رزونانس در صنعت برق

لرزش شیشه های پنجره در اثر پخش شدن یک صدای بلند، حرکت پاندول ساعت، یا حتی لذت برد یک شخص از صدای خودش در حمام به دلیل پدیده ای به نام رزونانس یا تشدید است. همه ما در زندگی روزمره خود با پدیده رزونانس برخورد داشته ایم. این پدیده علاوه بر روزمره در صنعت برق و مدارهای الکتریکی هم کاربرد دارد.

 این پدیده زمانی اتفاق می افتد که فرکانس تحریک خارجی با فرکانس طبیعی مدار یکسان باشد. در نتیجه جریان یا ولتاژ به شدت افزایش پیدا میکند. فرکانس‌هایی که باعث این حالت می‌شوند، به عنوان فرکانس رزونانس یا تشدید شناخته می‌شوند. در این مقاله به بررسی رزونانس و انواع آن میپردازیم.

رزونانس چیست؟

رزونانس وقتی اتفاق می‌افتد که یک سیستم نوسانی مثل مدار الکتریکی، تاب یا فنر با فرکانس طبیعی خودش تحریک شود. در این حالت نوسانات زیاد می‌شوند و انرژی به‌خوبی منتقل می‌شود. در شرایط رزونانس رفتار سیستم کاملاً متفاوت از حالت‌های دیگر است و حتی یک تحریک کوچک می‌تواند باعث ایجاد نوسان شدید یا انتقال ارتعاش به اجسام دیگر شود. به عبارت دیگر، انرژی به شکلی مؤثر از یک جسم به جسم دیگر منتقل می‌شود.

مثال های پدیده رزونانس

وقتی کودکی روی تاب می‌نشیند، تاب یک فرکانس طبیعی نوسان دارد. اگر کودک یا کسی که تاب را هل می‌دهد، با همان ریتم طبیعی تاب حرکت کند، نوسان تاب تقویت شده و انرژی به شکل مؤثر منتقل می‌شود. در واقع حتی هل دادن‌های کوچک اما منظم باعث می‌شود تاب با بیشترین حرکت نوسان کند.

مثالی دیگر تنظیم کردن فرکانس با پیچ تنظیم رادیو است. با چرخاندن پیچ تنظیم، فرکانس طبیعی مدار الکتریکی رادیو را تغییر میدهیم وقتی به فرکانس ایستگاه رادیویی رسید، شدت جذب انرژی افزایش پیدا میکند و فقط صدای همان ایستگاه رادیویی را میشنویم.

مثالی دیگر در رابطه با فرکانس زلزله و فرکانس ساختمان و میزان شدت خرابی و لرزش است. زلزله فرکانس خود را دارد و هر ساختمان هم فرکانس طبیعی خود را دارد. زمانی که زلزله رخ میدهد اگر فرکانس ساختمان و زلزله یکی باشد، دامنه موج افزایش پیداکرده و باعث خرابی و خسارات زیادی میشود.

عوامل موثر در ایجاد رزونانس الکتریکی

رزونانس الکتریکی حالتی است که در آن اثر سلف و خازن در یک مدار یکدیگر را خنثی می‌کنند و مدار در یک فرکانس مشخص رفتار ویژه‌ای از خود نشان می‌دهد. این پدیده فقط در همان فرکانس خاص رخ می‌دهد و خارج از آن، مدار خاصیت القایی یا خازنی دارد.

یکی از عوامل اصلی مؤثر بر رزونانس، مقدار اندوکتانس سلف است. هرچه مقدار سلف بیشتر باشد، فرکانس رزونانس کاهش پیدا می‌کند، زیرا سلف در برابر تغییر جریان مقاومت می‌کند. عامل مهم دیگر، ظرفیت خازن است. با افزایش ظرفیت خازن، فرکانس رزونانس کمتر می‌شود، چون خازن در برابر تغییر ولتاژ واکنش نشان می‌دهد.

فرکانس منبع تغذیه نقش تعیین‌کننده‌ای در ایجاد رزونانس دارد. رزونانس زمانی اتفاق می‌افتد که فرکانس منبع دقیقاً برابر فرکانس طبیعی مدار باشد و در این حالت، اثر سلف و خازن برابر و مخالف هم می‌شوند.

مقاومت مدار نیز بر شدت رزونانس تأثیر می‌گذارد. مقاومت زیاد باعث می‌شود رزونانس ضعیف و ملایم باشد، در حالی که مقاومت کم می‌تواند منجر به رزونانس شدید و افزایش بیش از حد جریان یا ولتاژ شود.

