Aplicação de ressonância de tensão e ressonância de corrente

Em um circuito oscilatório de indutância L, capacitância C e resistência R, as oscilações elétricas livres tendem a amortecer. Para evitar o amortecimento das oscilações, é necessário reabastecer periodicamente o circuito com energia, então ocorrerão oscilações forçadas, que não enfraquecerão, pois a variável externa EMF já suportará as oscilações no circuito.

Se as oscilações forem suportadas por uma fonte de EMF harmônica externa, cuja frequência f é muito próxima da frequência de ressonância do circuito oscilante F, a amplitude das oscilações elétricas U no circuito aumentará acentuadamente, ou seja, fenômeno da ressonância elétrica.

Capacidade do circuito CA

Vamos primeiro considerar o comportamento do capacitor C no circuito CA.Se um capacitor C estiver conectado ao gerador, cuja tensão U nos terminais muda de acordo com a lei harmônica, a carga nas placas do capacitor começará a mudar de acordo com a lei harmônica, semelhante à corrente I no circuito . Quanto maior a capacitância do capacitor e maior a frequência f da fem harmônica aplicada a ele, maior a corrente I.

Este fato está relacionado com a ideia do chamado Capacitância do capacitor XC, que introduz no circuito de corrente alternada, limitando a corrente, semelhante à resistência ativa R, mas em comparação com a resistência ativa, o capacitor não dissipa energia na forma de calor.

Se a resistência ativa dissipa a energia e assim limita a corrente, então o capacitor limita a corrente simplesmente porque não tem tempo de armazenar mais carga do que o gerador pode fornecer em um quarto de período, além disso, no próximo quarto de período, o capacitor libera a energia acumulada no campo elétrico de seu dielétrico, de volta ao gerador, ou seja, embora a corrente seja limitada, a energia não é dissipada (vamos desconsiderar as perdas nos fios e no dielétrico).

indutância CA

Agora considere o comportamento de uma indutância L em um circuito CA.Se, em vez de um capacitor, uma bobina de indutância L for conectada ao gerador, quando um EMF senoidal (harmônico) for fornecido do gerador aos terminais da bobina, começará a aparecer um EMF de auto-indução, porque quando a corrente através da indutância muda, o aumento do campo magnético da bobina tende a impedir que a corrente aumente (lei de Lenz), ou seja, a bobina parece introduzir uma resistência indutiva XL no circuito CA - além do fio resistência R.

Quanto maior a indutância de uma determinada bobina e maior a frequência F da corrente do gerador, maior a resistência indutiva XL e menor a corrente I porque a corrente simplesmente não tem tempo de se estabilizar porque o EMF da auto-indutância de a bobina interfere com ela. E a cada trimestre do período, a energia armazenada no campo magnético da bobina é devolvida ao gerador (iremos desconsiderar as perdas nos fios por enquanto).

Impedância, levando em consideração R

Em qualquer circuito oscilante real, a indutância L, a capacitância C e a resistência ativa R são conectadas em série.

A indutância e a capacitância atuam na corrente de maneira oposta em cada quarto do período do EMF harmônico da fonte: nas placas do capacitor a tensão aumenta durante o carregamento, embora a corrente diminua, e à medida que a corrente aumenta através da indutância, a corrente, embora experimente resistência indutiva, mas aumenta e se mantém.

E durante a descarga: a corrente de descarga do capacitor é inicialmente grande, a tensão em suas placas tende a estabelecer uma grande corrente, e a indutância impede que a corrente aumente, e quanto maior a indutância, menor será a corrente de descarga. Neste caso, a resistência ativa R introduz perdas puramente ativas, ou seja, a impedância Z de L, C e R conectados em série, na frequência da fonte f, será igual a:

Lei de Ohm para corrente alternada

Da lei de Ohm para corrente alternada, é óbvio que a amplitude das oscilações forçadas é proporcional à amplitude do EMF e depende da frequência. A resistência total do circuito será a menor e a amplitude da corrente será a maior, desde que a resistência indutiva e a capacitância em uma determinada frequência sejam iguais entre si, caso em que ocorrerá ressonância. Uma fórmula para a frequência de ressonância do circuito oscilante também é derivada daqui:

ressonância de tensão

Quando a fonte EMF, capacitância, indutância e resistência são conectadas em série umas com as outras, a ressonância em tal circuito é chamada de ressonância em série ou ressonância de tensão. Uma característica da ressonância de tensão são as tensões significativas na capacitância e na indutância em comparação com o EMF da fonte.

A razão para o aparecimento de tal imagem é óbvia. Na resistência ativa, de acordo com a lei de Ohm, haverá uma tensão Ur, na capacitância Uc, na indutância Ul, e depois de fazer a relação de Uc para Ur, podemos encontrar o valor do fator de qualidade Q.A tensão na capacitância será Q vezes a fonte EMF, a mesma tensão será aplicada à indutância.

Ou seja, a ressonância de tensão leva a um aumento da tensão nos elementos reativos por um fator Q, e a corrente ressonante será limitada pelo EMF da fonte, sua resistência interna e a resistência ativa do circuito R. Assim , a resistência do circuito em série na frequência de ressonância é mínima.

