background image

POLITECHNIKA WROCŁAWSKA 

ZAKŁAD 

AUTOMATYKI 

i STEROWANIA w ENERGETYCE 

 

Kamil Ignatowski 

204253 

Wydział: Elektryczny 
Rok Akademicki : 2016/2017 

Laboratorium Informatyki – modelowania cyfrowego 

Data wykonania ćwiczenia: 
04.11.2016 

Ćwiczenie nr 1 

Temat:  

Jednofazowe obwody RLC

 

Ocena: 
 

 

Prowadzący: 
Dr inż. Piotr Pierz 

Podpis:

 

 
 
 

I. 

Cel ćwiczenia 

 

Celem  ćwiczenia  jest  poznanie  zasad  symulacji  prostych  obwodów 

jednofazowych składających się z elementów RLC. Rezonans napięć i prądów.

 

 

II. 

Realizacja ćwiczenia

 

 

a) 

Zamodelowano obwód szeregowy RLC 

 

 

            Parametry obwodu: 

u(t) = 325,3sin(ωt), R = 5Ω, L = 50 mH, C = 50 μF,  fr = 

1

2𝜋√𝐿𝐶

=100,71 Hz. 

 

 

Rys1. Schemat obwodu szeregowego RLC. 
 
 

background image

 

 

 

 

Rys.2a). Napięcia na elementach analizowanego szeregowego obwodu RLC przy 
częstotliwości 50Hz

 

 

 

 

Rys.2 b). Napięcia na elementach analizowanego szeregowego obwodu RLC przy 
częstotliwości rezonansowej 100,71 Hz

 

background image

b)  Zamodelowano obwód równoległy RLC 

 

            Parametry obwodu: 
u(t)  =  325,3sin(ωt),  R1  =  5Ω,  R2  =  2,5Ω,  L  =  50  mH,  C  =  50  μF,  

fr  =

1

2𝜋√𝐿𝐶

𝑅

2

2

𝐿
𝐶

𝑅

1

2

𝐿
𝐶

= 101,67 Hz. 

 

 

 

Rys.3. Schemat obwodu równoległego RLC. 
 
 

 

Rys.4.a)  Napięcia  na  elementach  analizowanego  równoległego  obwodu  RLC  przy 
częstotliwości 50Hz.

 

background image

 

 

Rys.4b)    Napięcia  na  elementach  analizowanego  równoległego  obwodu  RLC  przy 
częstotliwości rezonansowej 101,67Hz  

 
 
 

 

 

Rys.5.a) Prądy gałęziowe analizowanego równoległego obwodu RLC przy częstotliwości 50 Hz  

 

background image

 

 

Rys.5.b)    Prądy  gałęziowe  analizowanego  równoległego  obwodu  RLC  przy  rezonansowej 
częstotliwości 101,67 Hz.
 

 
 

III. 

OBLICZENIA 

 

a)  Szeregowy obwód RLC przy f=50Hz 
 

Dane do obliczeń: 
-R=5Ω 
-L=50mH 
-C=50µF 
 
𝑋

𝐿

= 𝑗𝜔𝐿 = 𝑗21,7Ω 

𝑋

𝐶

= −𝑗

1

𝜔𝐶

= −𝑗85,69Ω 

𝑍 = 𝑅 + 𝑗(𝑋

𝐿

− 𝑋

𝐶

) = 5 + 𝑗(21,7 − 85,69) = (5 − 𝑗63.99) Ω 

𝐼 =

𝑈

𝑍

=

𝑈

𝑅 + 𝑗(𝑋

𝐿

− 𝑋

𝐶

)

=

230

5 − 𝑗63.99

= 3.31𝑒

𝑗84,2°

𝐴 

𝑖(𝑡) = 4,7 sin(314𝑡 + 84,2°) 𝐴 

𝑈

𝑅

= 𝐼 ∙ 𝑅 = 3,31𝑒

𝑗84,2°

∙ 5 = 16,6𝑒

𝑗84.2°

𝑉 

background image

𝑢

𝑅

(𝑡) = 23,5 sin(314𝑡 + 84,2°) 𝑉 

𝑈

𝐶

= 𝐼 ∙ 𝑋

𝐶

= 3,31𝑒

𝑗84,2°

∙ (−𝑗85,69 ) = 283,8𝑒

−𝑗5,8°

𝑉 

𝑢

𝐶

(𝑡) = 400,2 sin(314𝑡 − 5,8°) 𝑉 

𝑈

𝐿

= 𝐼 ∙ 𝑋

𝐿

= 3,31𝑒

𝑗84,2°

∙ (𝑗21,7) = 71,83𝑒

𝑗174,2°

𝑉 

𝑢

𝐿

(𝑡) = 101,6 sin(314𝑡 + 174,2°) 𝑉 

 

b)  Szeregowy obwód RLC przy 

 

𝑓 = 𝑓

𝑟

=

1

2𝜋√𝐿𝐶

=

1

2𝜋√(70 ∙ 10

−3

) ∙ (35 ∙ 10

−6

)

