ELEKTROTECHNIKA I ELEKTRONIKA CZ. 1
Wykład 1: Oznaczenia w odwodach elektrycznych, moc dostarczona, moc użyteczna, dopasowanie odbiornika do źródła w układach prądu stałego. Sprawność układu zasilania. Równoważna zamiana źródeł.
1. Strzałkowanie prądów i napięcia w obwodzie
2. Generatory Energii Elektrycznej
2.1 Źródło napięcia
a) idealne źródło napięcia
- oznaczenie na schemacie
U=E
gdzie - E siła elektromotoryczna źródła napięcia
E Rw=0
- charakterystyka napięciowo - prądowa idealnego źródła napięcia
przy E = const, gdy Rw = 0 (oporność wewnętrzna źródła), teoretycznie można pobierać prąd
a) rzeczywiste źródło napięcia
Rw>0 U=Uodb=I . Robc
- Bilans napięć w obwodzie ze źródłem o rezystancji wewnętrznej Rw
- Stan jałowy źródła napięcia:
U = E
- Stan zwarcia rzeczywistego źródła napięcia:
Robc = 0
U = 0
- Charakterystyka zewnętrzna (obciążenia) rz. źr. napięcia
2.2 Źródła prądu
a) Idealne źródła prądu
- oznaczenie na schemacie
Iźr - prąd źródłowy (wydajność prądowa źródła)
- charakterystyka napięciowo - prądowa idealnego źródła prądu
Rw = 0,
b) Rzeczywista źródła prądu
Rw>0
Gw>0 I = Iobc
- Stan jałowy źródła prądu
Robc =
I = 0
U = Iźr . Rw
- Stan zwarcia rz. źródła prądu
Robc = 0
I = Iźr
Iw = 0
U = 0
- charakterystyka zewnętrzna (obciążenia) rz. źr prądu
3. Równoważna zamiana źródeł
a) zamiana źródła napięcia na źródło prądu
gdy I = 0
b) zamiana źródła prądu na źródło napięcia
gdy Iobc=0
Wykład 2: Metody rozwiązywania liniowych układów rozgałęzionych prądu stałego. Zasada superpozycji.
Prawo Ohma i prawa Kirchhoffa
Postaci wektorowe
- natężenie pola elektrycznego
- wektor (niezmienne w czasie)
- gęstość prądu
- wektor
Prawo Ohma: w postaci wektorowej (lub różniczkowej)
- przewodność właściwa, konduktywność
I prawo Kirchhoffa: w postaci wektorowej
Pole wektorowe gęstości prądu jest bezźródłowe
II prawo Kirchhoffa: w postaci wektorowej
;
;
- źródłowe natężenie pola elektrycznego
UWAGA: W różnych punktach drogi całkowania: - A - B, B - C, natężenie pola elektrycznego E jest różne w związku z rozmaitymi przekrojami poprzecznymi i różnymi konduktywnościami na drodze całkowania.
Postaci skalarne
- Prawo Ohma
*)
***)
**)
w postaci skalarnej (lub całkowej)
U=R . I I=G . U
I prawo Kirchhoffa
I1 + I2 + I3 = I4 + I5
II prawo Kirchhoffa
R1 . I1 + R2 . I2 - R3 . I3 = E1 - E2
Bilans energetyczny
Podczas przepływu prądu przez oporniki wydziela się na nich ciepło. Zgodnie z zasadą zachowania energii - ilość ciepła wydzielona w jednostce czasu winna być równa ilości energii dostarczonej przez źródła układu:
gdy układ zasilany jest tylko ze źródeł SEM
I - moc źródła napięcia
gdy układ zasilany jest tylko ze źródeł prądu:
całkowity bilans energetyczny
Zasada superpozycji:
Prąd w k-ej gałęzi jest równy sumie algebraicznych prądów wzbudzanych przez każdą SEM układu z osobna.
Ik = Ik1 + Ik2 + … + Iki
Jest to zasada ważna dla wszystkich liniowych układów elektrycznych.
Uwaga:
Uziemienie jednego punktu układu
przy uziemieniu jednego dowolnego punktu układu rozpływ prądów w układzie nie zmienia się.