Aplicar ressonância de tensão

O fenômeno da ressonância de tensão é usado em filtros elétricos de vários tipos, por exemplo, se for necessário remover um componente de corrente de uma determinada frequência do sinal transmitido, então um circuito de um capacitor e um indutor conectado em série é colocado em paralelo com o receptor, para que a corrente de frequência ressonante deste O circuito LC seria fechado através dele e eles não alcançariam o receptor.

Então, as correntes de uma frequência distante da frequência de ressonância do circuito LC passarão sem impedimentos para a carga e apenas as correntes próximas à frequência de ressonância encontrarão o caminho mais curto através do circuito LC.

Ou vice-versa. Se for necessário passar apenas uma corrente de uma determinada frequência, o circuito LC é conectado em série com o receptor, então os componentes do sinal na frequência de ressonância do circuito passarão para a carga quase sem perda e as frequências longe da ressonância serão significativamente enfraquecidos e podemos dizer que eles não atingirão a carga. Este princípio é aplicável a receptores de rádio onde um circuito oscilante sintonizável é sintonizado para receber uma frequência estritamente definida da estação de rádio desejada.

Em geral, a ressonância de tensão na engenharia elétrica é um fenômeno indesejável, pois causa sobretensão e danos aos equipamentos.

Um exemplo simples é uma longa linha de cabo, que por algum motivo acabou não sendo conectada à carga, mas ao mesmo tempo é alimentada por um transformador intermediário. Tal linha com capacitância e indutância distribuídas, se sua frequência ressonante coincidir com a frequência da rede de alimentação, simplesmente será cortada e falhará. Para evitar danos ao cabo causados ​​por tensão ressonante acidental, uma carga adicional é aplicada.

Mas às vezes a ressonância de tensão joga em nossas mãos, não apenas em rádios. Por exemplo, acontece que em áreas rurais a tensão na rede caiu de forma imprevisível e a máquina precisa de uma tensão de pelo menos 220 volts. Nesse caso, o fenômeno da ressonância de tensão é salvo.

Basta incluir vários capacitores por fase em série com a máquina (se o acionamento for um motor assíncrono) e, assim, a tensão nos enrolamentos do estator aumentará.

Aqui é importante escolher o número certo de capacitores para que eles compensem exatamente a queda de tensão na rede com sua resistência capacitiva junto com a resistência indutiva dos enrolamentos, ou seja, aproximando levemente o circuito da ressonância, você pode aumentar a queda de tensão mesmo sob carga.

Ressonância de correntes

Quando a fonte EMF, capacitância, indutância e resistência são conectadas em paralelo umas com as outras, a ressonância em tal circuito é chamada de ressonância paralela ou ressonância de corrente.Uma característica da ressonância de corrente são as correntes significativas através da capacitância e indutância em comparação com a corrente da fonte.

A razão para o aparecimento de tal imagem é óbvia. A corrente através da resistência ativa de acordo com a lei de Ohm será igual a U / R, através da capacitância U / XC, através da indutância U / XL e compondo a relação de IL para I, você pode encontrar o valor do fator de qualidade Q. A corrente através da indutância será Q vezes a corrente da fonte, a mesma corrente fluirá a cada meio período para dentro e para fora do capacitor.

Ou seja, a ressonância das correntes leva a um aumento da corrente através dos elementos reativos por um fator Q, e o EMF ressonante será limitado pelo fem da fonte, sua resistência interna e a resistência ativa do circuito R .Assim, na frequência de ressonância, a resistência do circuito oscilante paralelo é máxima.

Aplicação de correntes ressonantes

Assim como a ressonância de tensão, a ressonância de corrente é usada em vários filtros. Mas conectado ao circuito, o circuito paralelo age de forma oposta ao caso do série: instalado em paralelo com a carga, o circuito oscilante paralelo permitirá que a corrente da frequência de ressonância do circuito passe para a carga , porque a resistência do próprio circuito em sua própria frequência de ressonância é máxima.

Instalado em série com a carga, o circuito oscilante paralelo não transmitirá o sinal de frequência ressonante, pois toda a tensão cairá no circuito, e a carga terá uma pequena parte do sinal de frequência ressonante.

Portanto, a principal aplicação da ressonância de corrente na engenharia de rádio é a criação de uma grande resistência para uma corrente de uma determinada frequência em geradores de válvulas e amplificadores de alta frequência.

Na engenharia elétrica, a ressonância de corrente é usada para obter um alto fator de potência de cargas com componentes indutivos e capacitivos significativos.

Por exemplo, unidades de compensação de potência reativa (KRM) são capacitores conectados em paralelo com os enrolamentos de motores assíncronos e transformadores operando sob carga abaixo da nominal.

Tais soluções são utilizadas justamente para alcançar a ressonância de correntes (ressonância paralela), quando a resistência indutiva do equipamento é igual à capacidade dos capacitores conectados na frequência da rede, para que a energia reativa circule entre os capacitores e equipamentos, e não entre os equipamentos e a rede; assim a rede só emite energia quando o equipamento está carregado e consome energia ativa.

Quando o equipamento não está funcionando, a rede acaba sendo conectada em paralelo com o circuito ressonante (capacitores externos e a indutância do equipamento), o que representa uma impedância complexa muito grande para a rede e permite reduzir fator de potência.