09.03.2014 Views

do pobrania

do pobrania

do pobrania

SHOW MORE
SHOW LESS

You also want an ePaper? Increase the reach of your titles

YUMPU automatically turns print PDFs into web optimized ePapers that Google loves.

6. Elementy obwodów prądu sinusoidalnego 123<br />

Wykład XV. WYKRESY WSKAZOWE PRĄDU I NAPIĘCIA SINUSOIDALNEGO.<br />

METODA SYMBOLICZNA ROZWIĄZYWANIA OBWODÓW<br />

Wskazy prądu i napięcia sinusoidalnego. Idea wykresu wskazowego obwodu<br />

Przebieg sinusoidalny może być reprezentowany przez:<br />

a) wirujący wektor i nieruchomą oś przebiegu czasowego, krócej: nieruchomą „oś czasu” (rys. a),<br />

b) nieruchomy wektor i wirującą oś przebiegu czasowego, krócej: wirującą „oś czasu” (rys. b),<br />

przy czym rzut tego wektora na tę oś wyraża wartość chwilową przebiegu.<br />

a) nieruchoma<br />

b)<br />

„oś czasu”<br />

u(t)<br />

u(0)<br />

ω t<br />

U mt<br />

ψ u<br />

U m<br />

u(0)<br />

wirująca „oś czasu”<br />

w położeniu początkowym<br />

0 oś zerowej fazy<br />

0<br />

oś zerowej fazy<br />

początkowej<br />

początkowej<br />

(ψ u = 0)<br />

(ψ u = 0)<br />

u(t)<br />

ω t<br />

ψ u<br />

wirująca „oś czasu”<br />

w chwili t > 0<br />

U m<br />

Wektory reprezentujące przebiegi czasowe prądu i(t) i napięcia u(t) nazywa się wskazami i oznacza<br />

podkreślonymi wielkimi literami: wskazy wirujące – jako I mt , U mt ; wskazy nieruchome – I m , U m .<br />

Wskaz nieruchomy danej wielkości, tożsamy – jak widać – ze wskazem ruchomym tej wielkości w<br />

chwili początkowej, nazywa się wskazem początkowym tejże wielkości.<br />

Wartość chwilowa przebiegu sinusoidalnego jest określona jednoznacznie przez czas oraz długość i<br />

położenie reprezentującego go wskazu początkowego. Algebraicznemu <strong>do</strong>dawaniu wartości chwilowych<br />

prądów lub napięć sinusoidalnych o tej samej pulsacji odpowiada geometryczne <strong>do</strong>dawanie<br />

ich wskazów początkowych.<br />

Wykres przedstawiający wskazy początkowe prądów i napięć obwodu prądu sinusoidalnego o określonej<br />

pulsacji nosi nazwę wykresu wskazowego tego obwodu. Zazwyczaj na wykresie wskazowym<br />

nie rysuje się osi układu współrzędnych (nie zaznacza się też osi zerowej fazy początkowej).<br />

W praktyce są używane wartości skuteczne prądów i napięć, a nie ich wartości maksymalne. Wskazy<br />

początkowe I m i U m – o długościach I m i U m , równych amplitu<strong>do</strong>m przebiegów sinusoidalnych<br />

i(t) i u(t) – zastępuje się dlatego wskazami I i U , o długościach 2 razy krótszych od I m i U m , czyli<br />

równych wartościom skutecznym I i U przebiegów i(t) i u(t). „Zredukowane” w taki sposób wskazy<br />

początkowe prądów i napięć przedstawia się na wykresach wskazowych, nazywając je po prostu<br />

wskazami (bez <strong>do</strong>datkowych określeń).<br />

Przydatność wykresów wskazowych wynika z poglą<strong>do</strong>wego przedstawienia związków czasowych<br />