METODY ROZWIĄZYWANIA ROZGAŁĘZIONYCH
UKŁADÓW LINIOWYCH PRĄDU STAŁEGO.
metoda praw Kirchhoffa
- układ rozgałęziony jest rozwiązywany ze względu na niewiadome układu tj. najogólniej - prądy gałęziowe.
- zagadnienie jest następujące:
- ile równań należy ułożyć żeby układ rozwiązać?
- ile równań należy ułożyć:
- zgodnie z I pr. Kirchhoffa?
- zgodnie z II pr. Kirchhoffa?
Jeśli:
b - liczba gałęzi układu
bźr - liczna gałęzi układu ze źródłami prądu
to liczba nieznanych prądów = (b - bźr) (zakładamy, że znamy źródła prądowe)
Aby otrzymać układ równań liniowo niezależnych zgodnie z I pr. Kirchhoffa, ich liczba wynosi
(y - 1), gdzie y - liczba węzłów układu
Pozostałe równania należy ułożyć zgodnie z II pr. Kirchhoffa tj.
(b - bźr) - (y - 1) = b - bźr - y + 1
ponadto:
- układając równania zgodnie z II pr. Kirchhoffa należy uwzględnić wszystkie gałęzie układu
- każde nowe oczko dla którego układane jest równanie winno zawierać co najmniej jedną nową gałąź; są to tzw. oczka niezależne.
PRZYKŁAD:
Dane: Szukane:
E1 = 80 V R3 = 3 Ω I1 = ?
E2 = 64 V R4 = 1 Ω I2 = ?
R1 = 6 Ω I3 = ?
R2 = 4 Ω
Rozwiązanie:
w układzie:
- b = 3, bźr = 0, y = 2;
- zgodnie z I pr. K. liczba równań (y - 1), tj.
- I1 + I2 = I3 jedno równanie prądowe
- zgodnie z II pr. K. liczba równań:
(b - bźr) - (y - 1) = (3 - 0) - (2 - 1) = 2 2 równania napięciowe
- wybór oczek niezależnych;
- określenie obiegu konturowego w oczkach niezależnych, w tym przypadku
zgodnie z ruchem wskazówek zegara
- I1 . R1 - I2 . R2 = E1 + E2
- I2 . R2 + I3(R3 + R4) = -E2
Po rozwiązaniu układu trzech równań z trzema niewiadomymi otrzymuje się:
I1 = 14 A
I2 = -15 A
I3 = -1 A.
Znaki minus oznaczają, że zwroty prądów rzeczywistych są przeciwne do przyjętych na rysunku.
metoda prądów oczkowych
Wprowadza się pojęcie prądu oczkowego i przyjmując, że:
- każde niezależne oczko ma swój prąd oczkowy;
- ze względu na prądy oczkowe, dla oczek niezależnych, układa się równania napięciowe
- równania oczkowe są rozwiązywane przede wszystkim ze względu na prądy oczkowe.
Następnie zostają wyznaczone prądy gałęziowe z pomocą I pr. K.
Uwaga: W metodzie prądów oczkowych zasadniczą liczba niewiadomych jest równa liczbie prądów oczkowych, stąd podstawowy układ równań jest mniejszy niż w metodzie praw Kirchhoffa.
