background image

Obwody Elektryczne i Magnetyczne 

 

®

 

 

1  

 

 

 

 

 
 

Obwody Elektryczne 

Transformata Laplace’a oraz jej wykorzystanie w analizie 

stanu nieustalonego metodą operatorową – część II 

 

Prowadzący: dr inż. Tomasz Sikorski 

 

Instytut Podstaw Elektrotechniki i Elektrotechnologii 

Wydział Elektryczny 

Politechnika Wrocławska 

 

D-1, 205/1 

tel: (071) 320 21 60 

fax: (071) 320 20 06 

email: 

tomasz.sikorski@pwr.wroc.pl

 
 
 

background image

Obwody Elektryczne i Magnetyczne 

 

®

 

 

2  

 

 

 

1.  Metoda operatorowa ...................................................................................................................................................................................................... 3 

1.1 

Prawa Kirchhoffa w zapisie operatorowym........................................................................................................................................................... 4 

1.2 

Równania dla elementów RLC w zapisie operatorowym – elementy schematu operatorowego .......................................................................... 5 

1.3 

Impedancja, admitancja operatorowa, prawo Ohma w zapisie operatorowym ..................................................................................................... 8 

1.4 

Przykłady analizy stanu nieustalonego metodą operatorową .............................................................................................................................. 10 

Załączanie szeregowej gałęzi RL na napięcie stałe ......................................................................................................................................................... 10 
Obwód rozgałęziony zawierający gałęzie aktywne, dwa oczka ...................................................................................................................................... 14 
Wymuszenie sinusoidalne oraz metoda wektora wirującego .......................................................................................................................................... 24 

 
 

background image

Obwody Elektryczne i Magnetyczne 

 

®

 

 

3  

 

 

 

1. Metoda  operatorowa 

Metoda klasyczna analizy pracy obwodu elektrycznego w stanie nieustalonym bazowała na różniczkowo-
całkowych związkach prądowo-napięciowych na elementach obwodu. Pozytywnym aspektem takiego 
podejścia było przede wszystkim zachowanie wszystkich kroków analizy w dziedzinie czasu i tym samym 
ukłon w kierunku fizyki elementów RLC z nierozerwalnymi związkami różniczkowo-całkowymi, z prawem 
zachowania energii czy ciągłości prądów płynących przez cewkę i napięć na kondensatorach. Za 
negatywną stronę metody klasycznej można uznać pracochłonne i czasochłonne działania związane z 
wyodrębnieniem i rozwiązaniem równania różniczkowego, zwłaszcza w przypadku obwodów wyższego 
rzędu.  
Wprowadzenie transformaty Laplace’a przenosi ciężar zapisu sygnału z dziedziny czasu do dziedziny 
zmiennej zespolonej s, która nosi nazwę operatora s. Adaptacja tej metody w analizie obwodów 
elektrycznych stwarza automatycznie dwa podstawowe pytania o wykorzystanie w: 

1. zapisie równań Kirchhoffa, 
2. zapisie związków prądowo-napięciowych na elementach RLC. 

Czy uda się zapisać równania Kirchhoffa w zapisie operatorowym? Jak będą wyglądać związki 
różniczkowo-całkowe w zapisie operatorowym i czy ich forma pozwoli na uproszczenie operacji 
matematycznych potrzebnych do rozwiązania obwodu? 
Odpowiedź na większość z tak stawianych pytań jest pozytywna, do tego stopnia, że reprezentacja 
związków prądowo-napięciowych na elementach RLC skutkuje nawet ich operatorowymi schematami 
zastępczymi, tzn. „transformacji Laplace’a” możemy poddać cały obwód, z istniejącymi w nim sygnałami 
napięć i prądów, oraz elementami i gałęziami. Tak wprowadzimy pojecie schematu operatorowego. 
Podobną filozofię stosowaliśmy w metodzie symbolicznej analizy obwodu w stanie ustalonym przy 
wymuszeniu sinusoidalnym. Jednak w przypadku transformacji Laplace’a mamy do czynienia z pełną, nie 
tylko symboliczną, reprezentacją.  

background image

Obwody Elektryczne i Magnetyczne 

 

1.1 Prawa Kirchhoffa w zapisie operatorowym 

 
Dla dowolnego czasu t prądy 

( )

k

i t  spełniają w danym przekroju (węźle) obwodu I-prawo Kirchhoffa 

(algebraiczna suma prądów w przekroju (węźle) równa jest zero). Nałożenie liniowej operacji transformacji 
Laplace’a pozwala zauważyć, że I-prawo Kirchhoffa jest zachowane również dla transformat prądów: 
 

Dziedzina czas 

Dziedzina operatorowa (zespolona) 

( )

k

k

i t

0

=

 

( )

k

k

I s

0

=

 

Na podstawie liniowości przekształcenia Laplace’a : 

{

®

 

 

4  

 

 

 

( )

( )

}

( )

( )

1

2

1

2

af t

bf t

aF s

bF s

±

=

±

L

 

 
Identycznie możemy zaadoptować transformację Laplace’a w przypadku II prawa Kirchhoffa, gdzie 
możemy powiedzieć,  że algebraiczna suma transformat napięć oraz źródeł napięciowych w oczku jest 
równa zero: 
 

