background image

Obwody RLC przy wymuszeniu sinusoidalnym w stanie ustalonym 

opracowała  Krystyna Kubas 

 
 

Zastosowana notacja liczb zespolonych

 

 
z = a + jb liczba zespolona 

z

= a – jb liczba zespolona sprzężona do liczby z 

gdzie: 

a = 

(

)

z

z

+

2

1

 

b = 

(

)

z

z

j

2

1

 

2

2

b

a

z

+

=

 moduł liczby zespolonej 

arg 

z

 =arctg

a

 

 

= arctg

a

 argument liczby zespolonej 

Postać algebraiczna liczby zespolonej: 

(

)

z

j

z

z

z

+

=

sin

cos

 

 

 

 

1

background image

 

Zastosowanie liczb zespolonych 

Każdy element występujący w obwodzie elektrycznym ma swoją reprezentację w postaci liczby 

zespolonej podobną reprezentację ma również każdy sygnał sinusoidalny: 

u(t)↔U(t) ↔U(ω) 

gdzie: 

u(t)-rzeczywisty sygnał sinusoidalny (funkcja rzeczywista) 
U(t)-sygnał zespolony przyporządkowany sygnałowi rzeczywistemu (funkcja zespolona zmiennej 

rzeczywistej) 

U(ω)-amplituda zespolona 

u(t)= 

cos

U

(ωt +

U) 

u(t)=

sin

U

(ωt +

U) 

U(t)= 

cos

U

(ωt +

U) + j 

sin

U

(ωt +

U)= U

(

)

U

t

e

+

ω

U

U

j

e

 

e

jωt 

= U e

jωt

 

gdzie:  
U= U

U

j

e

 amplituda zespolona 

 

Rezystor: 

R – rezystancja [Ω]  

U

R

=RI – prawo Ohma wφ postaci zespolonej 

 

Jak widać na powyższym wykresie wektorowym napięcie i prąd na rezystorze są ze sobą w fazie. 

Mówimy, że taki obwód ma charakter rezystancyjny! 

 

 
Cewka: 

X

L

 =ωL– reaktancja indukcyjna [Ω] U

L

 = jωLI – prawo Ohma w postaci zespolonej 

 

2

background image

 

 

Jak widać na powyższym wykresie wektorowym napięcie na cewce wyprzedza prąd w fazie o 90°. 

Mówimy, że taki obwód ma charakter indukcyjny! 

 
 

Kondensator: 

X

c

 = 

C

ω

1  - reaktancja pojemnościowa [s] 

U

C

=

I

C

j

ω

1

   U

C

=

I

C

j

ω

1

– prawo Ohma w postaci 

zespolonej 

 

Jak widać na powyższym wykresie wektorowym napięcie na kondensatorze opóźnia się za prądem w fazie 

o 90°. Mówimy, że taki obwód ma charakter pojemnościowy! 

 

3

background image

 

 

Połączenie szeregowe RLC 

 

Z=R+jωL+

C

j

ω

1 =R+j

C

j

L

ω

ω

1

 

Na podstawie prawa Ohma w postaci zespolonej: 

U=ZI 

Moduł impedancji połączenia szeregowego: 

2

2

1

+

=

C

L

R

Z

ω

ω

 

Argument impedancji połączenia szeregowego: 

R

C

L

tg

ω

ω

ϕ

1

=

 

Wartości zespolone napięć na elementach idealnych: 

U

R

=RI  

U

L

 = jωLI 

C

=

I

C

j

ω

1

 

przy czym:  U= U

R

+ U

L

+ U

C

 

Rozpatrujemy 3 przypadki: 

1)  ωL> 

C

ω

1  

Wówczas 0<φ<π/2 oraz U

L

> U

C

, a więc napięcie U wyprzedza prąd w fazie o kąt φ, wobec tego 

połączenie ma charakter indukcyjny. 