jako zależności geometrycznych, co na ogół ułatwia rozwiązanie obwodu.<br />

Wykresy wskazowe i wykresy trójkątowe dwójników pasywnych<br />

Kąt przesunięcia fazowego (przesunięcie<br />

fazowe) dwójnika jest różnicą faz początkowych<br />

jego napięcia i prądu: ϕ = ψ u −ψ<br />

.<br />

Gdy ϕ > 0 (X > 0; B < 0), to wskaz I opóźnia<br />

się o kąt ϕ względem wskazu U (rys. a);<br />

gdy natomiast ϕ < 0 (X < 0; B > 0), to<br />

wskaz U opóźnia się o kąt ⎟ϕ⎟ względem<br />

wskazu I (rys. b).<br />

i<br />

a) ϕ > 0 b) ϕ < 0<br />

I G<br />

U<br />

ψ u<br />

ϕ<br />

U X<br />

ψ i<br />

U R<br />

I B<br />

I<br />

I<br />

U R<br />

(oś zerowej fazy<br />

początkowej)<br />

I B<br />

ϕ<br />

U X<br />

I G<br />

ψ i<br />

U<br />

ψ u


124<br />

Wykład XV<br />

Na przedstawionych wyżej wykresach wskazowych<br />

dwójnika – o charakterze: a) induk-<br />

I G G<br />

c) d)<br />

I R X >0<br />

cyjnym, b) pojemnościowym – zaznaczono<br />

I<br />

skła<strong>do</strong>we U R i U X wskazu napięcia U (dla<br />

U<br />

zastępczego dwójnika szeregowego R, X ), oraz<br />

R U<br />

I B B 0 .<br />

Wskazy napięcia oraz prądu tworzą wraz ze swymi skła<strong>do</strong>wymi trójkąty napięcia i trójkąty prądu,<br />

co lepiej widać, gdy te wykresy są narysowane oddzielnie, z założeniem zerowej wartości początkowej,<br />

odpowiednio: kąta fazowego ψ i prądu I w układzie R, X (trójkąt napięcia); kąta fazowego ψ u<br />

napięcia U w układzie G, B (trójkąt prądu). Wykresy takie, dla dwójnika o charakterze indukcyjnym<br />

(ϕ > 0) – jak na rys. a, pokazano niżej na rysunkach a’ i a”.<br />

Kątowi ϕ i wartościom skutecznym<br />

I, I G i I B oraz U, U R i U X odpowiadają<br />

skła<strong>do</strong>we czynne i bierne:<br />

- prądu I = I = I ⋅ cosϕ<br />

cz<br />

G<br />

a’)<br />

ψ i = 0<br />

i I b = − I ⋅ sinϕ<br />

, I b = I B ;<br />

ϕ<br />

I<br />

ϕ<br />

I B<br />

- napięcia U cz = U R = U ⋅ cosϕ<br />

U R<br />

I<br />

i U b = U ⋅ sinϕ<br />

, U b = U X .<br />

Dzieląc oraz mnożąc długości boków<br />

trójkątów napięcia i prądu,<br />

G<br />

odpowiednio, przez wartości skuteczne<br />

prądu i napięcia, otrzymuje<br />

X > 0<br />

Z<br />

ϕ<br />

S<br />

B < 0<br />

ϕ<br />

się trójkąty: impedancji, admitancji<br />

Y<br />

ϕ<br />

Q > 0<br />

oraz mocy – pokazane obok na rysunku<br />

dla dwójnika o charakterze<br />

indukcyjnym (ϕ > 0).<br />

R<br />

P<br />

Przeliczenie długości boków z trójkątów impedancji lub admitancji, na trójkąt mocy, wyraża się<br />

2<br />

następująco: P = R ⋅ I<br />

2<br />

= G ⋅U<br />

;<br />

2<br />

Q = X ⋅ I<br />

2<br />

= −B<br />

⋅U<br />

;<br />

2<br />

S = Z ⋅ I<br />

2<br />

= Y ⋅U<br />

.<br />

U<br />

U X<br />

a”)<br />

I G<br />

ψ u = 0<br />

U<br />

Przykład. Wykres wskazowy prądów i napięć dwójnika<br />

R, L, C o strukturze szeregowo-równoległej,<br />

wykonany przy założeniu i3 ( t)<br />

= I3<br />

2 sinωt<br />

,<br />

tj. ψ i3 = 0 .<br />

I = I 1<br />

C<br />

U 1<br />

I 3<br />

U R3 R 3<br />

U L L<br />

U L<br />

ϕ 3<br />

U 2 = U 3<br />

U R3<br />

I = I 1<br />

I 2<br />

I 3<br />

ϕ<br />

U<br />

U 1


6. Elementy obwodów prądu sinusoidalnego 125<br />

Wykonany wykres odpowiada danym: X L = X C = R 3 = 100 Ω, R 2 = 200 Ω. Jak widać, układ o tych<br />