Dziedzina czas 

Dziedzina operatorowa (zespolona) 

( )

n

n

u t

0

=

 

( )

n

n

U s

0

=

 

Na podstawie liniowości przekształcenia Laplace’a : 

{

( )

( )

}

( )

( )

1

2

1

2

af t

bf t

aF s

bF s

±

=

±

L

 

 
 
 

background image

Obwody Elektryczne i Magnetyczne 

 

1.2 Równania dla elementów RLC w zapisie operatorowym – elementy schematu 

operatorowego 

Adaptacja transformacji Laplace’a w opisie relacji prądowo-napięciowych na elementach RLC 
wykorzystuje następujące właściwości przekształcenia: 
 

( )

( )

{

}

( )

( )

1

2

1

2

af t

bf t

aF s

bF s

±

=

±

L

 liniowość przekształcenia 

( )

{

}

( )

( )

f t

s

s

f 0

'

F

=

L

  

 

transformata 

pochodnej 

( )

{

}

( )

1

C

f t dt

s

s

s

F

=

+

L

     transformata 

całki 

 
Znaczącym pozytywnym aspektem wykorzystanie transformacji Laplace’a w opisie RLC jest zastąpienie 
funkcjonałów różniczkowo-całkowych przez algebraiczne relacje pomiędzy transformatami napięć i prądów 
oraz parametrów obwodu. Prowadzi to do schematów operatorowych elementów obwodu. 
 
REZYSTOR: 

Dziedzina czas t  

Dziedzina operatorowa (zespolona) 

( )

( )

R

u t

Ri t

=

 

L

⎯⎯

( )

( )

U

I

R

s

R

s

=

 

R

i(t)

u

R

(t)

 

( )

( )

R

u t

i t

R

=

 

 

( )

( )

I

R

U s

s

R

=

 

R

I(s)

U

R

(s)

 

 
 

®

 

 

5  

 

 

 

background image

Obwody Elektryczne i Magnetyczne 

 

CEWKA: 

Dziedzina czas t  

Dziedzina operatorowa (zespolona) 

( )

( )

L

di t

u t

L

dt

=

 

L

⎯⎯

( )

( )

( )

(

)

( )

( )

             

U

L

s

L sI s

i 0

sLI s

Li 0

=

=

=

 

U

L

(s)

sL

Li(0-)

I(s)

 

L

i(t)

u

L

(t)

 

( )

( )

L

1

i t

u t dt

L

=

 

L

⎯⎯

( )

( ) ( )

I

U

L

i 0

1

s

s

sL

s

=

+

 

I(s)

sL

s

i(0-)

U

L

(s)

 

 
UWAGA:  
Dla zerowych warunków początkowych związek prądowo-napięciowy transformat przyjmie postać: 

( )

( ) ( )

( )

U

,

U

L

L

1

s

sL I s I s

s

sL

=

=

 

co należy odczytywać jako prawo Ohma dla transformat lub operatorowe prawo Ohma dla cewki

Składniki 

,

1

sL

sL

 można zatem traktować jako impedancje oraz admitancje operatorowe cewki

 
 
 
 

®

 

 

6  

 

 

 

background image

Obwody Elektryczne i Magnetyczne 

 

 
KONDENSATOR: 

Dziedzina czas t  

Dziedzina operatorowa (zespolona) 

( )

( )

c

du t

i t

C

dt

=

 

L

⎯⎯

( )

( )

( )

(

)

( )

( )

             

c

C

C

C

I s

C sU s

u 0

sCU s

Cu 0

=

=

=

Cu

c

(0-)

I(s)

sC

1

U

C

(s)

 

C

i(t)

u

c

(t)

 

( )

( )

C

1

u t

i t dt

C

=

 

L

⎯⎯

( )

( )

( )

C

C

u 0

1

U s

I s

sC

s

=

+

 

I(s)

U

C

(s)

sC

1

s

u

C

(0-)

 

 
UWAGA:  
Dla zerowych warunków początkowych związek prądowo-napięciowy transformat przyjmie postać: 

( )

( ) ( )

( )

U

,

U

C

C

1

s

I s I s

sC

s

sc

=

=

 

co należy odczytywać jako prawo Ohma dla transformat lub operatorowe prawo Ohma dla 

kondensatora. Składniki 

,

1

sC

sC

 można zatem traktować jako impedancje oraz admitancje 

operatorowe kondensatora
 

®

 

 

7  

 

 

 

background image

Obwody Elektryczne i Magnetyczne 

 

1.3 Impedancja, admitancja operatorowa, prawo Ohma w zapisie operatorowym 

 
Idąc dalej, dla zerowych warunków początkowych, możemy wprowadzić pojęcie  impedancji 
operatorowej 

( )

Z s

 oraz admitancji operatorowej 

( )

Y

, zarówno dla gałęzi jak i zastępczych połączeń 

szeregowo-równoległych. 

s

 
Przykład dla szeregowej pasywnej gałęzi RLC: 
 

R

sL

1/sC

I(s)

U(s)

( )

2

1

s LC sRC 1

Z s

R sL

®

 

 

8  

 

 

 

sC

sC

+

+

= +

+

=

( )

( )