 

4

background image

 

2) ωL< 

C

ω

1  

Wówczas - π/2< φ<0 oraz U

C

> U

L

, a więc prąd I wyprzedza w fazie napięcie U o kąt 

ϕ

, wobec tego 

połączenie ma charakter pojemnościowy. 
 

 

3) ωL=

C

ω

1  

Wówczas φ=0 oraz U

L

=U

C

, a więc napięcie U jest w fazie z prądem I. W rozpatrywanym przypadku 

wpływ pojemności jest zrównoważony przez wpływ indukcyjności, gdy w połączeniu szeregowym 

elementów RLC spełniona jest zależność ωL=

C

ω

1  mamy więc do czynienia z rezonansem napięć. 

Warunkiem wystąpienia rezonansu napięć jest: 

Im[Z]=0 

 

5

background image

 

 

Połączenie równoległe RLC

 

 

 

Y=G+

L

j

ω

1 +jωC=G+j

L

C

ω

ω

1  

Na podstawie prawa Ohma w postaci zespolonej: 

I=YU 

Moduł admitancji połączenia równoległego: 

2

2

1

+

=

L

C

G

Y

ω

ω

 

Argument admitancji połączenia szeregowego (jest nim – φ): 

( )

G

L

C

tg

ω

ω

ϕ

1

=

 

 

( )

=

C

L

G

tg

ω

ω

ϕ

1

1

 

Wartości zespolone prądów na elementach idealnych: 

I

G

=GU         I

L

=

L

j

U

ω

         I

C

=jωCU 

 

6

background image

przy czym:  I= I

G

+ I

L

+ I

C

 

 
Rozpatrujemy 3 przypadki: 

 

 1)

L

ω

1 >ωC 

Wówczas 0<φ<π/2 oraz I

L

> I

C

, a więc napięcie U wyprzedza w fazie prąd I o kąt φ, wobec tego 

połączenie ma charakter indukcyjny. 

 

 

 

2) 

L

ω

1 < ωC 

Wówczas - π/2< φ<0 oraz I

L

<I

C

, a więc prąd I wyprzedza w fazie napięcie U o kąt 

ϕ

, wobec tego 

połączenie ma charakter pojemnościowy. 

 

 

7

background image

 3) 

L

ω

1 = ωC 

Wówczas φ=0, a więc prąd I jest w fazie z napięciem U. W rozważanym przypadku wpływ 

indukcyjności jest zrównoważony przez wpływ pojemności, gdy w połączeniu równoległym 

elementów RLC spełniona jest zależność 

L

ω

1 = ωC mamy, więc do czynienia z rezonansem prądów. 

Warunkiem wystąpienia rezonansu prądów jest: 

 

Im[Y]=0 

 

 

 

Rezonans

 

Rezonansem nazywamy taki stan dwójnika, w którym reaktancja X lub susceptancja B dwójnika jest 
równa zeru. Warunkiem wystąpienia rezonansu jest 

 

(*) 

X=Im[Z]=0 – w przypadku rezonansu napięć 

(**)  B=Im[Y]=0 – w przypadku rezonansu prądów 

O czym wspomniane było wyżej. 
Ponieważ kąt φ przesunięcia fazowego między napięciem a prądem jest równy argumentowi 

impedancji Z, przy czym 

R

X

tg

=

ϕ

 

więc tg φ=0 dla X=0. Oznacza to, że w stanie rezonansu napięcie U dwójnika jest w fazie z prądem I. 
Do tego samego wniosku dochodzi się, biorąc pod uwagę, że w stanie rezonansu susceptancja B 

dwójnika równa się zeru. 
W stanie rezonansu Moz bierna dwójnika 

ϕ

sin

sk

sk

I

U

Q

=

=0, a moc czynna 

ϕ

cos

sk

sk

I

U

Q

=

=UI, 

ponieważ φ=0. 

Elementy L i C w układzie R, L, C, w którym wystąpił rezonans napięć zachowują się jak zwarcie. W 
przypadku układu R, L, C, w którym wystąpił rezonans prądów elementy L i C zachowują się jak 

przerwa. 

