Ứng dụng của cộng hưởng điện áp và cộng hưởng dòng điện

Trong mạch dao động có độ tự cảm L, điện dung C và điện trở R, các dao động điện tự do có xu hướng tắt dần. Để các dao động không bị tắt dần, cần phải bổ sung năng lượng cho mạch định kỳ, khi đó các dao động cưỡng bức sẽ xảy ra, dao động này sẽ không yếu đi vì biến EMF bên ngoài đã hỗ trợ các dao động trong mạch.

Nếu các dao động được hỗ trợ bởi một nguồn sóng điện từ hài bên ngoài, có tần số f rất gần với tần số cộng hưởng của mạch dao động F, thì biên độ của dao động điện U trong mạch sẽ tăng mạnh, tức là hiện tượng cộng hưởng điện.

công suất mạch điện xoay chiều

Trước tiên chúng ta hãy xem xét hoạt động của tụ điện C trong mạch điện xoay chiều.Nếu một tụ điện C được kết nối với máy phát điện, điện áp U ở các cực thay đổi theo quy luật điều hòa, thì điện tích trên các bản tụ điện sẽ bắt đầu thay đổi theo quy luật điều hòa, tương tự như dòng điện I trong mạch . Điện dung của tụ điện càng lớn và tần số f của sóng hài emf đặt vào nó càng lớn thì cường độ dòng điện I càng lớn.

Thực tế này có liên quan đến ý tưởng về cái gọi là Điện dung của tụ điện XC mà nó đưa vào mạch điện xoay chiều, hạn chế dòng điện, tương tự như điện trở hoạt động R, nhưng so với điện trở hoạt động thì tụ điện không tiêu tán năng lượng dưới dạng nhiệt.

Nếu điện trở hoạt động làm tiêu hao năng lượng và do đó hạn chế dòng điện, thì tụ điện sẽ hạn chế dòng điện đơn giản vì nó không có thời gian để lưu trữ nhiều điện tích hơn mức mà máy phát có thể cung cấp trong một phần tư chu kỳ, hơn nữa, trong phần tư tiếp theo của chu kỳ, tụ điện giải phóng năng lượng tích lũy trong điện trường của chất điện môi của nó, trở lại máy phát, nghĩa là mặc dù dòng điện bị hạn chế nhưng năng lượng không bị tiêu tán (chúng ta sẽ bỏ qua tổn thất trong dây dẫn và trong chất điện môi).

điện cảm xoay chiều

Bây giờ hãy xem xét hành vi của cuộn cảm L trong mạch điện xoay chiều.Nếu, thay vì tụ điện, một cuộn dây có độ tự cảm L được kết nối với máy phát, thì khi một EMF hình sin (hài) được cung cấp từ máy phát đến các cực của cuộn dây, nó sẽ bắt đầu xuất hiện EMF tự cảm ứng, bởi vì khi dòng điện qua cuộn cảm thay đổi, từ trường tăng của cuộn dây có xu hướng ngăn dòng điện tăng (định luật Lenz), nghĩa là cuộn dây xuất hiện để đưa điện trở cảm ứng XL vào mạch điện xoay chiều — ngoài dây dẫn điện trở R

Độ tự cảm của một cuộn dây nhất định càng lớn và tần số F của dòng máy phát càng cao thì điện trở cảm ứng XL càng cao và dòng điện I càng nhỏ vì dòng điện đơn giản là không có thời gian ổn định vì EMF của độ tự cảm của cuộn dây cản trở nó. Và cứ sau một phần tư thời gian, năng lượng được lưu trữ trong từ trường của cuộn dây được trả lại cho máy phát (bây giờ chúng ta sẽ bỏ qua tổn thất trong dây dẫn).

Trở kháng, có tính đến R

Trong mạch dao động thực bất kỳ, cuộn cảm L, điện dung C và điện trở hoạt động R mắc nối tiếp.

Độ tự cảm và điện dung tác dụng lên dòng điện ngược chiều nhau trong mỗi phần tư chu kỳ của EMF điều hòa của nguồn: trên các bản của tụ điện điện áp tăng trong quá trình sạc, mặc dù dòng điện giảm và khi dòng điện tăng qua cuộn cảm, dòng điện mặc dù chịu điện trở cảm ứng nhưng tăng và được duy trì.