danych jest dwójnikiem rezystancyjno-pojemnościowym (ϕ < 0), ale przy mniejszej np. trzykrotnie<br />

wartości reaktancji X C byłby to dwójnik rezystancyjno-indukcyjny (ϕ > 0).<br />

Uwaga. Wykres wskazowy wykonuje się w skali, tzn. przyjmuje się skale długości wskazów prądu<br />

i wskazów napięcia (skale prądu i napięcia). Długości i fazy wskazów napięcia oraz prądu, <strong>do</strong>tyczących<br />

poszczególnych elementów idealnych lub gałęzi z nich złożonych, są ze sobą związane wartościami<br />

impedancji i kąta przesunięcia fazowego.<br />

Szkicując wykres wskazowy nie określa się <strong>do</strong>kładnie skal prądu i napięcia, trzeba jednak zachować<br />

przybliżone proporcje odpowiadające danym bądź spodziewanym wartościom parametrów<br />

obwodu.<br />

Procedura obliczenia wartości impedancji Z i kąta fazowego ϕ dwójnika (dla podanych wyżej parametrów<br />

układu):<br />

a) impedancja, konduktancja i susceptancja gałęzi trzeciej -<br />

2 2<br />

R3<br />

X<br />

Z 3 = R3<br />

+ X L = 100 2 Ω; G 3 = = 0, 005 S; 0, 005<br />

Z<br />

2<br />

3 L<br />

B = − = − S;<br />

2<br />

3<br />

Z3<br />

b) konduktancja gałęzi drugiej -<br />

1<br />

G 2 = = 0,005 S;<br />

R<br />

2<br />

c) konduktancja, susceptancja i admitancja gałęzi drugiej z trzecią -<br />

G = G + G 0,01 S; B = B = 0, 005 S; Y = G + B 0,01 1, 25 S;<br />

23 2 3 =<br />

23 3 −<br />

d) rezystancja i reaktancja gałęzi drugiej z trzecią -<br />

G23<br />

B23<br />

R = 80 Ω; X = − 40 Ω;<br />

Y Y<br />

23 =<br />

2<br />

23<br />

23 =<br />

2<br />

23<br />

e) rezystancja, reaktancja, impedancja i kąt fazowy dwójnika -<br />

2 2<br />

23 23 23 =<br />

R = R 23 = 80 Ω; X = −X<br />

C + X = 60 Ω; Z = R + X = 100 Ω;<br />

23 −<br />

2<br />

2<br />

X o<br />

ϕ = arc tg ≅ −37 .<br />

R<br />

Procedura obliczenia wartości skutecznych prądów i napięć gałęziowych przy założonym przebiegu<br />

i3 ( t)<br />

= 2 2 sinωt<br />

, [i 3 ] = A, [ω] = s -1 , [t] = s, tzn. wartościach I 3 = 2 A i ψ i3 = 0 (na wykresie – poziome<br />

położenie wskazu I 3 ):<br />

a) impedancja i wartość skuteczna napięcia w gałęzi trzeciej -<br />

2 2<br />

3 = 3 L =<br />

Z R + X 100 2 Ω; U = Z ⋅ I = 200 2 283 V;<br />

3 3 3 ≅<br />

b) przesunięcie fazowe i faza początkowa napięcia w gałęzi trzeciej -<br />

X o<br />

3 L<br />

= tg =<br />

o<br />

ϕ arc 45 ; ψ u 3 = ψ i3<br />

+ ϕ3<br />

= 45 ;<br />

R3<br />

c) wartość skuteczna i faza początkowa napięcia w gałęzi drugiej -<br />

o<br />

U 2 = U 3 ≅ 283 V; ψ u 2 = ψ u 3 = 45 ;<br />

d) impedancja, przesunięcie fazowe, wartość skuteczna i faza początkowa prądu w gałęzi drugiej -<br />