2

1

sC

Y s

Z s

s LC sRC 1

=

=

+

 

+

 
Ostatecznie przy zerowych warunkach początkowych  reprezentację prawa Ohma w postaci 
operatorowej
 można zapisać jako: 

( )

( ) ( ) ( )

( ) ( )

U

,

U

s

Z s I s I s

Y s

s

=

=

 

 
Przykład dla szeregowej aktywnej gałązi RLC: 

R

sL

1/sC

I(s)

U(s)

( )

C

u 0

s

( )

Li 0

( )

( )

( )

( )

( )

( )

;

C

u 0

U s

Li 0

1

s

I s

Z s

R sL

Z s

sC

+

− −

=

= +

+

 

background image

Obwody Elektryczne i Magnetyczne 

 

PODSUMOWANIE: 
Zastosowanie transformacji Laplace’a w ujęciu prądów i napięć w obwodzie zachowuje w pełni 
najważniejsze prawa obwodowe tj. I-go oraz II-go prawa Kirchhoffa. Transformacji podlegają nie 
tylko sygnały, ale możemy mówić o transformacji całego obwodu, łącznie z elementami. Prowadzi 
to do adaptacji znanych już pojęć, lecz tym razem w znaczeniu operatorowym, takich jak. 
impedancja oraz admitancja operatorowa czy operatorowe prawo Ohma. 
Jeśli uda nam się przetrasformować w pełni obwód, czyli zarówno pod względem napięć, prądów, 
wymuszeń, elementów, to możemy mówić o SCHEMACIE OPERATOROWYM OBWODU. 
UWAGA: Do rozwiązania napięć i prądów w schemacie operatorowym możemy wykorzystać 
wszystkie dostępne metody obwodowe. Stanowi to podstawę tzw. METODY OPERATOROWEJ. 
Ostatecznie po rozwiązaniu obwodu metodą operatorową, szukane sygnały napięć czy prądów 
możemy odnaleźć jako transformatę odwrotną. 
 

Analiza obwodu w stanie ustalonym przed komutacją

Warunek początkowy dla t=0-

Utworzenie schematu operatorowego z uwzględnieniem warunków

początkowych, źródeł

Wybór metody obwodowej oraz rozwiązanie obwodu ze względu na

szukane prądy, napięcia w postaci transformat

t<0

t=0-

Metoda

o

pe

ratorow

a

Historia obwodu

Wyznaczenie transformaty odwrotnej szukanych sygnałów napięć oraz

prądów

t>0

 

®

 

 

9  

 

 

 

background image

Obwody Elektryczne i Magnetyczne 

 

1.4 Przykłady analizy stanu nieustalonego metodą operatorową 

Załączanie szeregowej gałęzi RL na napięcie stałe 

Dane: 

( )

.

,

e t

E const

R L

= =

 

Szukane: 

( )

i t

 

E

R

L

t = 0

u

L

(t)

i(t)

 

 

1. t<0, Analiza obwodu w stanie ustalonym przed komutacją (historia obwodu) oraz 

wyznaczenie warunku początkowego dla t=0- 

( )

i t

0 A

=

 

( )

i 0

0 A

=

 

2.  Schemat operatorowy po komutacji 

Dane: 

®

 

 

10  

 

 

 

E

R

sL

U

L

(s)

I(s)

E(s)= s

U

R

(s)

 

( )

( )

{ }

,

L

E

E s

e t

s

R sL

=

=

 

( )

0

0

Li

=

 zerowe 

warunki początkowe 

Szukane: 

( )

I s

 

background image

Obwody Elektryczne i Magnetyczne 

 

Ze względu na zerowe warunki początkowe obwód reprezentuje schemat z jednym 
wymuszeniem operatorowym i układem połączeń impedancji operatorowych. Wykorzystamy 
metodę przekształceń (redukcji obwodu). 

( )

Z s

R sL

= +

 

Dalej prawo Ohma operatorowo: 

( )

( )

( )

(

)

(

)

E s

E

E

1

I s

R

Z s

s R sL

L s s

L

=

=

=

+

+

 

3. Szukane 

( )

i t

 znajdziemy jak transformatę odwrotną 

( )

I s

 

Po pierwsze przygotowujemy informacje o liczniku i mianowniku danej transformaty: 

( )

{ }

st L s

0

=

, brak zer transformaty 

( )

I s

 

( )

{

}

st M s

2

=

, miejsca zerowe mianownika tj. bieguny transformaty: 

( )

(

)

R

M s

0

s s

0

L

= ⇒

+

=

 

Stąd określamy bieguny i ich krotności: 

1

1

s

0 n

1

,

=

=

 

2

2

R

s

n

1

L

= −

=

,

 

Sprawdzamy warunki: 
1. stopień wielomianu licznika L(s) jest mniejszy od stopnia wielomianu mianownika M(s), czyli st{L(s)} < 

st{M(s)}  ( 0 < 2 ), 

( )

2. ułamek 

( )

L s

M s

 jest nie skracalny, tzn. miejsca zerowe L(s) są różne od miejsc zerowych M(s). 

