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:
FázorU = 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
|