Z = R 200 Ω; ϕ 0 ; U 2<br />

= 1, 41<br />

o<br />

I A; ψ = ψ −ϕ<br />

45<br />

Z<br />

2 2 =<br />

2 =<br />

2 ≅<br />

2<br />

e) wartość skuteczna i faza początkowa prądu dwójnika (i = i 1 ) -<br />

I1 x = I1<br />

⋅ cosψ i1<br />

= I 2 ⋅ cosψ<br />

i2<br />

+ I3<br />

⋅ cosψ<br />

i3<br />

= 3 A;<br />

I1 y = I1<br />

⋅sinψ i1<br />

= I 2 ⋅sinψ<br />

i2<br />

+ I3<br />

⋅sinψ<br />

i3<br />

= 1 A;<br />

I<br />

2 2<br />

1y<br />

o<br />

I 1 = I1x<br />

+ I1y<br />

= 10 ≅ 3,16 A; ψ i1 = arc tg ≅ 18,4 ;<br />

I<br />

1x<br />

i 2 u2<br />

2 = ;


126<br />

Wykład XV<br />

I = I 1 ≅ 3,16 o<br />

ψ 1 = ψ i 1 ≅ 18,4 ;<br />

f) wartość skuteczna i faza początkowa napięcia na pojemności -<br />

o<br />

U1 = X<br />

C<br />

⋅ I1<br />

= 100 10 ≅ 316 V; ψ u 1 = ψ i1<br />

+ ϕ1<br />

≅ −71,6<br />

;<br />

g) wartość skuteczna i faza początkowa napięcia dwójnika -<br />

U x = U ⋅ cosψ u = U1 ⋅ cosψ<br />

u1<br />

+ U 2 ⋅ cosψ<br />

u2<br />

= 300 V;<br />

U y = U ⋅sinψ u = U1 ⋅sinψ<br />

u1<br />

+ U 2 ⋅sinψ<br />

u2<br />

= −100<br />

V;<br />

U =<br />

U<br />

2 2<br />

y<br />

o<br />

U x + U y = 100 10 ≅ 316 V; ψ u = arc tg ≅ −18,4 ;<br />

U x<br />

h) impedancja i przesunięcie fazowe dwójnika -<br />

U<br />

o<br />

Z = = 100 Ω; ϕ ψ u −ψ<br />

≅ −37 .<br />

I<br />

= i<br />

Wartości symboliczne prądu i napięcia sinusoidalnego<br />

Wskazy prądu i napięcia: I i U, umieszczone na płaszczyźnie<br />

zespolonej, stają się liczbami zespolonymi (rys. obok – wskaz U<br />

jψu<br />

jako liczba zespolona U = U ⋅ e ). Noszą one nazwy wartości<br />

skutecznych zespolonych lub wartości symbolicznych prądu i<br />

napięcia. Używając symbolu liczby urojonej j = −1<br />

, zapisuje<br />

się wartości symboliczne w postaci wykładniczej, trygonometrycznej<br />

lub algebraicznej (kartezjańskiej):<br />

I I e<br />

j ψ<br />

= ⋅<br />

i = I ⋅ (cos ψ + j sinψ<br />

) = Re I + j Im I , (6.48a)<br />

i<br />

U U e<br />

j ψ<br />

= ⋅<br />

u = U ⋅ (cos ψ u+<br />

j sinψ<br />

u ) = ReU<br />

+ j Im U , (6.48b)<br />

gdzie:<br />

I = ⎟ I⎟ , U = ⎟ U⎟ – moduły (długości wskazów) I i U ;<br />

ψ i , ψ u – argumenty I i U ;<br />

Re I , Re U – części rzeczywiste I i U ;<br />

Im I , Im U – części urojone I i U .<br />

Przebiegi czasowe prądu i napięcia odpowiadają częściom urojonym wskazów zespolonych wirujących<br />