PRZYKŁAD
Równanie napięciowe pierwszego oczka:
(R1 + R2)I11 + R5(I11 - I22) = E1 + E5
lub
(R1 + R2 + R5)I11 + (-R5)I22 = E1 + E5
dla drugiego oczka:
-R5(I11 - I22) + (R3 + R4)I22 = -E5 - E4
lub
(-R5)I11 + (R3 + R4 + R5)I22 = -E5 - E4
w postaci ogólnej:
R11 . I11 + R12 . I22 = E11
R21 . I11 + R22 . I22 = E22
R11 = R1 + R2 + R5 E11 = E1 + E5
R22 = R3 + R4 + R5 E22 = -E4 - E5
R12 = R22 = -R5
[R] . [I] = [E]
zamiana kilku równoległych gałęzi, zawierających źródła sem i źródła prądu z jedną gałęzią zastępczą
I1 + I2 + I3 + Ir + Is = I
I1 =
= (E1 - Uab)G1
I2 = (E2 - Uab)G2
…
In = (En - Uab)Gn
Stąd:
-
I = Ez . Gz - Uab . Gz gdzie:
PRZYKŁAD
Dokonać równoważnej zamiany układu równoległego gałęzią zastępczą
E1' = 10 V R1 = 2 Ω Iżr = 6 A G1 = 0,5 S
E1'' = 30 V R2 = 4 Ω G2 = 0,25 S
E2 = 40 V R3 = 1 Ω G3 = 1 S
E3 = 60 V R4 = 5 Ω G4 = 0,2 S
Rz = 0, 513 Ω
Ez = 18,4 V
Wykład 3: Dwójniki liniowe aktywne. Parametry zastępcze układu równoległego. Metoda dwóch węzłów. Twierdzenia Thevenine'a, Nortona.
Metoda dwóch węzłów
Niech w równaniu (*) (p. pkt. C)
prąd I = 0, wówczas
gdzie
PRZYKŁAD
W podanym układzie:
- obliczyć napięcie na zaciskach Uab,
- zbilansować moc układu,
E1 = 120 V
E3 = 50 V
R1 = 2 Ω
R2 = 4 Ω
R3 = 1 Ω
R4 = 10 Ω
Zapotrzebowanie mocy w układzie wynosi:
I12 . R1 + I22 . R2 + I32 . R3 + I42 . R4 =
= 57,32 . 2 + 1,352 . 4 + 55,42 . 1 + 0,542 . 10 = 9647 W
Źródła sem. dostarczają mocy:
E1 . I1 - E3 . I3 = 120 . 57,3 - 50 . 55,4 = 9647 W
Twierdzenie o zastępczym generatorze napięcia - twierdzenie Thevenine'a
A - dwójnik:
- liniowy,
- aktywny
Twierdzenie: każdy liniowy dwójnik aktywny o zaciskach a-b można zastąpić układem szeregowo połączonych:
- sem. zastępczej- Ez, o wartości równej napięciu stanu jałowego U0a-b na zaciskach tego dwójnika.
- i rezystancji zastępczej Rz widzianej od strony zacisków a-b dwójnika, przy zwarciu samodzielnych źródeł napięcia i rozwarciu samodzielnych źródeł prądu.
Twierdzenie o zastępczym generatorze napięcia c.d.
PRZYKŁAD
Wyznaczyć prąd o płynący przez R5, korzystając z twierdzenia Thevenine'a
R1 = R4 = 1 Ω
R2 = 4 Ω
R3 = 2 Ω
R5 = 2 Ω
E1 = 10 V
Rz =
Uab = Va - Vb
PRZYKŁAD
Wyznaczyć wskazanie amperomierza
R1 = 10 Ω
R2 = 20 Ω
E1 = 60 V
E2 = 20 V
E3 = 10 V
U = 40 V
rozwiązanie:
E1 + E2 = I(R1 + R2) - U
Uab = E1 - I . R1 + E3 = 60 - 4 . 10 + 10 = 10 V
Wykład 4: obwody nieliniowe prądu stałego: metoda charakterystyki wypadkowej, metoda przecięcia charakterystyk, zastosowanie tw. Thevenine'a.
- Układy nieliniowe są to układy które nie spełniają zasady superpozycji; są to układy z elementami nieliniowymi.
- Nieliniowe elementy układu:
- nieliniowa rezystancja,
- nieliniowa indukcyjność,
- nieliniowa pojemność.