 

®

 

 

11  

 

 

 

background image

Obwody Elektryczne i Magnetyczne 

 

Wykorzystanie rozkładu na ułamki proste: 

( )

(

) (

) (

)

(

)

i

n

r

ik

11

21

11

21

k

1

1

i 1 k 1

i

1

2

A

A

A

A

A

I s

s

s R L

s s

s s

s s

=

=

=

=

+

=

+

+

∑∑

/

 

 
Wyznaczamy współczynniki rozkładu dla pierwszego bieguna 

1

1

s

0 n

1

,

=

=

 

( )

11

s

s

0

0

E

A

s

s

s

L

=

=

lim

F

lim

1

s

(

)

E

s R L

L

=

+

/

L

E

R

R

=

 

Wyznaczamy współczynniki rozkładu dla drugiego bieguna 

2

2

R

s

n

2

L

= −

=

,

 

(

)

/

/

lim

lim

/

21

s

s

R L

R L

E

A

s R L

L

=

=

+

(

)

/

1

s s R L

+

/

lim

s

R L

E 1

E

L s

L

→−

⎥ =

= −

L

E

R

R

= −

 

Ostatecznie I(s) w rozkładzie na ułamki proste przyjmie postać: 

( )

(

)

E 1 E

1

I s

R s

R s R L

=

/

 

Wykorzystując tabele transformat oraz własności odnajdujemy poszczególne składniki oryginału i(t)

( )

( )

( )

( )

R

R

t

t

L

L

E

E

E

i t

1 t

e 1 t

1 e

1 t

R

R

R

=

=

 

®

 

 

12  

 

 

 

background image

Obwody Elektryczne i Magnetyczne 

 

W otrzymanym rozwiązaniu wyróżnić możemy składnik związany z wymuszeniem stałym, tj. składową 

wymuszoną (ustaloną) 

( )

E

1 t

R

, oraz składową swobodną (przejściową) 

( )

R

t

L

E

e 1 t

R

 

i(t)

t

τ

E

R

t=0

( )

 

R

t

L

L

E E

i t

e

dla t 0

R R

= −

>

,

( )

Lu

i

t

( )

Lp

i

t

-E

R

L

 

Polecenie: proszę sprawdzić powyższe rozwiązanie metodą klasyczną – wykład 2. 
 
 
 
 
 
 

®

 

 

13  

 

 

 

background image

Obwody Elektryczne i Magnetyczne 

 

Obwód rozgałęziony zawierający gałęzie aktywne, dwa oczka 

Dane: 

( )

( )

.

,

źr

źr

e t

E const

i t

I

const

R L

= =

=

=

 

Szukane: 

( )

i t

 

R

®

 

 

14  

 

 

 

R

E

R

L

i

źr

(t)

t = 0

i(t)

 

 
1.  t<0, analiza obwodu w stanie ustalonym przed komutacją (historia obwodu) oraz wyznaczenie 

warunku początkowego dla t=0- 

Przed komutacją obwód pracował ze zwartą gałęzią  i

źr

(t). Jedynym aktywnym źródłem było  źródło 

napięcia stałego, co przy gałęziach zbudowanych z RL pozwoliło potraktować obwód przed komutacją 
jako obwód czysto rezystancyjny. 

( )

( )

( )

1

1

1

3

2

2

2

3

1

1

2

3

ZAST

ZAST

E

E

R

R

R

R

i t

R

R

E

i t

i t

R

= +

=

=

=

=

=

 

Stąd: 

( )

1 E

i 0

3 R

=

 

R

E

i(t)

R

R

i

1

(t)

i

2

(t)

 

 

background image

Obwody Elektryczne i Magnetyczne 

 

 

2.  Schemat operatorowy po komutacji 

R

R

sL

I

źr

(s)=

R

V(s)

Li(0-)

I

1

(s)

I(s)

E

E(s)= s

s

I

źr

 

Dane: 

( )

źr

źr

I

I

s

s

=

( )

E

E s

s

=

 

( )

E

Li 0

L

3R

=

 

 

Szukane: 

( )

( )

{ }

-1

L

i t

I s

=

 

 
Obwód reprezentuje układ dwu-oczkowy z wieloma wymuszeniami, ale o strukturze drabinkowej 
(dwu-węzłowej). Decydując się na metodę rozwiązania takiego obwodu możemy zaproponować 
metodę potencjałów węzłowych, metodę Thevenina czy metodę równań Kirchhoffa. 
 
Podkreślmy jeszcze raz znaczenie operatorowej reprezentacji obwodu. Dzięki transformacji 
całego obwodu do dziedziny s
 przenosimy ciężar poszukiwania rozwiązania na analizę obwodu 
znanymi już metodami obwodowymi. Mając pewne doświadczenie możemy wybrać metodę, 
która w szybki sposób pozwoli wyznaczyć transformatę szukanego sygnału. Dla porównania 
wyznaczymy w zadanym przypadku I(s)
 trzema metodami.  
 
Ostatnim krokiem jest wyznaczenie transformaty odwrotnej szukanej wielkości. 