I mt i U mt (prądu i napięcia):<br />

jωt<br />

i t)<br />

= Im I = Im( I 2 ⋅ e ) = I 2 sin( ωt<br />

+ ψ ) , (6.49a)<br />

( mt<br />

i<br />

jωt<br />

(<br />

mt<br />

u<br />

i<br />

u t)<br />

= ImU<br />

= Im( U 2 ⋅ e ) = U 2 sin( ωt<br />

+ ψ ) . (6.49b)<br />

Własności metody symbolicznej rozwiązywania obwodów prądu sinusoidalnego<br />

1. Dodawaniu wartości chwilowych prądów (w węzłach) oraz napięć (na elementach obwodu)<br />

odpowiada <strong>do</strong>dawanie ich wartości symbolicznych:<br />

i ( t)<br />

= ∑i k ( t)<br />

↔ I = ∑ I k ; u ( t)<br />

= ∑u k ( t)<br />

↔ U = ∑U k<br />

.<br />

k<br />

k<br />

k<br />

k<br />

2. Między wartościami symbolicznymi prądu i napięcia elementów idealnych zachodzą następujące<br />

zależności (wykresy ze wskazami „zespolonymi” są takie same jak ze „zwykłymi”):<br />

a) rezystancja -<br />

I R<br />

R, G<br />

U R<br />

I R = G ⋅ U R<br />

U R = R ⋅ I R<br />

U<br />

I<br />

R<br />

j Im U<br />

0<br />

= R ⋅ I , (6.50a)<br />

R<br />

= G ⋅ , (6.50b)<br />

R U R<br />

(oś urojona)<br />

U<br />

ψ<br />

Re U<br />

(oś rzeczywista)


6. Elementy obwodów prądu sinusoidalnego 127<br />

b) pojemność -<br />

I C<br />

X C , B C<br />

U C<br />

I C = jB C ⋅ U C<br />

U C = -jX C ⋅ I C<br />

U<br />

I<br />

C<br />

C<br />

= − jX ⋅ I , (6.51a)<br />

C<br />

C<br />

C<br />

C<br />

= jB ⋅U<br />

, (6.51b)<br />

c) indukcyjność (własna) -<br />

I L<br />

X L , B L<br />

U L<br />

U L = jX L ⋅ I L<br />

I L = -jB L ⋅ U L<br />

U<br />

I<br />

L<br />

L<br />

= jX ⋅ I , (6.52a)<br />

L<br />

L<br />

L<br />

= − jB ⋅U<br />

, (6.52b)<br />

L<br />

d) indukcyjność wzajemna -<br />

I 1<br />

X 21 = X M<br />

U 2M<br />

U 2M = jX M ⋅ I 1<br />

I 1<br />

U<br />

= jX ⋅ , (6.53a)<br />

2M<br />

M I 1<br />

analogicznie<br />

U = jX ⋅ . (6.53b)<br />

1M<br />

M I 2<br />

3. Ukła<strong>do</strong>wi szeregowemu R, X przypisuje się impedancję zespoloną<br />

Z = R + jX = Z ⋅ e<br />

(6.54a)<br />

i postać zespoloną odmiany impedancyjnej prawa Ohma<br />

jϕ<br />

U = Z ⋅ I . (6.54b)<br />

4. Ukła<strong>do</strong>wi równoległemu G, B przypisuje się admitancję zespoloną<br />

Y = G + jB = Y ⋅ e<br />

(6.55a)<br />

i postać zespoloną odmiany admitancyjnej prawa Ohma<br />

− jϕ<br />

I = Y ⋅U<br />

. (6.55b)<br />

5. Dla określonego dwójnika zachodzi związek<br />

1<br />

Y = , (6.56)<br />

Z<br />

z czego wynikają następujące zależności między elementami układów zastępczych R, X i G, B :<br />

G<br />

B R X<br />

R = , X = − , G = , B = − . (6.56a, b, c, d)<br />

2<br />

2<br />

2<br />

2<br />

Y<br />

Y Z<br />

Z<br />

6. Przy połączeniu szeregowym dwójników pasywnych sumuje się oddzielnie rezystancje i reaktancje<br />

albo impedancje zespolone (nie wolno sumować modułów impedancji zespolonych!):<br />

