Processi transitori nei circuiti in corrente alternata, leggi di commutazione, fenomeni di risonanza
Le modalità di funzionamento stazionarie dei circuiti elettrici sono modalità in cui i parametri nel circuito sono costanti: tensione, corrente, resistenza, ecc. Se, dopo aver raggiunto uno stato stazionario, la tensione cambia, anche la corrente cambierà. La transizione da uno stato stazionario all'altro non avviene immediatamente, ma in un periodo di tempo (Figura 1).
I processi che avvengono nei circuiti durante il passaggio da uno stato stazionario all'altro sono detti transitori. I transitori si verificano con qualsiasi cambiamento improvviso nei parametri del circuito. Il momento di un improvviso cambiamento nella modalità di funzionamento del circuito elettrico è considerato come il momento iniziale del tempo, rispetto al quale viene caratterizzato lo stato del circuito e viene descritto il processo transitorio stesso.
Riso. 1. Modalità che si verificano nel circuito CA
La durata del processo transitorio può essere molto breve e può essere calcolata in frazioni di secondo, ma le correnti e le tensioni o altri parametri che caratterizzano il processo possono raggiungere valori elevati.I transitori sono innescati dalla commutazione nel circuito.
La commutazione è la chiusura o l'apertura dei contatti dei dispositivi di commutazione. Quando si analizzano i transitori, vengono utilizzate due leggi di commutazione.
La prima legge della commutazione: la corrente. che scorre attraverso un induttore prima della commutazione è uguale alla corrente attraverso la stessa bobina immediatamente dopo la commutazione. Questi. la corrente nell'induttore non può cambiare bruscamente.
La seconda legge della commutazione: la tensione ai capi dell'elemento capacitivo prima della commutazione è uguale alla tensione ai capi dello stesso elemento dopo la commutazione. Questi. la tensione attraverso l'elemento capacitivo non può cambiare bruscamente. Per il collegamento in serie di resistore, induttore e condensatore valgono le dipendenze
Nel circuito considerato con le stesse reazioni Xl e Xc, il cosiddetto risonanza di tensione... Poiché queste resistenze dipendono dalla frequenza, la risonanza avviene a una certa frequenza di risonanza ω®.
La resistenza totale del circuito in questo caso è minima e puramente attiva. Z = R, e la corrente ha un valore massimo. A ω ωо il carico ha carattere attivo-capacitivo, con ω >ωо — attivo-induttivo.
Va notato che al forte aumento di corrente nel circuito alla risonanza corrisponde un aumento di Xl e Xc. Queste sollecitazioni possono diventare molto più grandi della tensione. U applicato ai terminali del circuito, quindi la risonanza di tensione è un fenomeno pericoloso per gli impianti elettrici.
Le correnti nei rami degli elementi circuitali collegati in parallelo hanno un corrispondente sfasamento rispetto alla tensione totale del circuito.Pertanto, la corrente totale del circuito è uguale alla somma delle correnti dei suoi singoli rami, tenendo conto degli sfasamenti ed è determinata dalla formula
Se le reattanze Xl e X sono uguali, in un circuito con collegamento in parallelo di elementi correnti risonanti... La corrente risonante raggiunge il suo valore massimo e il fattore di potenza massimo (cosφ = 1). Il valore della frequenza di risonanza è determinato dalla formula
Le correnti nei rami contenenti L e C, alla risonanza, possono essere maggiori della corrente totale del circuito. Le correnti induttive e capacitive sono opposte in fase, uguali in valore e reciprocamente sfalsate rispetto alla sorgente di alimentazione. Questi.nel circuito, l'energia viene scambiata tra la bobina induttiva e il condensatore.
La modalità di corrente vicina alla risonanza è ampiamente utilizzata per aumentare il fattore di potenza dei consumatori di elettricità. Questo dà un notevole effetto economico dovuto allo scarico dei cavi, alla riduzione delle perdite, al risparmio di materiali ed energia.