background image

Sygnały 

Sygnały f(t)

Stałe

Zmienne f(t)

 const

Okresowe

Nieokresowe

Pulsujące

Zachowujące znak

Zmieniające znak

Inne

Odkształcone

SINUSOIDALNE

Inne

 

Sygnał okresowy f(t

)

(

)

(

0

T

t

f

t

f

t

T

+

=

>

 

 

Wartość średnia sygnału okresowego f(t

+

=

T

t

t

def

t

t

f

T

F

0

0

d

)

(

1

śr

 

Przykład Ob

liczyć wartość średnią nieskończonego ciągu impulsów o kształcie pokazanym na rysunku. 

1

2,5

t [s]

f(t)

+3

–1

T= 2,5 [s]

0,6

F

śr

 

(

)

6

,

0

5

3

5

,

1

3

5

2

)d

1

(

3)d

5

,

2

0

,

1

=

=

=


+

t

t

(

5

2

d

)

(

5

,

2

1

0

,

1

0

5

,

2

0

śr


+

=

=

t

t

f

F

 

 

Dr inż. Jacek Czosnowski  

Katedra Elektrotechniki AGH Wydział EAIiE 

background image

Wartość skuteczna sygnału okresowego f(t

+

=

T

t

t

def

t

t

f

T

F

0

0

d

)

(

1

2

sk

 

Przykład

    

Obliczyć wartość skuteczną nieskończonego ciągu impulsów o kształcie pokazanym na rysunku. 

1

2,5

t [s]

f(t)

+3

–1

T= 2,5 [s]

0,6

F

sk

F

śr

2,05

 

Interpretacja energetyczna wartości skutecznej 

 

i(t)

u(t)

R

   i

(t)= i+ T )

   u

(t)= R

i+ T )

U= U

sk

R

I= I

sk

Prąd okresowy

Prąd stały

 

 

Energia wydzielona w oporze R w przedziale czasu t

0

 

 t

  

 t

0

 + T: 

T

I

R

d

)

(

R

d

)

(

)

(

T)

,

(

2
sk

T

2

T

0

0

R

0

0

0

0

+

+

=

=

=

+

t

t

t

t

t

t

i

t

t

i

t

u

t

t

w

 

Wniosek: Energia wydzielona w oporze R w czasie jednego okresu T prądu 
okresowego  
                 i
(t)= i+ T ) jest równa energii, jaką w tym samym oporze i w tym samym  
                 czasie wydzieli prąd stały o wartości I= I

sk

T

U

G

d

)

(

G

d

)

(

)

(

T)

,

(

2
sk

T

2

T

0

0

R

0

0

0

0

+

+

=

=

=

+

t

t

t

t

t

t

u

t

t

i

t

u

t

t

w

 

Wniosek: Energia wydzielona w oporze R w czasie jednego okresu T napięcia 
                 okresowego u
(t)= u+ T ) jest równa energii, jaką w tym samym oporze i w  
                 tym samym czasie wydzieli napięcie stałe o wartości U= U

sk

.

 

 
 
 
 
Przykład   
 

Wyznaczyć wartość napięcia stałego dającego w rezystorze R taki sam skutek  energetyczny jak napięcie 

okresowe pokazane na rysunku

1

2,5

t [s]

u(t) [V]

+30

–10

T= 2,5 [s]

20,5

U= U

sk

 

(

)

05

,

2

2

,

4

5

,

1

9

5

2

d

)

1

(

d

3)

(

5

2

5

,

2

0

,

1

2

0

,

1

0

2

=

=

+

=



+

+

=

t

t

t

d

)

(

5

,

2

1

5

,

2

0

2

sk

=

t

f

F

(

)

V

  

5

,

20

2

,

4

10

5

,

1

)

10

(

1

30

5

2

2

2

=

=

+

d

)

(

5

,

2

1

5

,

2

0

2

=

=

t

t

u

U

sk

Dr inż. Jacek Czosnowski  

Katedra Elektrotechniki AGH Wydział EAIiE 

background image

Sygnał sinusoidalny 

 

Przemienny pulsujący ( zmienia znak ) okresowy określony dla t

∈ (–∞, +∞ ).  