- Oporności nieliniowe można podzielić na dwie grupy:
1. oporności nieliniowe niesterowane
2. oporności nieliniowe sterowane
Przykłady charakterystyk oporów nieliniowych (w zakresie prądu stałego)
a) napięciowo - prądowa charakterystyka symetryczna
b) napięciowo - prądowa charakterystyka niesymetryczna (prostownik)
c) Dioda Zenera - stabilition
d) Dioda tunelowa - element z opornością ujemną
e) rodzina napięciowo - prądowych charakterystyk tranzystora
f) napięciowo - prądowa charakterystyka tyrystora
Podstawowe metody graficzne rozwiązywania obwodów elektrycznych nieliniowych prądu stałego
Metoda charakterystyki wypadkowej
Metoda przecięcia charakterystyk
Rozwiązywanie zadań z jednym elementem nieliniowym
1. W układzie szeregowo połączonych elementów
Dane są E, R oraz charakterystyka RN
a) Układ rozwiązać metodą charakterystyki wypadkowej.
Dodawanie prądowe charakterystyk składowych
b) Układ rozwiązać metoda przecięcia charakterystyk
Wyznaczenie punktu pracy P układu jako punktu przecięcia charakterystyk dwójnika a-b (zasilającego RN) i charakterystyki opornika RN.
2. Połączenie równoległe
a) Metoda charakterystyki wypadkowej
Dodanie napięciowe charakterystyk składowych
b) Metoda przecięcia charakterystyk
Wyznaczenie punktu przy P układu na podstawie przecięcia charakterystyk dwójnika a - b (zasilającego opornik RN), i charakterystyki opornika RN.
Rozwiązywanie zadań z kilkoma elementami nieliniowymi
1. Szeregowe połączenie rezystancji nieliniowych
metoda charakterystki wypadkowej:
2. Układ szeregowo - równoległy połączenia rezystancji nieliniowych
metoda charakterystyki wypadkowej:
Zastosowanie twierdzenia Thevenine'a do rozwiązywania obwodów nieliniowych prądu stałego
Dane są charakterystyka nieliniowej RN
oraz parametry układu a - b:
R1 E1
R2 E2
R3 E3
R4 Iżr
I krok rozwiązania: równoważna zamiana dwójnika a - b zgodnie z twierdzeniem Thevenin'a.
II krok rozwiązania: na przykład metoda przecięcia charakterystyk:
W punkcie
Tak obliczona wartość parametru RN wchodzi do danych zadania w przypadku gdy chcemy wyznaczyć prądy i napięcie w części liniowej układu.
Wykład 5: Układy prądu przemiennego jednofazowego. Przebiegi sinusoidalne. Wartości chwilowe, maksymalne, średnie, skuteczne napięć i prądów. Interpretacja wektorowa wielkości elektrycznych w przestrzeni czasowej. Elementy idealne: opornik, cewka indukcyjna, kondensator; moc chwilowa i średnia.
Prąd sinusoidalnie przemienny - jest generowany przez źródła jakimi są generatory przemiennej sinusoidalnie sem.
Im - amplituda przebiegu (prądu)
T - okres funkcji okresowej, czas w którym dokonuje się jedno pełne drgnienie
- częstotliwość, oznacza liczbę drgań (na 1 sek) na jednostkę czasu)
- częstość kątowa
- argument kątowy funkcji sinus
- składowa argumentu kątowego, faza początkowa
Dowolną funkcję sinusoidalną określają trzy wielkości:
- amplituda,
- częstość kątowa,
- faza początkowa.
Sinusoidalne sem:
- w zakresie do kilku kHz otrzymuje się dzięki generatorom synchronicznym (przetworniki elektromechaniczne)
- w zakresie wysokich częstotliwości, z pomocą generatorów półprzewodnikowych
Oznaczenie wielkości w elektortechnice
małe litery, wartości chwilowe
duże litery, tu: wartości maksymalne (indeksowanie)
- kąt fazy początkowej zależy od wyboru chwili początkowej
np. t = 0, gdy i = imax, wówczas
, stąd
Różnica (
) dwóch funkcji i1(t) oraz i2(t) oznacza różnicę faz, lub przesunięcie fazowe tych funkcji
Wartość średnia prądu i napięcia sinusoidalnego - wartość średnia półokresowa
podobnie
Wartość skuteczna
=
Tak definiowane wartości nazywane są również wielkościami średniokwadratowymi.
Interpretacja fizyczna wartości skutecznej
Wartość skuteczna I prądu sinusoidalnego przemiennego odpowiada takiej wartości prądu stałego, który płynąc przez rezystancję R wydzieli na niej taką samą ilość ciepła co prąd stały płynący przez opornik R w tym samym czasie.