R , X = ∑ X k ; Z = ∑ Z k . (6.57a, b, c)<br />

= ∑ R k<br />

k<br />

k<br />

7. Przy połączeniu równoległym dwójników pasywnych sumuje się oddzielnie konduktancje i susceptancje<br />

albo admitancje zespolone (nie wolno sumować modułów admitancji zespolonych!):<br />

G , B = ∑ B k , Y = ∑Y k . (6.58a, b, c)<br />

= ∑G k<br />

k<br />

k<br />

8. Wszystkie twierdzenia i metody rozwiązywania obwodów, <strong>do</strong>tyczące teorii obwodów prądu<br />

stałego (wielkości rzeczywiste stałe: U, I, E, I źr , R, G), zachowują ważność w analizie stanów<br />

ustalonych obwodów prądu sinusoidalnego przy użyciu liczb zespolonych (wielkości zespolone:<br />

U, I, E, I źr , Z, Y).<br />

k<br />

k


128<br />

Wykład XV<br />

Przykład. Zostanie przeprowadzony rachunek<br />

symboliczny, odpowiadający procedurom<br />

przedstawionym w poprzednim przykładzie,<br />

<strong>do</strong>tyczący tego samego dwójnika (rys. obok).<br />

Dane są, jak poprzednio:<br />

X L = X C = R 3 = 100 Ω, R 2 = 200 Ω,<br />

i3 ( t)<br />

= 2 2 sinωt<br />

, [i 3 ] = A, [ω] = s -1 , [t] = s .<br />

Procedura obliczenia impedancji Z i kąta fazowego ϕ dwójnika:<br />

Z 1 = − j100 Ω; Z 2 = 200 Ω; Z 3 = (100 + j 100)<br />

Ω;<br />

Z<br />

o<br />

2 ⋅ Z 3<br />

− j37<br />

Z = Z 1 + = 80 − j60<br />

≅ 100 ⋅ e Ω; Z = 100 Ω; ϕ ≅37°.<br />

Z + Z<br />

2<br />

3<br />

Procedura obliczenia wartości skutecznych prądów i napięć gałęziowych:<br />

I<br />

3 2 = 2<br />

o<br />

j0<br />

= ⋅ e A;<br />

Z<br />

3 100 + j100<br />

= 100 2<br />

o<br />

j45<br />

= ⋅ e Ω;<br />

o<br />

j45<br />

U<br />

3<br />

= Z 3 ⋅ I 3 = 200 2 ⋅ e = (200 + j200)<br />

o<br />

j0<br />

Z 2 = 200 = 200 ⋅ e Ω;<br />

o<br />

j45<br />

I 2 = Y 2 ⋅U<br />

= 2 ⋅ e = (1 + j1)<br />

I<br />

2<br />

1 I 2 + I 3 = 3 + j1<br />

≅ 10<br />

V; U<br />

2<br />

= U<br />

3<br />

; U 2 = U 3 ≅ 283 V;<br />

o<br />

j0<br />

Y 2 = 0,005 = 0, 005 ⋅ e S;<br />

o<br />

j18,4<br />

A; I 2 ≅ 1, 41 A;<br />

= ⋅ e A; I 1 ≅ 3, 16 A;<br />

o<br />

− j90<br />

Z 1 = − j100<br />

= 100 ⋅ e Ω;<br />

o<br />

− j71,6<br />

U<br />

1<br />

= Z 1 ⋅ I 1 ≅ 100 10 ⋅ e ≅ (100 − j300)<br />

1<br />

+ U<br />

2<br />

= 300 − j100<br />

≅ 100 10<br />

o<br />

− j18,4<br />

V; U 1 ≅ 316 V;<br />

U = U<br />

⋅ e V; U ≅ 316 V;<br />

U<br />

o<br />

− j37<br />

I = I 1 ; Z = = 80 − j60<br />

≅ 100 ⋅ e Ω; Z = 100 Ω; ϕ ≅37°.<br />

I<br />

Wniosek (wynikający z porównania procedur obliczeniowych przedstawionych w tym i w poprzednim<br />

przykładzie): korzyści obliczeniowe stosowania rachunku symbolicznego są oczywiste.<br />

