLC цепь

  

Случаи других режимов работы RLC цепи

1. Если X_L>X_C т.е. 

U опережает I, значит цепь имеет активно-индуктивный характер

   напряжение на катушке больше напряжения на конденсаторе.

Векторная диаграмма

1. Если X_L<X_C , т.е. 

U отстает от  I, значит цепь имеет активно-емкостной характер

               напряжение на конденсаторе больше напряжения на катушке.

Векторная диаграмма

Параллельное соединение элементов в цепи синусоидального тока

На входе параллельной цепи напряжение

 Закон Ома

         

Эквивалентные сопротивления ветвей:

Запишем эквивалентные проводимости:

;      

по первому закону Кирхгофа:

где

,    где

Треугольники проводимостей и токов

 алгебраическая форма

G – действительная часть, активная составляющая

B – мнимая часть, реактивная составляющая.

;

или ;

Треугольник тока

Резонанс токов

Режим, при котором в цепи, содержащей параллельные ветви с индуктивными и емкостными элементами, ток неразветвленного участка цепи совпадает по фазе с напряжением (φ=0), называют резонансом токов.

Условие резонанса токов:

В₁ – реактивная проводимость первой ветви,

В₂ – реактивная проводимость второй ветви

Признаки резонанса токов:

1. Реактивные составляющие токов ветвей равны I_PC  =  I_PL и находятся в противофазе в случае, когда напряжение на входе чисто активное;
2. Токи ветвей превышают общий ток цепи, который имеет минимальное значение;
3. и совпадают по фазе

RLC – цепь                                                                                      Векторная диаграмма

LC – цепь                                                                             Векторная диаграмма

                             

Резонансная частота

Случаи резонансных цепей

цепей

Если R₂=0 резонанс наступит, при

Случаи резонанса токов

Случай 1. Один резонанс в цепи, при условии:

Случай 2.  Два резонанса в цепи, при определенном соотношении сопротивлений элементов

Случай 3.  Нет резонанса в цепи – частота является величиной неопределенной, при

Частотные характеристики колебательного контура

Баланс мощностей в цепях переменного тока

Коэффициент мощности

• Генератор или электрооборудование энергетически выгодно эксплуатировать, если оно совершает максимальную работу. Работа в электрической цепи определяется активной мощностью Р.

• Коэффициент мощности показывает, насколько эффективно используется генератор или электрооборудование

λ=P/S=cosφ≤1

С уменьшением коэффициента мощности стоимость потребляемой электроэнергии возрастает .

Обратите внимание на лекцию "Франко-китайская и японо-китайская войны".

Способы увеличения коэффициента мощности

• Мощность максимальна в случае, когда Р = S, т.е. в случае резистивной цепи.

• Генератор осуществляет только необратимые преобразования энергии и не участвует в колебательных процессах обмена энергией с электромагнитным полем приемников, в режиме максимальной мощности.

• Потребители электрической энергии в основном имеют схему замещения RL элемента, поэтому увеличение коэффициента мощности возможен с помощью компенсации реактивной мощности подключением емкостного элемента (Q_L-Q_С),  подключение емкостного элемента снижает ток в линии электропередачи, что позволяет уменьшить сечение электропроводов, а это приводит к экономии электропроводящих материалов.

• Значение коэффициента мощности в энергосистемах зависит насколько грамотно эксплуатируется электротехнические установки и приборы.

•  сosφ может снижаться, если установки работают в режиме холостого хода, или недогружены.