Rezonans w obwodach elektrycznych może występować przy jednej lub przy kilku wartościach 
pulsacji zwanych pulsacjami rezonansowymi. Pulsacje rezonansowe dwójnika wyznacza się z równań 

(*) oraz (**) 

 

8

background image

Przykład: 

Obliczyć prądy i napięcia na elementach układu: 
 

 

Dane: 

e(t)=100sinωt 

f=50[Hz] 
R

1

=2[Ω] 

R

2

=8[Ω] 

4

1

1

1

=

=

C

L

ω

ω

[Ω] 

6

1

2

2

=

=

C

L

ω

ω

[Ω] 

Szukane: 

U

R1

=? 

U

R2

=? 

U

L2

=? 

U

C2

=? 

I=? 

I

1

=? 

I

2

=? 

I

3

=? 

I

4

=? 

 

Rozwiązanie: 
 

 

9

background image

[ ]

V

e

E

j

sk

100

100

0

=

=

D

 

1

-impedancja zastępcza elementów L

1

 i C

1

 połączonych równolegle 

(

)

=

=

⎟⎟

⎜⎜

=

4

4

4

4

1

1

1

1

1

1

1

j

C

L

j

C

j

L

j

Z

ω

ω

ω

ω

 

 

[ ]

0

1

1

Im

1

1

=

=

=

Z

Y

 → Jest to rezonans prądów 

Ponieważ na elementach L

1

 i C

1

 mamy do czynienia z rezonansem prądów układ w tym miejscu 

traktujemy jak przerwę w obwodzie. Dochodzimy więc do wniosku, że prądy: 

I

1

=0 

oraz ponieważ 

I

1

=I

3

+I

4

 

 I

3

+I

4

=0 

I

3

=-I

4

 

1

34

3

L

j

U

I

ω

=

 

C

j

U

I

ω

1

34

4

=

 

 

Musimy więc znaleźć napięcie U

34

 

Ponieważ 

I=I

2

 

oraz  

Z

2

-impedancja zastępcza elementów L

2

 i C

2

 połączonych szeregowo 

(

)

0

6

6

1

2

2

2

=

=

=

j

C

j

L

j

Z

ω

ω

 Im[Z

2

]=0 → Jest to rezonans napięć 

Ponieważ na elementach L

2

 i C

2

 mamy do czynienia z rezonansem napięć układ w tym miejscu 

traktujemy jak zwarcie w obwodzie. Dochodzimy do wniosku, że napięcie 

0

1

2

2

2

2

2

2

=

=

+

=

I

C

j

I

L

j

U

U

U

C

L

ω

ω

 

 

Na powyższym zredukowanym schemacie widać, że 

 

10

background image

[ ]

2

2

1

10

10

100

I

A

R

R

E

I

sk

=

=

=

+

=

 

Przechodzimy do obliczania napięć na poszczególnych elementach obwodu: 

[ ]

[ ]

V

e

I

R

U

j

R

D

0

1

1

1

40

40

10

2

=

=

=

=

 

 

 

[ ]

[ ]

34

0

2

2

2

40

80

10

8

U

V

e

I

R

U

j

R

=

=

=

=

=

D

[ ]

[ ]

V

e

V

j

j

I

L

j

U

j

L

D

90

2

2

2

60

60

10

6

=

=

=

=

ω

 

[ ]

[ ]

V

e

V

j

j

I

C

j

U

j

C

D

90

2

2

2

60

60

10

6

1

=

=

=

=

ω

 

Ponieważ znaleźliśmy napięcie U

34

 możemy wyliczyć prądy 

[ ]

[ ]

A

e

A

j

j

L

j

U

I

j

D

90

1

34

3

20

20

4

80

=

=

=

=

ω

 

[ ]

[ ]

A

e

A

j

j

C

j

U

I

j

D

90

34

4

20

20

4

80

1

=

=

=

=

ω

 