®

 

 

15  

 

 

 

background image

Obwody Elektryczne i Magnetyczne 

 

Ad 2.1 Wykorzystanie metody potencjałów węzłowych w zapisie operatorowym 
 
Dla przedstawionego obwodu w schemacie operatorowym istnieje tylko jeden węzeł niezależny i 
równanie metody potencjałów węzłowych dotyczyć będzie tylko jednego potencjału V(s)
 

( )

( )

( )

( )

0

1

1

źr

Li

E s

V s

I

s

sL R

R

R

sL R

+

=

+

+

+

;

(

)

( )

( )

( )

( )

0

2

źr

Li

E s

sL

R

V s

I

s

sL R R

R

sL R

+

=

+

+

+

 

( )

( )(

)

( )

2

źr

sL R R

E s

V s

I

s

sL

R

R

+

=

+

+

(

)

sL R R

+

( )

0

2

Li

sL

R

sL R

+

+

(

)

sL R

+

2

R

sL

R

+

 

( ) (

) ( )

( )(

)

( )

0

2

2

źr

Li

R

sL R I

s R E s sL R

V s

sL

R

sL

R

 

+

+

+

=

+

+

®

 

 

16  

 

 

 

R

sL

I

Li(0-)

(s)

V(s)

 
Różnica wyznaczonego potencjału i potencjału odniesienia wskazuje napięcie gałęziowe 
U(s), a następnie szukaną transformatę prądu  I(s)  wyznaczamy z operatorowego prawa 
Ohma dla tej gałęzi: 

U(s)

( )

( )

( )

( )

( )

( )

( )

0

0

,

U s

Li

I s

U s

V s

V s

V s

sL R

+

=

=

=

+

 

 
 
 

background image

Obwody Elektryczne i Magnetyczne 

 

( )

( )

( )

(

)

( )

( )

( )

( )

0

0

0

2

2

źr

Li

R

sL R I

s R E s

Li

V s

Li

sL

R

sL

R

I s

sL R

sL R

+

+

⎦ −

+

+

+

+

=

=

+

+

 

( )

( )

( )

( )

( )

0

0

2

2

źr

Li

R

Li

I

s R E s

sL

R

I s

sL

R

sL R

+

+

+

=

+

=

+

+

 

( )

( )

( )

( )

(

)(

)

( )

0

0

2

2

źr

Li

R

Li

I

s R E s

I s

sL

R

sL

R sL R

sL R

+

=

+

+

+

+

+

+

 

( )

( )

( )

( )

( )

(

)

(

)(

)

0

0

2

2

2

źr

Li

R Li

sL

R

I

s R E s

I s

sL

R

sL

R sL R

+

+

+

=

+

+

+

+

 

( )

( )

( )

( )

( )

(

)

(

)(

)

0

0

2

2

2

źr

Li

R Li

sL

R

I

s R E s

I s

sL

R

sL

R sL R

+

+

+

=

+

+

+

+

 

( )

( )

( )

( )

(

)

0

2

źr

Li

sL R

I

s R E s

I s

sL

R

+

+

=

+

+

(

) (

)

2

sL

R sL R

+

+

( )

( )

( )

0

2

źr

I

s R E s

Li

sL

R

+

+

=

+

 

 
 

®

 

 

17  

 

 

 

background image

Obwody Elektryczne i Magnetyczne 

 

Po podstawieniu danych: 

( )

źr

źr

I

I

s

s

=

( )

E

E s

s

=

,

( )

E

Li 0

L

3R

=

 

( )

[

]

(

)

3

3

3

2

2

2

źr

źr

źr

I

I

E

E

E

E s

E

R

L

R

L

sL

I R E

s

s

R

s

s

R s

R

I s

sL

R

sL

R

s sL

R

+

+

+

+

+

+

=

=

=

+

+

+

 

 
Ad 2.2 Wykorzystanie metody Thevenina w zapisie operatorowym 
 

R

R

sL

I

źr

(s)=

R

Li(0-)

I

1

(s)

I(s)

E

E(s)= s

s

I

źr

a

b

R

I

źr

(s)=

R

I’

1

(s)

E

E(s)= s

s

I

źr

a

b

(s)=

ab

=E (s)

TH

R

a

b

(s)=

ab

=Z (s)

TH

R

sL

I(s)

a

b

Li(0-)

(s)

TH

(s)

TH

Thevenin

 

Z metody Thevenina szukany I(s) wyznaczymy jako: 

( )

( )

( )

( )

0

TH

TH

E

s

Li

I s

Z

s

sL R

 

+

=

+

+

 

®

 

 

18  

 

 

 

background image

Obwody Elektryczne i Magnetyczne 

 

Poszczególne składniki metody zastępczego  źródła Thevenina potrzebne do wypełnienia powyższego 
wyrażenia wskazują powyższe obwody pomocnicze: U

AB

(s)=E

TH

(s), Z

AB

(s)=Z

TH

(s) 

( )

( )

( )

( )

( )

( )

1

1

'

,

: '

AB

TH

źr

U

s

E

s

RI s

E s gdzie I s

I

s

=

=

+

=

 

( )

( )

AB

TH

Z

s

Z

s

R

=

=

 

Po podstawieniu danych 

( )

źr

źr

I

I

s

s

=

( )

E

E s

s

=

,

( )

E

Li 0

L

3R

=

:  

( )

[

]

(

)

3

3

2

źr

źr

RI

E

E

E

L

sL

I R E

s

s

R

R

I s

R sL R

s sL

R

+ +

+

+

=

=

+

+

+

 

 
*Porównaj efektywność wyznaczenia I(s) z metodą potencjałów węzłowych. 
 