Współczynnik amplitudy (lub współczynnik szczytu) to stosunek amplitudy funkcji okresowej do jej wartości skutecznej.
=
Współczynnik kształtu
=
UWAGA: dla przebiegów okresowych niesinusoidalnych
Interpretacja wektorowa przebiegu sinusoidalnie przemiennego.
W interpretacji wektorowej sinusoidalnie przemiennych przebiegów elektrycznych, promieniom jednostkowym w kole trygonometrycznym można nadać walor wektora ***
niech np.
,
wówczas wartość amplitudy wektora wypadkowego określa wyrażenie
Sumowanie wektorów wartości skutecznych prądów i1(t) i i2(t).
UWAGA: Wektory nie muszą mieć swoich początków w początku układu współrzędnych ale można je przesunąć do początku układu współrzędnych
sumowanie geometryczne wektorów napięć
UWAGA:
Wykresy wektorowe (wskazowe) są stosowana przede wszystkim ze względu na wyznaczanie:
- wartości wypadkowej kilku wielkości składowych
- przesunięć fazowych przebiegów prądów i napięć w układzie
Idealna rezystancja w obwodzie prądu przemiennego
C = 0, L = 0
,
Przebiegi czasowe wartości chwilowych prądu i napięcia
Moc chwilowa, moc średnia
Idealna pojemność w obwodzie prądu przemiennego
R = 0, L = 0
Przebiegi czasowe i (t), u (t)
Moc chwilowa, moc średnia
Idealna indukcyjność w obwodzie prądu przemiennego
R = 0, C = 0
Przebiegi czasowe i (t), u (t)
Moc chwilowa i moc średnia
Moc chwilowa i średnia układu złożonego
Dany jest układ:
Moc chwilowa:
1
2
składowa składowa
stała przemienna
Moc średnia
gdy:
:
i jeśli: I = const, U = const
to P
;
lub jeśli P = const, U = const
to I
Wykład 6: Impedancja, reaktancja, admitancja i susceptacja. Moc czynna, bierna i pozorna. Wykresy wektorowe. Rezonans napięć i prądów.
Moc czynna, bierna i pozorna
Wyznaczenie napięcia układu U:
(*)
I - wspólny prąd układu;
Obustronne mnożenie równania (*) przez prąd I:
; oznaczając
moc pozorna
[VA]
moc czynna
[W]
moc bierna
[VAr]
stąd trójkąt mocy
Trójkąt oporności w układach prądu przemiennego
Obustronne dzielenie równania (*) przez prąd I
oporność pozorna, impedancja;
oporność czynna, rezystancja;
oporność bierna, reaktancja;
Trójkąt oporności
Układy rozgałęzione, układ równoległy RLC
a) Wykres wektorowy napięć i prądów
admitancja, przewodność pozorna;
konduktancja;
susceptancja;
Równoważna zamiana układu oporowego RLC na układ przewodnościowy
Rezonans napięć
jeśli:
XL = XC to: XLC = 0
Z = R
- XL = XC:
- UL = UC
-
-
Dobroć układu rezonansowego
DOBROĆ układu rezonansowego: Ile razy napięcie na indukcyjności (pojemności) przewyższa napięcie na wejściu układu.
Niech {R, L, C i U} = const
= var
(**)
Wyznaczenie przebiegów w funkcji częsttliwości:
I, Z, UL, UC = f (
)
-
z (**)
-
-
dla
dla
dla
lub
jeśli
ULmax dla f > fr, gdy
Pasmo przepuszczania
Jeśli
Moc pobierana przez układ przy rezonansie
Pasmo przepuszczania:
gdy
Dobroć układu rezonansowego:
PRZYKŁAD:
Dane: Szukane:
R = 10 Ω
= ?
L = 1 Q = ?
C = 1 µF UC = ?