Na koniec możemy zapisać obliczone prądy i napięcia w funkcjach czasu: 

t

t

i

t

i

ω

sin

10

)

(

)

(

2

=

=

 

0

)

(

1

=

t

i

 

(

)

D

90

sin

20

)

(

3

=

t

t

i

ω

 

(

)

D

90

sin

20

)

(

4

+

=

t

t

i

ω

 

20

1

=

R

u

 

20

34

2

=

u

u

R

 

(

)

D

90

sin

60

)

(

2

+

=

t

t

u

L

ω

 

(

)

D

90

sin

60

)

(

2

=

t

t

u

C

ω

 

 

Moc w obwodzie prądu sinusoidalnego 

1) Wartość skuteczna prądu sinusoidalnego i napięcia: 

( )

2

1

0

2

I

dt

t

i

T

I

T

sk

=

=

 

( )

2

1

0

2

U

dt

t

u

T

U

T

sk

=

=

 

2) Moc chwilowa: 

p=ui 

Moc chwilowa jest dodatnia w przedziałach czasu, w których napięcie 

u

 oraz prąd 

i

 mają znaki 

jednakowe – ujemna zaś w przedziałach czasu, w których znaki napięcia 

u

 oraz prądu 

i

 są różne. 

Jeżeli p>0 to energia elektryczna jest dostarczana ze źródła do odbiornika; jeżeli natomiast p<0 to 

energia jest zwracana do źródła przez odbiornik, który przekazuje energię nagromadzoną w polu 
magnetycznym cewek i w polu elektrycznym kondensatorów. 

3) Moc czynna: 

ϕ

ϕ

cos

cos

1

0

sk

sk

T

I

U

dt

UI

T

P

=

=

  [W]  

 

11

background image

Moc czynna jest równa iloczynowi wartości skutecznych napięcia i prądu oraz kosinusa kata 

przesunięcia fazowego między napięciem i prądem. Współczynnikiem mocy nazywamy kosinusa kata 
przesunięcia fazowego między napięciem i prądem (cosφ). Moc czynna jest nieujemna, wartość 

największą (P=UI) moc osiąga wtedy, gdy φ=0 (odbiornik ma charakter rezystancyjny, cosφ=1), 

wartość najmniejszą (P=0) w przypadku granicznym, gdy φ=±π/2 (wtedy odbiornikiem jest idealna 
cewka lub idealny kondensator, cosφ=0). 

4) Moc bierna: 

ϕ

sin

sk

sk

I

U

Q

=

  [VAr] 

W przypadku odbiornika indukcyjnego charakterze indukcyjnym mamy Q>0,bo 0<φ<π/2, a w 

przypadku odbiornika o charakterze pojemnościowym mamy Q<0, bo -π/2< φ<0. 

5) Moc pozorna: 

sk

sk

I

U

S

=

  [VA] 

6) Moc zespolona 

S=UI* 

Mamy: 

S=

ϕ

ϕ

sin

cos

sk

sk

sk

sk

I

U

j

I

U

+

=P + jQ 

Oraz: 

2

2

Q

P

S

+

=

 

 

Rys. a) Trójkąt mocy układu o charakterze indukcyjnym, ponieważ kąt φ jest dodatni, 0<φ< π/2,a więc 

Q=U

sk

I

sk

sinφ>0 

Rys. b) Trójkąt mocy układu o charakterze pojemnościowym, ponieważ kąt φ jest ujemny, -π/2<φ<0,  a 

więc Q=U

sk

I

sk

sinφ<0 

 
Przykład: 

 

 
7) Kompensacja mocy biernej: 

 

 

12

background image

 

Dane: 
P=600 [W] 

sk

=4,55 [A] 

sk

=220 [V] 

f=50 [Hz] 

Mamy dobrać kondensator do poprawy współczynnika mocy do wartości 0,9 oraz narysować wykres 
wektorowy przed kompensacją i po kompensacji. 