= 100,71𝐻𝑧 

𝑋

𝐿

= 𝑗𝜔𝐿 = 𝑗31,6 Ω 

𝑋

𝐶

= −𝑗

1

𝜔𝐶

= −𝑗31,6 Ω 

𝑍 = 𝑅 + 𝑗(𝑋

𝐿

− 𝑋

𝐶

) = (5 + 𝑗(31,6 − 31,6)) = 5 Ω 

𝐼 =

𝑈

𝑍

=

𝑈

𝑅 + 𝑗(𝑋

𝐿

− 𝑋

𝐶

)

=

230

5

= 46,0 𝐴 

𝑖(𝑡) = 65,1 sin(632𝑡) 𝐴 

 
 
𝑈

𝑅

= 𝐼 ∙ 𝑅 = 46,0 ∙ 5 = 230𝑉 

𝑢

𝑅

(𝑡) = 325,27 sin(632𝑡) 𝑉 

𝑈

𝐶

= 𝐼 ∙ 𝑋

𝐶

= 46,0 ∙ (−𝑗31,6 ) = 1453,6𝑒

−𝑗0°

𝑉 

𝑢

𝐶

(𝑡) = 2055,7 sin(632𝑡 − 0°) 𝑉 

𝑈

𝐿

= 𝐼 ∙ 𝑋

𝐿

= 46,0 ∙ (𝑗31,6) = 1453,6𝑒

𝑗0°

𝑉 

𝑢

𝐿

(𝑡) = 2055,7 sin(632𝑡 + 0°) 𝑉 

 

 

 

Tab.  1.  Porównanie  wartości  napięć  i  prądów  obliczonych  z  wartościami  odczytanymi  z 
wykresów 

 
Obwód szeregowy dla f=50 Hz 

Obwód szeregowy dla f=100,71Hz 

Wielkość 

Wartość 
obliczona 

Wartość 
odczytana 

Wielkość 

Wartość 
obliczona 

Wartość 
odczytana 

𝑈

𝑅

 

46,0 

45,0 

𝑈

𝑅

 

325,27 

325,0 

𝑈

𝐿

 

101,6 

100,0 

𝑈

𝐿

 

2055,7 

2050,0 

𝑈

𝐶

 

400,2 

400,0 

𝑈

𝐶

 

2055,7 

2050,0 

𝐼 

4,7 

5,0 

𝐼 

4,7 

5,0 

background image

 

c ) Równoległy obwód RLC przy f=50Hz 

 
Dane do obwodu równoległego: 
-R

1

=5Ω 

-R

2

=2,5 Ω 

-L=50mH 
-C=50µF 

 

 

𝑋

𝐿

= 𝑗𝜔𝐿 = 𝑗21,7 Ω 

𝑋

𝐶

= −𝑗

1

𝜔𝐶

= −𝑗85,69Ω 

𝑍

1

= 𝑅

1

+ 𝑗𝑋

𝐿

= (5 + 𝑗21,7 )Ω 

𝑍

2

= 𝑅

2

+ 𝑗𝑋

𝐶

= (2,5 − 𝑗85,69) Ω 

𝑍 =

𝑍

1

∙ 𝑍

2

𝑍

1

+ 𝑍

2

=

(5 + 𝑗21,7 ) ∙ (2,5 − 𝑗85,69)

(5 + 𝑗21,7 ) + (2,5 − 𝑗85,69)

= 26,49𝑒

𝑗65,9

 Ω 

𝐼 =

𝑈

𝑍

=

230

26,49𝑒

𝑗61,35

= 7,63𝑒

−𝑗65,9°

 𝐴 

𝑖(𝑡) = 14,8 sin(314𝑡 − 65,9°) 𝐴 

 

𝐼

1

=

𝑈

𝑍

1

=

230

(5 + 𝑗21,7 )

= 11,96𝑒

−𝑗72,35°

𝐴 

𝑖

1

(𝑡) = 19,09sin(314𝑡 − 72,35°) 𝐴 

𝐼

2

=

𝑈

𝑍

2

=

230

(2,5 − 𝑗90,95)

= 3.53𝑒

𝑗87,8°

𝐴 

𝑖

2

(𝑡) = 4,80 sin(314𝑡 + 87,8°) 𝐴 

𝑈

𝑅1

= 𝐼

1

∙ 𝑅

1

= 11,96𝑒

−𝑗72,35°

∙ 5 = 69,72𝑒

−𝑗72,35°

𝑉 

𝑢

𝑅1

(𝑡) = 98,60sin(314𝑡 − 72.35°) 𝑉 

𝑈

𝑅2

= 𝐼

2

∙ 𝑅

2

= 3,53𝑒

𝑗87,8°

∙ 2,5 = 15,4𝑒

𝑗87,8°

𝑉 

𝑢

𝑅2

(𝑡) = 19,4 sin(314𝑡 + 87,8°) 𝑉 

𝑈

𝐿

= 𝐼

1

∙ 𝑋

𝐿

= 11,96𝑒

−𝑗72,35°

∙  𝑗21,7 = 219,12𝑒

𝑗17,65°

𝑉 

𝑢

𝐿

(𝑡) = 301,88sin(314𝑡 + 17,65°) 𝑉 

𝑈

𝐶

= 𝐼

2

∙ 𝑋

𝐶

= 3.53𝑒

𝑗87,8°

∙ (−𝑗85,69 ) = 230,1𝑒

−𝑗2,2°

 