Và trong quá trình phóng điện: dòng phóng điện của tụ điện ban đầu lớn, điện áp trên các bản của nó có xu hướng tạo ra dòng điện lớn và độ tự cảm ngăn dòng điện tăng lên, độ tự cảm càng lớn thì dòng điện phóng điện càng thấp. Trong trường hợp này, điện trở hoạt động R gây ra tổn thất hoạt động hoàn toàn. Nghĩa là, trở kháng Z của L, C và R mắc nối tiếp, ở tần số nguồn f, sẽ bằng:

Định luật Ôm cho dòng điện xoay chiều

Từ định luật Ohm đối với dòng điện xoay chiều, rõ ràng là biên độ của các dao động cưỡng bức tỷ lệ với biên độ của EMF và phụ thuộc vào tần số. Tổng điện trở của mạch sẽ nhỏ nhất và biên độ dòng điện sẽ lớn nhất với điều kiện điện trở thuần cảm và điện dung tại một tần số nhất định bằng nhau, khi đó sẽ xảy ra hiện tượng cộng hưởng. Công thức tính tần số cộng hưởng của mạch dao động cũng được suy ra từ đây:

cộng hưởng điện áp

Khi nguồn EMF, điện dung, điện cảm và điện trở được mắc nối tiếp với nhau, thì hiện tượng cộng hưởng trong mạch như vậy được gọi là cộng hưởng nối tiếp hoặc cộng hưởng điện áp. Một tính năng đặc trưng của cộng hưởng điện áp là điện áp đáng kể trên điện dung và trên điện cảm so với EMF của nguồn.

Lý do cho sự xuất hiện của một bức tranh như vậy là rõ ràng. Trên điện trở hoạt động, theo định luật Ohm, sẽ có điện áp Ur, trên điện dung Uc, trên điện cảm Ul và sau khi thực hiện tỷ lệ giữa Uc và Ur, chúng ta có thể tìm thấy giá trị của hệ số chất lượng Q.Điện áp trên điện dung sẽ gấp Q lần EMF nguồn, điện áp tương tự sẽ được đặt vào cuộn cảm.

Nghĩa là, cộng hưởng điện áp dẫn đến tăng điện áp trên các phần tử phản kháng theo hệ số Q và dòng điện cộng hưởng sẽ bị giới hạn bởi EMF của nguồn, điện trở trong của nó và điện trở hoạt động của mạch R. Do đó , điện trở của mạch nối tiếp ở tần số cộng hưởng là nhỏ nhất.

Áp dụng cộng hưởng điện áp

Hiện tượng cộng hưởng điện áp được sử dụng trong lọc điện các loại, ví dụ, nếu cần loại bỏ thành phần dòng điện có tần số nhất định khỏi tín hiệu truyền đi, thì một mạch gồm tụ điện và cuộn cảm mắc nối tiếp được đặt song song với máy thu, sao cho dòng điện có tần số cộng hưởng của thành phần này Mạch LC sẽ bị đóng thông qua nó và chúng sẽ không đến được máy thu.

Sau đó, các dòng điện có tần số khác xa với tần số cộng hưởng của mạch LC sẽ truyền vào tải mà không bị cản trở và chỉ những dòng điện gần với tần số cộng hưởng mới tìm được đường đi ngắn nhất qua mạch LC.

Hoặc ngược lại. Nếu chỉ cần truyền một dòng điện có tần số nhất định, thì mạch LC được mắc nối tiếp với máy thu, khi đó các thành phần tín hiệu ở tần số cộng hưởng của mạch sẽ truyền đến tải gần như không bị mất và tần số xa sự cộng hưởng sẽ bị suy yếu đáng kể và chúng ta có thể nói rằng chúng hoàn toàn không đạt được tải. Nguyên tắc này có thể áp dụng cho máy thu thanh trong đó mạch dao động có thể điều chỉnh được điều chỉnh để nhận tần số được xác định nghiêm ngặt của đài phát thanh mong muốn.

Nhìn chung, cộng hưởng điện áp trong kỹ thuật điện là một hiện tượng không mong muốn vì nó gây quá áp và hư hỏng thiết bị.

Một ví dụ đơn giản là một đường dây cáp dài, vì lý do nào đó hóa ra không được kết nối với tải, nhưng đồng thời nó được cấp nguồn bởi một máy biến áp trung gian. Một đường dây có điện dung và độ tự cảm phân tán như vậy, nếu tần số cộng hưởng của nó trùng với tần số của mạng cung cấp, sẽ đơn giản bị cắt và hỏng. Để tránh làm hỏng cáp do điện áp cộng hưởng ngẫu nhiên, một tải bổ sung được áp dụng.