Moc zespolona<br />

Trójkąt mocy umieszczony na płaszczyźnie zespolonej przedstawia<br />

trójkąt mocy zespolonej (rys. obok), którego bokami są:<br />

moc czynna P, moc bierna Q pomnożona przez j, oraz moc zespolona<br />

S :<br />

jϕ<br />

S = S ⋅ e = S ⋅ (cosϕ<br />

+ j sinϕ)<br />

= P + jQ<br />

Skoro<br />

ϕ = ψ u −ψ<br />

, to<br />

i<br />

2<br />

2<br />

P<br />

; (6.59)<br />

P = Re S , Q = Im S , S = P + Q = U ⋅ I . (6.60a, b, c)<br />

jψ<br />

− jψi<br />

− jψi<br />

u<br />

u<br />

S = U ⋅ I ⋅ e ⋅ e = ( U ⋅ e ) ⋅ ( I ⋅ e ) = U ⋅ I<br />

stąd moc zespolona układu szeregowego R, X oraz układu równoległego G, B wynosi:<br />

2<br />

S = Z ⋅ I = R ⋅ I + jX ⋅ I ,<br />

2<br />

2<br />

jψ<br />

2<br />

∗<br />

2<br />

, (6.61)<br />

S = Y<br />

∗ ⋅U<br />

= G ⋅U<br />

− jB ⋅U<br />

. (6.62a, b)<br />

Sporządzając bilans mocy obwodu, sumuje się oddzielnie moce czynne i bierne albo moce zespolone<br />

(nie wolno sumować modułów mocy zespolonych, tj. mocy pozornych!):<br />

P = ∑ P k , Q = ∑Q k , S = ∑ S k<br />

. (6.63a, b, c)<br />

k<br />

k<br />

k<br />

I = I 1<br />

C<br />

U 1<br />

I 2 I 3<br />

U R3 R 3<br />

U L L<br />

S<br />

ϕ<br />

2<br />

jQ


6. Elementy obwodów prądu sinusoidalnego 129<br />

Posługiwanie się rachunkiem symbolicznym w rozwiązywaniu obwodów<br />

Przykład. Z użyciem rachunku symbolicznego, poprzez<br />

stosowanie różnych metod, zostaną wyznaczone wartości<br />

A 1<br />

prądów i napięć, określone wskazania przyrządów pomiarowych<br />

(amperomierzy i woltomierza) oraz sporządzony<br />

U<br />

bilans mocy w układzie pokazanym na rysunku. Przyrządy<br />

A 2<br />

są idealne i mierzą wartości skuteczne.<br />

I źr<br />

Z L<br />

I źr<br />

R<br />

C<br />

=<br />

I źr<br />

L<br />

V<br />

L<br />

u = 40 2 sinωt<br />

, i źr = 2 2 cosωt<br />

,<br />

I 1 Z R<br />

I 2 = I 1 + I źr lub I 1 = I 2 – I źr ;<br />

U<br />

U R<br />

U V = U C + U L = Z C I 2 +Z L I źr .<br />

I 2<br />

I źr<br />

U V U L<br />

Z L<br />

I 1 Z R<br />

I 1a Z R<br />

I 1b Z R<br />

U<br />

U<br />

I 2 Z C<br />

≡<br />

I 2a Z C<br />

+<br />

I 2b Z C<br />

Dane: R X C = X = 10 Ω;<br />

[u] = V, [i źr ] = A, [ω] = s, [t] = s.<br />

Danym przebiegom odpowiadają wartości symboliczne napięcia i prądu: U = 40 V; I źr = j2 A.<br />

Impedancje zespolone elementów wynoszą: Z R = 10 Ω; Z C = – j10 Ω; Z L = j10 Ω.<br />