Przed kompensacją: 

ponieważ: 

'

10

53

6

,

0

55

,

4

220

600

cos

cos

°

=

=

=

=

=

ϕ

ϕ

ϕ

sk

sk

sk

sk

I

U

P

I

U

P

, tgφ=1,335 

cosφ’=0,9 

 φ’=25˚50’, tgφ’=0,484 

Wykres topograficzny: 

 

Na powyższym wykresie wskazowym widać napięcie U oraz prąd I przed kompensacją, które przesunięte są o 

obliczony w zadaniu kąt φ. Po kompensacji mocy biernej kąt φ’ zmniejszył się w stosunku do kąta φ co jest 

spowodowane pojawieniem się prądu I

C

 płynącego przez kondensator, który to wyprzedza napięcie w fazie o 

90°.Suma wektorowa prądów I oraz I

C

 daje wypadkowy wektor prądu I’ 

 

13

background image

 

 
Trójkąt mocy: 

 

Powyższy wykres wektorowy przedstawia zmianę mocy. Przed kompensacją na rezystancji R odkładała się moc 

czynna P a na indukcyjności L odkładała się moc bierna Q

L

 przesunięta o kąt π/2 w stosunku do mocy czynnej P, 

współczynnik mocy wynosił cosφ. Po kompensacji mocy biernej na dołączonej pojemności C odłożyła się moc bierna 

Q

C

 przesunięta o kąt –π w stosunku do mocy Q

L

, obie moce odjęte wektorowo dają wypadkową moc Q, nową moc 

pozorną S’ oraz nowy, poprawiony współczynnik mocy cosφ’.  

 

 
A więc po kompensacji U oraz I są takie same, P jest również taka sama ponieważ dołączony 

kondensator pobiera tylko moc bierną. 
Przed kompensacją:  

P=

ϕ

cos

sk

sk

I

U

 

 

Po kompensacji: 

ϕ

cos

sk

sk

I

U

 

stąd: 

ϕ

cos

sk

I

=

ϕ

cos

sk

I

 

czyli: 

ϕ

ϕ

=

cos

cos

sk

sk

I

I

[A] 

W naszym przykładzie:   03

,

3

9

,

0

6

,

0

55

,

4

=

=

sk

I

 [A] 

Na podstawie trójkąta mocy wiemy, że: 

Q

L

=P·tgφ 

Q= P·tgφ’ 

Q

L

- Q

C

 = P·tgφ’

P·tgφ- Q

C=

 P·tgφ’ 

Q

C

=P(tgφ-tgφ’) 

ponieważ: Q

C

=X

C

·│I

sk

2

=│U

sk

2

·ωC 

więc: 

│U

sk

2

·ωC= P(tgφ-tgφ’) 

 

(

)

2

'

sk

U

tg

tg

P

C

ω

ϕ

ϕ

=

 

W naszym przykładzie: 

(

)

6

,

33

220

314

484

,

0

335

,

1

600

2

=

=

C

 [µF] 

 

14

background image

32

,

2

=

=

=

C

U

X

U

I

sk

C

sk

skC

ω

 [A] 

 

 

Wyznaczenie U

RL

 i U

L

 w układzie szeregowym RLC na podstawie znajomości zmierzonych

napięć U

1

 U

R

 i U

LR

 , czyli metodą „trzech woltomierzy”: 

 

 
Na podstawie rys.1 wiemy, że (podkreśleniem zaznaczono liczby zespolone): 

 

LR

R

U

U

U

+

=

1

 

 

Po podstawieniu obu stron równania do skalarnego kwadratu otrzymujemy: 

ϕ

cos

2

2

2

2

1

LR

R

LR

R

U

U

U

U

U

+

+

=

 

oraz 

LR

R

LR

R

U

U

U

U

U

2

cos

2

2

2

1

=

ϕ

 

 

 
Wiemy, że: 

U

R

=R

L

·I oraz U

L

=X

L

·I 

Na podstawie wykresu: 

U

R

=U

LR

cosφ oraz U

L

=U

LR

sinφ 

stąd: 

I

U

I

U

R

LR

R

L

ϕ

cos

=

=

 

I

U

I

U

X

LR

L

L

ϕ

sin

=

=

 

 

Znajomość wartości X

L

 umożliwia obliczenie indukcyjności L cewki rzeczywistej. 