Nhưng đôi khi sự cộng hưởng điện áp phát vào tay chúng ta, không chỉ radio. Ví dụ, xảy ra trường hợp ở các vùng nông thôn, điện áp trong mạng giảm đột ngột và máy cần điện áp ít nhất 220 vôn. Trong trường hợp này, hiện tượng cộng hưởng điện áp tiết kiệm.

Nó đủ để bao gồm một số tụ điện trên mỗi pha nối tiếp với máy (nếu ổ đĩa trong đó là động cơ không đồng bộ), và do đó điện áp trên cuộn dây stato sẽ tăng lên.

Ở đây, điều quan trọng là chọn đúng số lượng tụ điện để chúng bù chính xác cho sự sụt giảm điện áp trong mạng bằng điện trở điện dung của chúng cùng với điện trở cảm ứng của cuộn dây, nghĩa là, bằng cách tiếp cận nhẹ mạch để cộng hưởng, bạn có thể tăng điện áp giảm ngay cả khi tải.

Sự cộng hưởng của dòng điện

Khi nguồn EMF, điện dung, điện cảm và điện trở được kết nối song song với nhau, thì cộng hưởng trong mạch như vậy được gọi là cộng hưởng song song hoặc cộng hưởng dòng điện.Một tính năng đặc trưng của cộng hưởng hiện tại là dòng điện đáng kể thông qua điện dung và điện cảm so với dòng điện nguồn.

Lý do cho sự xuất hiện của một bức tranh như vậy là rõ ràng. Dòng điện qua điện trở hoạt động theo định luật Ohm sẽ bằng U / R, qua điện dung U / XC, qua độ tự cảm U / XL và bằng cách tổng hợp tỷ lệ IL với I, bạn có thể tìm thấy giá trị của hệ số chất lượng Q. Dòng điện qua cuộn cảm sẽ gấp Q lần dòng điện nguồn, dòng điện giống nhau sẽ chạy vào và ra khỏi tụ điện cứ sau nửa chu kỳ.

Nghĩa là, sự cộng hưởng của dòng điện dẫn đến sự gia tăng dòng điện qua các phần tử phản ứng theo hệ số Q và EMF cộng hưởng sẽ bị giới hạn bởi emf của nguồn, điện trở trong của nó và điện trở hoạt động của mạch R .Như vậy ở tần số cộng hưởng điện trở của mạch dao động song song là cực đại.

Ứng dụng của dòng điện cộng hưởng

Giống như cộng hưởng điện áp, cộng hưởng dòng điện được sử dụng trong các bộ lọc khác nhau. Nhưng khi kết nối với mạch, mạch song song hoạt động theo cách ngược lại so với trường hợp mắc nối tiếp: được lắp song song với tải, mạch dao động song song sẽ cho dòng điện có tần số cộng hưởng của mạch đi vào tải , vì điện trở của mạch ở tần số cộng hưởng riêng là cực đại.

Được lắp đặt nối tiếp với tải, mạch dao động song song sẽ không truyền tín hiệu tần số cộng hưởng, bởi vì tất cả điện áp sẽ rơi vào mạch và tải sẽ có một phần nhỏ tín hiệu tần số cộng hưởng.

Vì vậy, ứng dụng chính của cộng hưởng dòng điện trong kỹ thuật vô tuyến điện là tạo ra điện trở lớn đối với dòng điện có tần số nhất định trong máy phát ống và bộ khuếch đại tần số cao.

Trong kỹ thuật điện, cộng hưởng dòng điện được sử dụng để đạt được hệ số công suất cao của tải với các thành phần cảm ứng và điện dung đáng kể.

Ví dụ, đơn vị bù công suất phản kháng (KRM) là các tụ điện được kết nối song song với cuộn dây của động cơ không đồng bộ và máy biến áp hoạt động dưới tải định mức.

Các giải pháp như vậy được sử dụng chính xác để đạt được sự cộng hưởng của dòng điện (cộng hưởng song song), khi điện trở cảm ứng của thiết bị bằng với công suất của các tụ điện được kết nối ở tần số của mạng, do đó năng lượng phản ứng lưu thông giữa các tụ điện và thiết bị, chứ không phải giữa thiết bị và mạng; nên lưới điện chỉ phát điện khi thiết bị được nạp và tiêu thụ điện năng hoạt động.

Khi thiết bị không hoạt động, mạng được kết nối song song với mạch cộng hưởng (tụ điện bên ngoài và độ tự cảm của thiết bị), đại diện cho trở kháng phức tạp rất lớn đối với mạng và cho phép giảm hệ số công suất.