انواع رزونانس در سیستم‌های الکتریکی

در سیستم‌های الکتریکی، رزونانس می‌تواند به شکل‌های مختلفی ظاهر شود که هرکدام رفتار و پیامد خاص خود را دارند.

رزونانس سری

زمانی رخ می‌دهد که سلف و خازن به صورت سری به هم متصل باشند. در این حالت، بدلیل سری بودن مدار و اینکه مجموع راکتانس سلف و خازن در حالت رزونانس صفر است، امپدانس مدار به کمترین مقدار و جریان مدار به بیشترین مقدار خود می‌رسد.

این نوع رزونانس معمولاً باعث افزایش شدید جریان می‌شود و می‌تواند برای تجهیزات خطرناک باشد.

رزونانس موازی

زمانی اتفاق می‌افتد که سلف و خازن به صورت موازی قرار گرفته باشند. در این حالت، بدلیل موازی بودن مدارد و اینکه مجموع راکتانس سلف و خازن در حالت رزونانس صفر است، امپدانس مدار بیشینه می‌شود و جریان دریافتی از منبع کاهش می‌یابد.

در داخل مدار جریان‌های بزرگی بین سلف و خازن در گردش است که می‌تواند باعث داغ شدن یا آسیب دیدن آن‌ها شود.

رزونانس هارمونیکی

 در شبکه‌های برق زمانی ایجاد می‌شود که فرکانس یکی از هارمونیک‌ها با فرکانس طبیعی مدار برابر شود. این نوع رزونانس معمولاً به دلیل وجود اینورتر ها، درایوها و بارهای غیرخطی به وجود می‌آید و می‌تواند باعث اضافه‌جریان، اضافه‌ولتاژ و خرابی بانک‌های خازنی شود.

کاربردهای مفید رزونانس در صنعت برق

رزونانس اگرچه در برخی موارد به عنوان یک مشکل مطرح میشود، اما در بسیاری از کاربردهای الکتریکی نیز به‌صورت مفید استفاده می‌شود. در ادامه به بررسی کاربرد های تشدید یا رزونانس میپردازیم.

تنظیم و انتخاب فرکانس

یکی از مهم‌ترین کاربردهای رزونانس، تنظیم و انتخاب فرکانس در مدارهاست. در گیرنده‌های رادیویی و مخابراتی، با استفاده از مدارهای تشدید، فقط سیگنالی که فرکانس آن با فرکانس طبیعی مدار برابر است تقویت می‌شود و بقیه فرکانس‌ها حذف می‌شوند. این موضوع باعث می‌شود بتوان یک ایستگاه رادیویی خاص را به‌وضوح دریافت کرد.

طراحی فیلترهای الکتریکی

رزونانس نقش اساسی در طراحی فیلترهای الکتریکی دارد. فیلترها با استفاده از خاصیت تشدید، برخی فرکانس‌ها را عبور داده و برخی دیگر را تضعیف یا حذف می‌کنند. این کاربرد در منابع تغذیه، سیستم‌ها و تجهیزات الکترونیک قدرت برای حذف نویز و هارمونیک‌ها بسیار مهم است.

افزایش بازده انرژی

در سیستم‌های انتقال انرژی به صورت بی سیم(مثل شارژرهای بی‌سیم موبایل و ساعت هوشمند)، از رزونانس برای افزایش بازده استفاده می‌شود. زمانی که فرستنده و گیرنده در یک فرکانس رزونانسی مشترک کار کنند، انرژی با تلفات کمتر و راندمان بالاتر منتقل می‌شود.

از این روش در شارژرهای بی‌سیم و بسیاری کاربردهای صنعتی استفاده می‌شود.

سیستم‌های گرمایش القایی

رزونانس در سیستم‌های گرمایش القایی کاربرد گسترده‌ای دارد. در این سیستم‌ها، مدار در فرکانس رزونانس کار می‌کند تا جریان بالا و میدان مغناطیسی قوی ایجاد شود.

 این میدان باعث گرم شدن سریع و یکنواخت فلزات می‌شود و در صنایع ذوب و جوش القایی استفاده می‌شود.

رزونانس در نگاه کلی

رزونانس یک پدیده پیچیده اما مهم در سیستم‌های الکتریکی است که هم می‌تواند موجب بهبود عملکرد سیستم شود و هم می‌تواند مشکلات جدی به همراه داشته باشد. شناخت پدیده رزونانس برای جلوگیری از اضافه‌ ولتاژ، اضافه‌جریان و آسیب دیدن تجهیزات الکتریکی بسیار ضروری است. در این مقاله به بررسی مفهوم رزونانس، عوامل موثر در ایجاد آن، کاربردها و انواع رزونانس یا تشدید پرداختیم.