Ad 2.3 Wykorzystanie metody równań Kirchhoffa 

 

®

 

 

19  

 

 

 

 

Układ równań Kirchhoffa przyjmie postać: 

( )

( ) ( )

(

) ( )

( )

( )

( )

1

1

0

0

źr

I

s

I s

I s

sL R I s

I s R E s

Li

=

+

+

=

⎪⎩

 

 

 

R

R

sL

I

źr

(s)=

I

1

(s)

I(s)

E

s

I

źr

E(s)= s

Li(0-)

background image

Obwody Elektryczne i Magnetyczne 

 

Podstawiając 

( )

( ) ( )

1

źr

I s

I

s

I s

=

 

(

) ( )

( )

( )

( )

( )

0

0

źr

sL R I s

I

s R I s R E s

Li

+

+

=

 

(

) ( )

( )

( )

( )

2

0

źr

sL

R I s

I

s R E s

Li

+

=

+

+

 

( )

( )

( )

( )

(

)

0

2

źr

I

s R E s

Li

I s

sL

R

+

+

=

+

 

Po podstawieniu danych 

( )

źr

źr

I

I

s

s

=

( )

E

E s

s

=

,

( )

E

Li 0

L

3R

=

:  

( )

(

)

[

]

(

)

3

3

2

2

źr

źr

I

E

E s

E

R

L

sL

I R E

s

s

R s

R

I s

sL

R

s sL

R

+ +

+

+

=

=

+

+

 

 
*Porównaj efektywność wyznaczenia I(s) z metodą Thevenina oraz z metodą potencjałów 
węzłowych. 
 
 
 
 
 
 

®

 

 

20  

 

 

 

background image

Obwody Elektryczne i Magnetyczne 

 

 

3. Wyznaczenie oryginału szukanego i(t) jako transformaty odwrotnej I(s) 

( )

( )

{ }

1

i t

I s

=

L

 

Właściwą odpowiedź uzyskamy przez realizację transformaty odwrotnej 
Do tego celu możemy wykorzystać: metodę granic, metodę residuów oraz metodę sprowadzania do 
wspólnego mianownika. 
 
Jako przykład wyznaczymy i(t) z metody residuów. Polecam sprawdzenie uzyskanego wyniku stosując 
rozkład na ułamki proste z wykorzystaniem metody granic i metody sprowadzania do wspólnego 
mianownika. 
 

( )

( )

{ }

( )

( )

i

r

1

res

st

s s

i 1

i t

I s

I s e

1 t

=

=

=

= ⎢

L

,

( )

[

]

(

)

[

]

1

3

3

2

2

źr

źr

E

E

sL

I R E

s

I R E

R

R

L

I s

R

s sL

R

s s

L

+

+

+

+

=

=

+

+

 

 

1. stopień wielomianu licznika L(s) jest mniejszy od stopnia wielomianu mianownika M(s), czyli st{L(s)} < 

st{M(s)}  ( 1 < 2 ), 

( )

2. ułamek 

( )

L s

M s

 jest nie skracalny, tzn. miejsca zerowe L(s) są różne od miejsc zerowych M(s). 

 

®

 

 

21  

 

 

 

background image

Obwody Elektryczne i Magnetyczne 

 

Dalej określamy bieguny i ich krotności: 

1

1

s

0 n

1

,

=

=

 

2

2

2R

s

n

1

L

= −

=

,

 

 

( )

( )

{ }

( )

( )

( )

( )

( )

i

r

1

res

st

res

st

res

st

s s

s 0

s

2 R L

i 1

i t

I s

I s e

1 t

I s e

I s e

1 t

=

=

=−

=

=

=

=

+

L

/

 

Residuum dla pierwszego bieguna 

1

1

s

0 n

1

,

=

=

 wyznaczymy jako: 

( )

(

)

( )

( )

s 0

1 1

res

st

s 0

1 1

1

d

I s e

s

1 1 ds

=

⎤ =

lim

!

[

]

źr

E

1

s

I R E

3R

L

s

+

+

[

]

[

]

s 0

źr

st

st

źr

źr

E

1

s

I R E

3R

L

e

e

2R

2R

s

s

L

L

1

I R E

I

E

L

2R

2

2R

L

+

+

=

=

+

+

+

⎥ =

+

lim

 

 
 
 
 
 

®

 

 

22  

 

 

 

background image

Obwody Elektryczne i Magnetyczne 

 

 

®

 

 

23  

 

 

 

s

R 2L n

Residuum dla drugiego bieguna 

2

1

2

− /

,

=

 wyznaczymy jako: 

=

( )

(

)

(

)

(

)

s

1 1

res

st

2 R

1 1

2 R

s

L

L

1

d

2R

I s e

s

1 1

L

ds

=−

⎤ =

+

lim

!