Ze schematu wynika, że wystarcza obliczenie I 1 lub I 2 , bowiem:<br />

Oblicza się najpierw – na różne sposoby – prąd I 1 , a następnie<br />

I 2 , U R , U C , U L i U V , określa wskazania przyrządów i sporządza<br />

bilans mocy obwodu.<br />

1. Zasada superpozycji<br />

Z C<br />

U C<br />

Z L<br />

Z L<br />

I<br />

I<br />

U<br />

− I źr ⋅ Z C<br />

= = (2 2) A; I 1b<br />

= = ( −1−<br />

j1)<br />

A;<br />

Z + Z<br />

Z + Z<br />

1 a + j<br />

R C<br />

= I + I = (1 1) A.<br />

1 1a 1b<br />

+ j<br />

R<br />

2. Zamiana źródła prą<strong>do</strong>wego na napięciowe i obliczenie prądu w oczku (z równania oczkowego<br />

dla jednego oczka)<br />

C<br />

I 1<br />

Z R<br />

I 1<br />

Z R<br />

U<br />

I źr<br />

I 2<br />

Z C<br />

≡<br />

U<br />

I źr<br />

I 2<br />

Z C<br />

≡<br />

U<br />

I 1<br />

I o<br />

Z C I źr<br />

Z R<br />

Z C<br />

Z L<br />

I<br />

U − Z C ⋅ I źr<br />

= I o =<br />

= (1 + 1) A.<br />

Z + Z<br />

1 j<br />

R C


130<br />

Wykład XV<br />

3. Zamiana źródła napięciowego na prą<strong>do</strong>we i obliczenie potencjału w węźle (z równania węzłowego<br />

dla jednego węzła niezależnego)<br />

U<br />

I 1 Z R<br />

I 2 Z C<br />

V o =0 V 1<br />

I źr<br />

Z L<br />

≡<br />

Y R U<br />

Y R<br />

I 1<br />

I 2 Y C<br />

V o =0 V 1<br />

I źr<br />

1 1<br />

Y R = 0,1 S; Y C = = j0,<br />

1 S;<br />

Z<br />

Z<br />

=<br />

R<br />

C<br />

I źr + Y R ⋅U<br />

( Y R + Y C ) ⋅V<br />

1<br />

= I źr + Y R ⋅U<br />

; V<br />

1<br />

= = (30 − j10)<br />

V;<br />

Y + Y<br />

I = Y R ⋅ ( U −V<br />

1 ) = (1 + 1) A.<br />

1 j<br />

4. Twierdzenie Thevenina (gałąź U, R jako zewnętrzna)<br />

R<br />

C<br />

Z R<br />

U 0<br />

Z C<br />

U C 0<br />

I 1<br />

Z w<br />

U 0 I źr<br />

I źr<br />

Z L<br />

U<br />

U + U<br />

0<br />

U<br />

0<br />

= −U<br />

C0<br />

= −Z<br />

C ⋅ I źr = −20<br />

V; Z w = Z C ; I 1 = = (1 + j1)<br />

A.<br />

Z + Z<br />

5. Wartości symboliczne I 2 , U R , U C , U L i U V , oraz wskazania przyrządów<br />

I 2 = I 1 + I źr = (1 + j3) A;<br />

U R = Z R I 1 = (10 + j10) V; U C = Z C I 2 = (30 – j10) V; U L = Z L I źr = (– 20) V;<br />

U V = U C +U L = (10 – j10) V;<br />

I A = I = 2 1,41 A; I A = I = 10 3, 16 A; U V U = 10 2 ≅ 14, 1 V.<br />

1 1 ≅<br />

6. Bilans mocy obwodu<br />

S<br />

gen<br />

2 2 ≅<br />

*<br />

*<br />

1 V źr<br />

j<br />

R<br />

w<br />

=<br />

V<br />

= U ⋅ I + U ⋅ I = 40 ⋅ (1 − j1)<br />

+ (10 − j10)<br />

⋅ ( − j2)<br />

= (20 − 60) VA;<br />

2<br />

2 2<br />

1 =<br />

2<br />

2<br />

odb = C 2 L źr<br />

P odb = R ⋅ I = 10 ⋅ (1 + 1 ) 20 W;<br />

Q −X<br />

⋅ I + X ⋅ I = −10<br />

⋅ (1 + 3 ) + 10 ⋅ 2 = − 60 var;<br />

S<br />

odb<br />

= Podb<br />

+ j Qodb<br />

,<br />

odb gen<br />

2<br />

S = S .<br />

2<br />

2

Hooray! Your file is uploaded and ready to be published.

Saved successfully!

Ooh no, something went wrong!