background image

1.4 Moc na elementach RLC przy 
wymuszeniu sinusoidalnym 

 
 Jeżeli odbiornikiem jest element o rezystancji R, to moc 
chwilowa wydzielająca się w tym elemencie jest opisana 
równaniem: 
 
  p(t) = u

R

(t) i(t) = R i

2

(t) = R I

m

2

 sin

2

 (

ω

t+

ψ

i

) =  

 

 = 

1
2 R I

m

2

 - 

1
2 R I

m

2

 cos(2

ω

t + 2

ψ

i

)] = R I

2

 – R I

2

 cos(2

ω

t + 2

ψ

i

)] 

 
 Wartość  średnia mocy chwilowej jest w tym przypadku różna 
od zera, a moc czynna elementu o rezystancji R wynosi: 
 

  P = 

1
2

 R I

m

2

 = R I

2

 

 
  Amplituda zmian mocy chwilowej na rezystorze jest równana 
mocy czynnej: 
 
  S = R I

2

 

 
co oznacza, ze współczynnik mocy jest w tym przypadku równy 
jedności. 
 
  Na Rys. 6 przedstawiono zmiany chwilowe mocy na elemencie 
rezystancyjnym. 
 

 
 

 

Rys. 6.  Wartość chwilowa mocy na rezystancji 

 

background image

 
 Jeżeli odbiornikiem jest element o indukcyjności L, to wartość 
chwilowa mocy jest opisana równaniem: 
 

  p(t) = u

L

(t) i(t) = 

ω

L I

m

 sin(

ω

t + 

ψ

i

 + 

π

2 )   I

m

 sin(

ω

t + 

ψ

i

) = 

 = 

ω

L I

m

2

 

1
2 {cos( 

π

2 ) – cos(2

ω

t + 2

ψ

i

 + 

π

2 )}= 

 = 

1

ω

L I

m

2

 cos(2

ω

t + 2

ψ

i

 + 

π

2 )= - 

1

ω

L I

m

2

 sin(2

ω

t + 2

ψ

i

) = 

  = 

 X

L

 I

2

 sin(2

ω

t + 2

ψ

i

 
 Jak 

widać na Rys. 7 oraz jak wynika z równania na wartość 

chwilową mocy, w rozpatrywanym przypadku występują tylko 
oscylacje mocy chwilowej między  źródłem a cewką. Wartość 
średnia mocy chwilowej jest równa zeru, czyli cewka nie pobiera 
mocy czynnej ze źródła. 
 
 Jeżeli odbiornikiem jest element o pojemności  C, to wartość 
chwilowa mocy jest równa: 

  p(t) = u

C

(t) i(t) = 

1

ω

C

 I

m

 sin(

ω

t + 

ψ

i

 - 

π

2 )   I

m

 sin(

ω

t + 

ψ

i

) = 

 = 

1

ω

C

 I

m

2

 

1
2 {cos( - 

π

2 ) – cos(2

ω

t + 2

ψ

i

 - 

π

2 )}= 

 = 

1

1

ω

C

 I

m

2

 cos(2

ω

t + 2

ψ

i

 - 

π

2 )= 

1

1

ω

C

 I

m

2

 sin(2

ω

t + 2

ψ

i

) = 

 = 

X

C

 I

2

 sin(2

ω

t + 2

ψ

i

 
 Jak 

widać na Rys. 8 oraz jak wynika z równania na wartość 

chwilową mocy odbiornik o pojemności  C nie pobiera mocy 
czynnej, ponieważ wartość  średnia mocy chwilowej jest równa 
zeru. 
 
 Należy zauważyć,  że w obu przypadkach amplituda oscylacji 
mocy chwilowej zależy od reaktancji elementu i kwadratu wartości 
skutecznej prądu: 
 

  S = 

1

ω

L I

m

2

 = X

L

 I

2

   oraz   S = 

1

1

ω

C

 I

m

2

 = X

C

 I

2

 

 
 Ponieważ wartość  średnia mocy P jest równa zeru, to 
współczynnik mocy jest dla idealnej cewki i kondensatora równy 
zeru. 

 
 
 

 

Rys. 7.  Wartość chwilowa mocy dla elementu 

indukcyjnego 

 

 

Rys. 8.  Wartość chwilowa mocy dla elementu 

pojemnościowego 

 

background image

 

1.5 Pomiar mocy dwójnika 

 

Układ pomiarowy 
 
  Do pomiaru mocy pobieranej przez dwójnik wykorzystujemy 
watomierz, czyli przyrząd pomiarowy, którego wskazanie P

w

 jest 

równe wartości  średniej iloczynu wartości chwilowych napięcia 
u

12

(t) doprowadzonego do napięciowych zacisków watomierza i 

prądu i

ab

(t) przepływającego pomiędzy prądowymi zaciskami tego 

watomierza: 
 

  P

w

 = 

1

0

T

u

12

(t) i

ab

(t) dt  

 
  W celu pomiaru mocy czynnej odbiornika należy do 
odpowiednich zacisków watomierza doprowadzić prąd płynący 
przez obciążenie oraz napięcie występujące na zaciskach tego 
obciążenia (Rys. 12). 
 