[

]

źr

E

1

s

I R E

3R

L

2R

s s

L

+

+

+

[

]

[

]

s

st

2 R

2 R

2 R

źr

źr

t

t

t

st

źr

źr

L

L

L

2 R

L

e

E

1

1

s

I R E

I R E

I

I

E

E

E

E

3R

L

L

e

e

e

e

2R

s

3R

3R

2

2R

6 R

2

L

+

+

+

=

=

+

=

= −

lim

 
 
Ostatecznie szukany oryginał: 

( )

( )

( )

( )

( )

2 R

t

res

st

res

st

źr

źr

L

s 0

2 R

s

L

I

I

E

E

i t

I s e

I s e

1 t

e

1 t

2

2R

6 R

2

=

=−

⎤ ⎡

=

+

=

+

+ −

⎥ ⎢

⎦ ⎣

 

 
 
 

background image

Obwody Elektryczne i Magnetyczne 

 

Wymuszenie sinusoidalne oraz metoda wektora wirującego 

Niejednokrotnie powtarzaliśmy,  że w przypadku stanu nieustalonego przy wymuszeniu sinusoidalnym, 
nie możemy stosować metody symbolicznej, tj. zastąpienia sygnałów sinusoidalnych ich statyczną 
reprezentacją wektorową (wskazową), a elementów RLC obwodu impedancją zespoloną. Takie 
postępowanie było możliwe tylko w stanie ustalonym przy wymuszeniu sinusoidalnym. W trakcie stanu 
przejściowego mamy do czynienia z sygnałami, które różnią się od sinusoidy, np. sygnały wykładnicze, 
czy oscylacje zanikające lub rosnące, dla których reprezentacja za pomocą statycznego wektora jest 
niewystarczająca. 
 
Jeśli jednak spojrzymy na wymuszenie sinusoidalne jak część urojoną funkcji zespolonej, czyli 
wirującego wektora, wtedy możemy zaadoptować zapis wektora wirującego do analizy stanu 
nieustalonego. Jest to bardzo efektywne narzędzie zwłaszcza w przypadku stosowania metody 
operatorowej. 
 
Przypomnijmy relacje pomiędzy funkcją zespoloną a sygnałem sinusoidalnym: 

( )

(

)

( )

{ }

(

)

{

}

( )

{

}

sin

Im

Im

Im

f

f

j t

j

j t

m

f

m

m

f t

F

t

f t

F e

F e e

ω ψ

ψ

ω

ω ψ

+

=

+

=

=

=

 

 
Korzyści w zastosowaniu zapisu wektora wirującego w metodzie operatorowej upatruje się w „wygodnej” 
formie transformaty Laplace’a w porównaniu do bezpośredniej transformaty Laplace’a samego sygnału 
sinusoidalnego. 
 
 
 

®

 

 

24  

 

 

 

background image

Obwody Elektryczne i Magnetyczne 

 

Bezpośrednia transformata Laplace’a 

Transformata Laplace’a wektora wirującego 

®

 

 

25  

 

 

 

( )

{

}

2

2

L

sin

m

F

t

ω

s

ω

ω

=

+

( )

{

}

 

0

1

L

m

j

t

j

m

m

F e

F e

F

s

j

s

ω

j

ω

ω

=

=

⎬ ⎨

⎭ ⎩

 

(

)

{

}

( )

( )

( )

( )

{

}

( )

( )

2

2

2

2

L

L

sin

sin

cos

cos

sin

cos

sin

m

f

m

f

f

f

f

m

m

F

t

F

t

t

s

F

F

s

s

ω ψ

ω

ψ

ω

ψ

ω

ψ

ψ

ω

ω

+

=

=

+

=

=

+

( )

{

}

1

L

f

f

j

j

j t

m

m

m

F e e

F e

s j

F

s j

ψ

ψ

ω

ω

ω

=

=

= ⎨

 

+

+

 
Spróbujmy wykorzystać transformatę wektora wirującego w analizie obwodu RC załączanego na 
napięcie sinusoidalne: 

Dane: 

( )

(

)

sin

,

m

e

e t

E

t

R C

ω ψ

=

+

 

Szukane 

( )

c

u t

 

R

C

t = 0

u

C

(t)

i(t)

u

R

(t)

e(t)=E

m

sin(

ω

t+

ψ

e

)

e(t)

 

background image

Obwody Elektryczne i Magnetyczne 

 

1.  t<0, analiza obwodu w stanie ustalonym przed komutacją (historia obwodu) oraz wyznaczenie 

warunku początkowego dla t=0- 

Obwód przed komutacją pracował bezenergetycznie, czyli 

( )

0

0

c

u

V

=

 

2. Schemat operatorowy po komutacji z wykorzystaniem transformaty Laplace’a wektora 

wirującego: 

( )

( )

{

}

1

L

e

e

m

j

t

j

j

m

m

E

E s

E e e

E e

s

j

s

j

ω

ψ

ψ

ω

ω

=

=

=

⎬ ⎨

 

R

sC

U

C

(s)

I(s)

U

R

(s)

E(s)

1

 

⎭ ⎩

( )

( )

{ }

( )

( )

{ }

( )

( )

{ }

L

L

L

;

;

R

R

C

C

I s

i t

U s

u t

U

s

u t

=

=

=

 

 
Korzystając z dzielnika napięcia: 

( )

( )

( )

( )

1

1

1

1

1

1

C

sC

sC

U s

E s

E s

E s

sRC

sRC

R

sC

sC

=

=

=

+

+

+

 