𝑢

𝐶

(𝑡) = 325,4sin(314𝑡 − 2,2°) 𝑉 

 

background image

 

d) Równoległy obwód RLC przy częstotliwości 𝒇 = 𝒇

𝒓

 

 
 

𝑋

𝐿

= 𝑗𝜔𝐿 = 𝑗47,36Ω 

𝑋

𝐶

= −𝑗

1

𝜔𝐶

= −𝑗42,23 Ω 

                𝑍

1

= 𝑅

1

+ 𝑗𝑋

𝐿

= (5 + 𝑗47,36 )Ω 

𝑍

2

= 𝑅

2

+ 𝑗𝑋

𝐶

= (2,5 − 𝑗42,23)Ω 

𝑍 =

𝑍

1

∙ 𝑍

2

𝑍

1

+ 𝑍

2

=

(57 + 𝑗47,36 ) ∙ (2,5 − 𝑗42,23)

(5 + 𝑗47,36 ) + (2,5 − 𝑗42,23)

= 173,6𝑒

−𝑗29,71°

 Ω 

𝐼 =

𝑈

𝑍

=

230

173,6𝑒

−𝑗29,71°

 

= 1,82𝑒

𝑗29,71°

 𝐴 

𝑖(𝑡) = 2,87 sin(676,6𝑡 + 29,71°) 𝐴 

𝐼

1

=

𝑈

𝑍

1

=

230

(5 + 𝑗47,36   )

= 6,8𝑒

−𝑗81,6°

𝐴 

𝑖

1

(𝑡) = 9,8sin(676,6𝑡 − 81,6°) 𝐴 

𝐼

2

=

𝑈

𝑍

2

=

230

(2,5 − 𝑗42,23)

= 6,7𝑒

𝑗85.26°

𝐴 

𝑖

2

(𝑡) = 9,7 sin(676,6𝑡 + 85,26°) 𝐴 

𝑈

𝑅1

= 𝐼

1

∙ 𝑅

1

= 6,8𝑒

−𝑗81,6°

∙ 5 = 23,6𝑒

−𝑗81,6°

𝑉 

𝑢

𝑅1

(𝑡) = 28,9sin(676,6𝑡 − 81,6°) 𝑉 

𝑈

𝑅2

= 𝐼

2

∙ 𝑅

2

= 6,7𝑒

𝑗85.26°

∙ 2.5 = 23,01𝑒

𝑗85,26°

𝑉 

𝑢

𝑅2

(𝑡) = 29,2 sin(676,6𝑡 + 82,93°) 𝑉 

𝑈

𝐿

= 𝐼

1

∙ 𝑋

𝐿

= 6,8𝑒

−𝑗81,6°

∙  𝑗47,36 = 227,33𝑒

𝑗8,4°

𝑉 

𝑢

𝐿

(𝑡) = 313,49sin(676,6𝑡 + 8,4°) 𝑉 

𝑈

𝐶

= 𝐼

2

∙ 𝑋

𝐶

= 6,7𝑒

𝑗85.26°

∙ (−𝑗42,23 )   = 229,3𝑒

−𝑗4,74°

 

𝑢

𝐶

(𝑡) = 322,3sin(676,6𝑡 − 4,74°) 𝑉 

 
 
 
 
 
 
 

background image

Tab.  2.  Porównanie  wartości  napięć  i  prądów  obliczonych  z  wartościami  odczytanymi  z 
wykresów 

 

 

Obwód szeregowy dla f=50 Hz 

Obwód szeregowy dla f=101,67 Hz 

Wielkość 

Wartość 
obliczona 

Wartość 
odczytana 

Wielkość 

Wartość 
obliczona 

Wartość 
odczytana 

14,8 

15,0 

2,9 

3,0 

I

19,1 

19,0 

I

9,8 

10,0 

I

4,8 

5,0 

I

9,7 

10,0 

U

R1 

98,6 

100,0 

U

R1 

28,9 

30,0 

U

R2 

19,4 

20,0 

U

R2 

29,2 

30,0 

U

301,9 

295,0 

U

313,5 

315,0 

U

325,4 

320,0 

U

322,3 

320,0 

 
 

IV. 

WNIOSKI 

 

Podczas ćwiczenia zapoznaliśmy się z zasadami symulacji prostych obwodów jednofazowych 
składających  się  z  elementów  RLC.  Na  podstawie  wyników  możemy  stwierdzić  iż  symulacja 
przebiegła  prawidłowo.  Wyniki  uzyskane  z  obliczeń  nie  różnią  się  od  tych  odczytanych  z 
wykresów. W szeregowych układach dochodzi do rezonansu napięć, natomiast w obwodach 
równoległych  do  rezonansu  prądów.  Zachodzący  rezonans  w  układach  elektrycznych  jest 
zjawiskiem  szkodliwym(  chyba  że  jest  stosowany  w  sposób  zamierzony  do  tłumienia 
harmonicznych).