Harmonický ustálený stav
Poznamky k TO - 1 (31O1)

Harmonický ustálený stav (HUS)

  • Harmonický = všechny obvodové veličiny jsou harmonické průběhy (lze je popsat funkcí A sin(ωt + φ)) se shodným kmitočtem ω => všechny nezávislé zdroje jsou harmonické se shodným kmitočtem.
  • Ustálený stav = všechny vlivy změn (připojení zdrojů, počáteční podmínky apod.) již dozněly, v obvodu nenastávají změny ani v zapojení, ani v hodnotách zdrojů.

Pro zjednodušení výpočtu provedeme matematickou transformaci (odvození a předpoklady viz literatura), která převede řešení soustav integrodiferenciálních rovnic na řešení soustav algebraických rovnic s komplexními koeficienty. Velmi zjednodušeně lze říci, že formálně je výpočet shodný s výpočty odporových obvodů v SUS, pouze místo časových průběhů u(t),i(t) pracujeme s fázory U, I a místo rezistorů R s impedancemi Z. Další výhodou používání fázorů je to, že použité veličiny a charakteristiky jsou přímo měřitelné (modul fázoru = efektivní hodnota napětí, existují měřiče impedance a samozřejmě lze měřit fázi).

Zavedené pojmy:

Fázor

U = U e(jφ).
  • Vztah mezi časovým průběhem a fázorem je dán rovnicí:
    u(t) = A sin(ωt + φ)  = IM{A e(jφ) e(jωt)}  = IM{21/2 U e(jωt)}  = IM{21/2 U e(jφ) e(jωt)}.
  • Rotující fázor (komplexor) je dán vztahem
    U = U e(jωt + φ), obsahuje tedy člen e(jωt) a tím i proměnnou t na rozdíl od fázoru!
  • Často používáme fázor v měřítku maximálních hodnot (amplitud)
    Um = Um e(jφ) = A e(jφ).
  • Operace s fázory:
    • Násobení konstantou.
    • Součet (musíme provádět přes "složkový" tvar).
    • Derivace.
    • Integrál.
    • Nelze součin - dostali bychom různé kmitočty.
      Nezaměňovat se součinem komplexních čísel (např. impedance a fázoru), který je běžnou operací = násobení komplexní konstantou!
  • Operace s komplexními čísly:
    • Součet: (a + j b) + (c + j d) = (a + c) + j (b + d).
    • Součin: (a + j b) (c + j d) = M1 M2  ej (φ1 + φ2).
    • Převod mezi složkovým a polárním vyjádřením komplexního čísla:
      a + j b = M [cos(φ)+j sin(φ)],
      M = (a2+b2)1/2,
      φ = arctan (b/a). {Pozor na definiční obor funkce arctan, t.j. vyjádření pro (a-j b) a (-a+j b).}
    • Příklad: 1 - j = 21/2 e-j π/4; -1 + j = 21/2 ej 3π/4

Imitance

společné označení pro impedanci a admitanci (komplexní čísla, nemají charakter fázoru, nejsou obrazem časové veličiny).
  • Impedance: definována vztahy:
    U = Z I => Z = U / I.
  • Z = R + j X,
    kde R je rezistance, X je reaktance [indukční X = ω L, kapacitní X = -1/(ω C)].
  • Admitance: definována vztahy:
    I = Y U => Y = I / U.
  • Y = G + j B,
    kde G je konduktance, B je susceptance.

Přenos

P = X2 / X1 = P e(jφ).
Poznámka: Někdy je používáno označení přenos pouze pro případ, kdy X2, X1 jsou fázory stejných veličin (t.j. oba U nebo I) a pro "smíšený" poměr se používá např. označení přenosová imitance.

Fázorový diagram

grafické znázornění vztahu mezi fázory napětí a proudu určitého (=> přiřazení ke schématu a vyznačení fázoru v něm) obvodového modelu.
Požadujeme přehlednost => obvykle nekreslíme do souřadné soustavy, nekreslíme celé rovnoběžníky při sčítání apod. Takže např. II. Kirchhoffův zákon je prezentován jako uzavřený mnohoúhelník apod.
  • Topografický fázorový diagram - vyjadřuje návaznost veličin na sebe - viz uvedený příklad mnohoúhelníku jako zobrazení fázoru napětí ve smyčce.
  • Orientační fázorový diagram - fázory jsou znázorňovány bez uvažovaní skutečných velikostí.

Výkon

  • Činný - je definován jako střední hodnota okamžitého výkonu přes periodu.
    P = U I cos(φ) = Re {U I*}.
    [Poznámka: výsledek je pouze reálné nezáporné číslo!]
  • Jalový
    Q = U I sin(φ) = Im {U I*}.
    [Poznámka: výsledek je opět pouze reálné číslo, znaménko je dáno charakterem zátěže (pro L kladné, pro C zaporné).]
  • Zdánlivý
    S = U I = Modul {U I*},
    platí vztah S2 = P2 + Q2.
  • Účiník
    λ = cos(φ) = P / S.



Pro výpočty příkladů lineárních obvodů v HUS je možné použít pomůcek uvedených v oddílu "Pomůcky pro přípravu" na hlavní straně. Např. na této stránce je komplexní kalkulačka, mezi programy je několik použitelných, od jednoduchých pro výpočet daných struktur až po koplexnější - LTP, ACDC.

©Petr Boreš