U = 10 mV
Rezonans prądów
jeśli BL = BC
wówczas
IC = U . BC, IL = U . BL
IC = IL
Jeśli BC = BL
to Y = Ymin
Z = Zmax
gdy
2
I
G
+
UG
-
Uodb
Rodb
źródło odbiornik
I
R
U
I
U
E
E
I
E
źródło odbiornik
Rodb
U
U
Rw
I
Uw = I * Rw
Uodb = I * Rodb
Punkt pracy układu
Iźr
Iźr
I
U
Iźr
Gw
źródło odbiornik
Robc
U
I
Punkt pracy układu
I
U
Iźr
I = Iźr
Uw = Iźr * Rw
a a
Iźr
Rw
U R Gw U R
E
b b
a a
Iżr
Rw
Gw U R U R
E
D A B C
E E
Eźr
I3
I1
I4
I2 I5
R1 E2
I1
R2
E1
I2
R3 I3
I
E R
Iźr a
Iżr R Uab
b
Ik1
E1
Ik2
E2
Iki
Ei
Ik
E1 Ei
I1 R3
E1 R2 R4
R1 E2 I3
R2 R3
R1 R5 R4
I11 I22
E1 E5 E4
I I
a a
I1 I2 I3 Ir Is
R1 R2 R3 Gz
E1 E2 E3
Ez
b b
I I
a a
E1'
Rz
Iżr E2 R3
R1
R2
E3 Ez
E1''
b b
I1 I2 a I3 I4
R1 E3
R2 R3 R4
E1
b
a a
R1 R2 R3 R4 R5 Gz
E1 E2 E3
U0 = Uab = Ez
b b
A
a Ez = U0a-b
b Rz = Rwej a-b
a
a
R1 R3
c d
R5 c d
R2 R4 Rab
E1 d
U
+ -
R1 E3 E2
a A
E1 R1
I b
I
U
f(x) = - f ( -x )
I
f (x)
- f (-x)
U
I
Uz
U
I
U
I 5 S
T
E
R
4 O
W
A
3 N
I
2 E
1
U
I
U
R
a
I
E RN
b
I R
RN
P Rwyp
B
A (A + B)
U
URN
UR
E
I
RN
Iukł P
R
Charakterystyka dwójnika a-b,
zasilającego opornik RN
URN UR U
E = UO
I1
R
Igł Ugł
RN
I2
E
Rwyp
I (a + b)
Igł P RN
b
R
I2
b
a
I1 a
U
Ugł = E
I
RN
I1
R
P
I2
U
Ugł = E
RN1 RN2
E
U
Rwyp
E
RN2
RN1
UN2
UN1
I
Iukł
RN2
RN1 RN3
I
RN1 + RN2
RN2
RN1 RN3 Rwyp.
U
E3 R3
E1 R1
E2 R2
Iźr
R4
a b
RN
I
RN
U
a
a Ez = U0
b Rz
b
A
I
P
IN
E2 U
URN UR2
a
IN
Ez
Rz
b
T
Im
T/2 T
koło
trygonometryczne
Im
i
t = 0
np.
Im lub
i t = 0
np.
Im1
i1
Im
i
i2
Im2
I2
I
przesunięcie
równoległe
wektora I2
I1
I2
U2
U3
U
U1
U = U1 + U2 + U3
R
i
R
u
u, i
Um
u
Im i
t
U
I
wykres wektorowy (wskazowy)
u, i, p
p
U*I
i u
t
C
i
C
u
U, i
u I
i
t
U
wykres wektorowy (wskazowy)
u, i, p
p
+ +
u
i
t
- -
L
e
i
L
U
U
U, i
U
u
i
t
I
u, i, p
p
+ +
u
i
t
- -
UR UL
I
U
u, i, p
p
+ +
u
i
t
- -
UL
U
I UR
UR UL UC
I
U
UL
UC
U
(UL - UC)
UR I
UC
S Q
P
L1 L2 L3
C1 C2 C3
Z X
R
R
IR
XL
IL
I XC
IC
U
IC
-IL
I
(IL - IC)
Ic
IR U
IL
R XL XC
I
U
UL
-UC
UR I
UC
Z I
UC UL
U
fr
I
Ir
*2*
*1*
I
IL IC
U IR
IC
-IL
IR U
IL
I
IC
IL
IR