 

15

background image

 

Program ćwiczenia: 

 
 

1) Pomiar napięć i prądów w obwodzie szeregowym RLC 

2) Pomiar napięć i prądów w obwodzie równoległym RLC 
3) Kompensacja mocy biernej odbiornika RL 

 
 

Wykonanie ćwiczenia: 

 
 

I. 

Łączymy układ szeregowy RLC jak na poniższym schemacie: 

 

 

Rys.1 

 

Dokonujemy pomiarów prądów oraz napięć na elementach R,L,C oraz na źródle. Otrzymane wyniki 

zapisujemy w tabeli nr1. 
Dokonujemy sprawdzenia wyników pomiarów napięć i prądu na podstawie znajomości napięcia 

źródłowego i parametrów R,R

L

, L, C, f otrzymane wyniki zapisujemy w tabeli nr1. 

Na podstawie zmierzonych wartości napięć ma prądu rysujemy wykres wskazowy napięć ma prądu 

przyjmując odpowiednie skale. 

 
 

Tabela nr1 
 

 

U

źr

[V] I[mA] U

LR

[V]

U

1

[V] U

C

[V] U

R

[V] U

L

[V] U

R

L

[V] 

Wielkości 

mierzone 

 

 

 

 

 

 

x x 

Wielkości 

wyliczone 

x x x  x  x  x 

 

 

 

 

16

background image

10V

10A

I

U

źr

U

C

U

R

U

R

L

U

L

U

1

U

LR

rys. 1 : Wykres wskazowy prądu i napięć - 

poł. szeregowe RLC

 

 
 

II. Łączymy układ równoległy RLC jak na poniższym schemacie: 

Rys. 2 

 

17

background image

Dokonujemy pomiarów prądów I, I

R

, I

L

, I

C

 oraz napięcia. Otrzymane wyniki zapisujemy w tabeli nr2. 

Dokonujemy sprawdzenia wyników pomiarów napięcia i prądów na podstawie znajomości R, L, C, f 
oraz napięcia U - otrzymane wyniki zapisujemy w tabeli nr2. 

Na podstawie obliczeń prądów i danego napięcia U rysujemy wykres wskazowy napięcia i prądów 

przyjmując odpowiednie skale. 
 

Tabela nr2 
 

 U[ma] 

I[A] I

R

[A] I

L

[A] I

C

[A] 

Wielkości 

mierzone 

 

 

 

 

 

Wielkości 

wyliczone 

 

 

 

 

 

100mA

10V

U

I

C

I

R

I

L

I

napięcia - poł. równoległe RLC

 

 

 

 
 

 
 

 

 

18

background image

III. Kompensacja mocy biernej: 

 
Łączymy układ jak na poniższym schemacie: 

 

 

Rys.3 

 
 

Dokonujemy pomiarów napięcia , mocy i prądów najpierw dla obwodu szeregowego R, L a następnie 
po dołączeniu równolegle kondensatora do odbiornika. Otrzymane wyniki zapisujemy w tabeli nr3. 

Na podstawie pomiarów rysujemy wykres wskazowy. 

 
Tabela nr3 

 
U[V] I[mA] I

RL

[mA] I

C

[mA] P[W]  cosφ S[VA] 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 
 

Wyznaczamy pojemność kondensatora na podstawie wzoru: 

 

(

)

2

'

sk

U

tg

tg

P

C

ω

ϕ

ϕ

=

 

 

 

19

background image

10mA

10V

U

I

Icos

ϕ

Isin

ϕ

I

C=3,5

µF

I

komp

U

10V

1W

Q

Q

C

S

S

komp

P

ϕ

mocy przy kompensacji mocy biernej

 

 

20


Document Outline