( )

(

)

1

1

1

1

m

m

C

E

E

U s

s

j

sRC

RC

s

s

j

RC

ω

ω

=

=

+

+

 

 

®

 

 

26  

 

 

 

background image

Obwody Elektryczne i Magnetyczne 

 

3. Wyznaczenie oryginału szukanego uc(t) z wykorzystaniem transformaty Laplace’a wektora 

wirującego 

( )

C

U s

Przygotujemy 

( )

C

U

s

 w formie rozkładu na ułamki proste względem biegunów: 

,

1

1

1

s

n

1

RC

= −

=

  

,

2

2

s

j n

1

ω

=

=

 

( )

(

)

(

)

11

21

1

1

1

m

C

E

A

A

U s

RC

s

j

s

s

j

s

RC

RC

ω

ω

=

=

+

+

+

 

Współczynniki rozkładu znajdziemy wykorzystując metodę granic: 

11

1

1

1

lim

m

s

RC

E

A

RC

s

RC

→−

=

+

(

)

1

s

RC

s j

ω

+

(

)

1

1

1

m

m

E

E

RC

j RC

j

RC

ω

ω

⎪ =

= −

+

 

(

)

21

1

1

lim

m

s

j

E

A

RC

s

s

j

RC

ω

ω

=

+

(

)

s

j

ω

(

)

1

1

1

m

m

E

E

RC

j RC

j

RC

ω

ω

⎪ =

=

+

+

 

®

 

 

27  

 

 

 

background image

Obwody Elektryczne i Magnetyczne 

 

Rozkład na ułamki proste wektora wirującego 

( )

C

U

s

 przyjmie postać: 

( )

(

)

(

) (

)

1

1

1

1

1

m

m

C

E

E

U

s

j RC

j RC

s

j

s

RC

ω

ω

ω

= −

+

+

+

+

 

Dodatkowo wprowadźmy następujące przekształcenie: 

(

)

2

2

1

1

j

j

j

j RC

j C R j

Ce

Ze

CZe

C

π

π

ϕ

ϕ

ω

ω

ω

ω

ω

+

+

=

=

=

 

gdzie: 

2

2

1

Z

R

C

ω

=

+ ⎜

 - moduł impedancji zespolonej w stanie ustalonym,  

   

1

actg

CR

ϕ

ω

=

 - argument impedancji zespolonej w stanie ustalonym. 

Pamiętając, że amplituda zespolona rozwija się w formę 

e

j

m

m

E

E e

ψ

=

, można opisać 

( )

C

U

s

 formą: 

( )

(

)

2

2

1

1

1

e

e

j

j

m

m

C

j

j

E e

E e

U

s

s

j

s

CZe

CZe

RC

ψ

ψ

π

π

ϕ

ϕ

ω

ω

ω

+

+

= −

+

+

 

 
 

®

 

 

28  

 

 

 

background image

Obwody Elektryczne i Magnetyczne 

 

( )

(

)

2

2

1

1

1

e

e

j

j

m

m

C

E

E

U s

e

e

CZ

CZ

s

j

s

RC

π

π

ψ ϕ

ψ ϕ

ω

ω

ω

− −

= −

+

+

 

Wyznaczenie oryginał szukanego napięcia 

( )

C

u t

 odbędzie się w dwóch krokach: 

ƒ

 

( )

( )

C

C

- wyznaczenie oryginału wektora wirującego 

U

s

u t

( )

( )

{

}

1

L

C

C

u t

U

s

=

 

ƒ

 

( )

( )

C

C

u t

u t

 - wyznaczenie sygnału szukanego napięcia z postaci wektora wirującego 

( )

( )

{ }

Im

C

C

u t

u t

=

 

A zatem oryginał wektora wirującego (funkcja zespolona): 

( )

( )

{

}

1

1

2

2

L

e

e

j

j

t

j t

m

m

RC

C

C

E

E

u t

U s

e

e

e

e

CZ

CZ

π

π

ψ ϕ

ψ ϕ

ω

ω

ω

− −

=

= −

+

 

1

2

2

2

2

cos

sin

cos

sin

t

m

RC

e

e

m

e

e

E

e

j

CZ

E

t

j

t

CZ

π

π

ψ

ϕ

ψ

ϕ

ω

π

π

ω ψ

ϕ

ω ψ

ϕ

ω

= −

− −

+

− −

+

+

+

− −

+

+

− −

 

 
 

®

 

 

29  

 

 

 

background image

Obwody Elektryczne i Magnetyczne 

 

Ostatecznie szukane napięcie na kondensatorze: 

( )

( )

{ }

1

2

2

Im

sin

sin

t

m

m

RC

C

C

e

e

E

E

u t

u t

e

t

CZ

CZ

π

π

ψ

ϕ

ω ψ

ϕ

ω

ω

=

= −

− −

+

+

− −

=

 

(

)

(

)

1

cos

cos

t

m

m

RC

e

e

E

E

e

t

CZ

CZ

ψ

ϕ

ω ψ

ϕ

ω

ω

=

+

 

Wykorzystano: 

( )

2

sin

cos

π

α

α

= −

 

 
 

®

 

 

30