 Jeżeli mierzone napięcia i prądy zmieniają się sinusoidalnie, to 
moc czynna P pobierana przez odbiornik jest równa iloczynowi 
wartości skutecznej napięcia U

12

 na zaciskach odbiornika, wartości 

skutecznej prądu I

ab

 płynącego przez odbiornik oraz cosinusa kąta 

przesunięcia fazowego 

ϕ

 między napięciem i prądem: 

 

  P = U

12

 I

ab

 cos

ϕ

 

 
 Ponieważ zachodzi następująca równość:  
 

  P = UI cos 

ϕ

= Re 

{

 U I

 

*

}

 

 
to w rozpatrywanym przypadku wskazanie watomierza można 
obliczyć korzystając ze wzoru: 
 

  P

w

 = Re{U

12

 I

ab

*

 

 

 

Rys. 9. 

Watomierz 

 

i(t)

i

u

(t)

a

b

1

2

u(t)

 

Rys. 10. Układ cewek watomierza 

 

u(t)

i(t)

a

b

1

2

W

 

Rys. 11. Symbol watomierza 

 

Odbiornik

u(t)

i(t)

W

 

Rys. 12. Układ do pomiaru mocy czynnej 

dwójnika 

 

background image

 Uzupełniając dotychczasowy układ pomiarowy o amperomierz 
i woltomierz (Rys. 13) możemy wyznaczyć moduł mocy pozornej 
S pobieranej przez dwójnik: 
 
  S = U I 
 
 Moc 

bierną obliczamy korzystając z następującej zależności: 

 
  Q = S

2

 - P

2

  

 
Nie wiemy czy jest to moc indukcyjna czy pojemnościowa. 
 
  Kąt fazowy obwodu 

(kąt przesunięcia fazowego) wyznaczamy 

wiedząc, że 
 

 cos

ϕ

 = 

P

UI = 

P

S  

 
 Moduł impedancji obwodu obliczamy korzystając ze wskazań 
woltomierza i amperomierza: 
 

 Z 

U

I      R = 

P
I

2

     X =  Z

2

 - R

2

  

 
 Znając natomiast częstotliwość mierzonych sygnałów możemy 
obliczyć indukcyjność L lub pojemność C badanego dwójnika: 
 
 

ω

 = 2

π

 f 

 

 L 

X

ω

  

 C 

1

ω

 X

  

 
  Wyznaczone w powyższy sposób wartości rezystancji, 
indukcyjności lub pojemności są wypadkowymi wartościami 
opisującymi dwójnik. 

 

Odbiornik

u

i

A

W

V

Hz

 

Rys. 13. Układ do pomiaru mocy czynnej i 

pozornej dwójnika 

 

background image

Pomiar mocy 
 
  W przypadku, gdy napięcia i prądy na zaciskach układu lub 
zmieniają się okresowo, to ilość energii dostarczonej do odbiornika 
obliczamy za okres powtarzania sygnałów: 
 

  W(t

0,

t

o

 + T)

 

t

0

t

0

+T

 p(t) dt = 

0

T

 p(t) dt 

 
 Powyższa równość wynika z faktu, że 
 

 

t

0

t

0

+T

 p(t) dt = 

0

T

 p(

τ

+t

0

) d

τ

 = p(

τ

+t

0

)|

0

T

 = p(T+t

0

) – p(t

0

) = W

T 

 
  Moc czynna może być obliczona dla dowolnej wielokrotności 
okresu powtarzalności sygnałów: 
 

 P 

1

nT 

0

nT

p(t) dt = 

1

nT  n 

0

T

p(t) dt =  

1

0

T

p(t) dt  

 
  Trudno jest jednak dokładnie odmierzyć czas pomiaru tak aby 
był on dokładnie wielokrotnością (naturalne) okresu T napięcia i 
prądu. Jeżeli pomiar trwa od chwili t

0

 = 0, do chwili t = nT+

τ

gdzie 

τ

 należy do przedziału 

 

τ

 

 T, to ilość zmierzonej energii 

wynosi: 
 

  W = 

0

nT+

τ

 p(t) dt = 

0

nT

 p(t) dt +

nT

τ

 p(t) dt = 

 

  = 

n

0

T

 p(t) dt +

0

τ

 p(t) dt = n W

T

 + W(

τ

) 

 
gdzie W(

τ

) jest energią, która spełnia warunek 

 W(

τ

 W

T

 
 Ponieważ  W(

τ

) jest co najwyżej równe W

T

, to błąd pomiaru 

mocy będzie tym mniejszy im dłużej trwa pomiar, czyli im 
większa jest liczba n. Dla n = 1000  błąd pomiaru mocy nie 
przekracza 0,1 %