 

(

)

ϕ

ω

α

+

=

=

t

A

t

A

t

f

m

m

cos

sin

)

(

cos

sin

)

(

 

 

A

m

  

 

– amplituda sygnału; 

α(t)= ω⋅t  + ϕ – faza sygnału w [rad] lub [

o

]; 

ω  

 

– pulsacja sygnału w [rad/s] lub  [

o

/s] – przy czym:  

T

π

2

f

π

2

ω

=

=

  

gdzie   f [Hz]  – częstotliwość sygnału, 

T [s]  – okres sygnału;  

ϕ  

 

– faza początkowa sygnału w [rad] lub [

o

]; 

 

-2

2

4

6

8

-2

-1

1

2

ϕ

A

m

A

m

ω

 

t [rad]

2π

f(t)

α

(t)

(

)

ϕ

ω

α

+

=

=

t

A

t

A

t

f

m

m

cos

sin

)

(

cos

sin

)

(

A

pp

= 2A

m

A

max

= +A

m

A

min

= – A

m

ω

 

t

 

 

Wartość średnia sygnału sinusoidalnego 

0

)

ω

sin(

ω

1

T

d

)

ω

cos(

T

T

0

T

0

śr

=

⎥⎦

⎢⎣

+

=

+

=

ϕ

ϕ

t

A

t

t

A

F

m

m

 

 

Wartość skuteczna sygnału sinusoidalnego 

2

d

2

)

2

ω

2

cos(

1

T

d

)

ω

(

cos

T

T

0

T

0

2

sk

m

m

m

A

t

t

A

t

t

A

F

=

+

+

=

+

=

ϕ

ϕ

 

Dr inż. Jacek Czosnowski  

Katedra Elektrotechniki AGH Wydział EAIiE 

background image

Przykład 

Jakie napięci pracy powinien mieć kondensator filtrujący włączony równolegle do sieci  zasilającej odbiornik TV 

 

System 

elektroenergetyczny

 

C

 

U

sk

= 230 V

V

  

U

U

sk

m

325

2

=

=

 

Czyli, 325 < U

C

 = 400 V – minimalne napięcie pracy kondensatora C ( w praktyce, lepiej U

C

= 630 V ). 

 

Przesunięcie fazowe sygnałów sinusoidalnych 

-5

-2.5

2.5

5

7.5

-2

-1

1

2

ϕ

2

ω t

f

(

 

t)

∆α = α

2

(t) – 

α

1

(t) = (

ω

 

t + 

ϕ

2

) – (

ω

 

t + 

ϕ

1

) =  

ϕ

2

 – 

ϕ

1

f

1

(t)

f

2

(t)

ϕ

1

f

1

(t) = A

1

 sin

 

α

1

(t) = A

1

 sin( 

ω

 

t + ϕ

1

)

f

2

(t) = A

1

 sin

α

2

(t) = A

2

 sin( 

ω

 

t + ϕ

2

)

 

Stan Ustalony Sinusoidalny (SUS) 

Przykład     

Przyłączenie napięcia sinusoidalnego do dwójnika RL.

 

R

L

e(t)

 

= E

sin

 

ωt

i(t)

t

i

t

t

i

ω

sin

E

R

d

)

(

d

L

m

=

+

NPK

 

 

Rozwiązanie

  

 

i(t) = i

p

(t) + i

u

(t

 

 

 

        :     

dla t 

Æ

 

 

całka ogólna:

     

t

e

t

i

GL

1

p

C

)

(

=

   

 

   

 

                 

;   

i

p

(t)

 

Æ

 

(

)

ϕ

+

=

+

=

t

t

t

t

i

ω

sin

K

ω

cos

K

ω

sin

K

)

(

2

1

u

 ;  

i

u

(t)

 

Æ

SUS

całka szczególna:

Dr inż. Jacek Czosnowski  

Katedra Elektrotechniki AGH Wydział EAIiE 

background image

Przykład  

Rozpływ prądów zgodnie z PPK 

i

1

(t)

i

2

(t)

i

(t)

PPK  w:   i(t) = i

1

(t) + i

2

(t)

w

 

 

Prąd stały:  

i

1

(t) = 3 A,   i

2

(t) = 1 A  

Æ      

i(t) = i

1

(t) + i

2

(t) = 4 A.

 ( i po problemie  ! )

 

 
Prądy sinusoidalne: 

i

1

(t) = I

1m

 sin

 

ωt + ϕ

1

 ), 

                                          i

2

(t) = I

2m

 sin

 

ωt + ϕ

2

 ). 

 

Dla danych:  

 

I

1m

 = 3 A, 

 

I

2m

 = 1 A, 

 

można tylko stwierdzić, że   dla przesunięcia fazy 

∆α = 0:  I

m

 = +

 

4 A, 

    dla przesunięcia fazy 

∆α = π: I

m

 = +

 

2 A  

i z tego: 

 

+

 

 I

m

 

 +

 

4. 

( i tu jest problem ! ) 

-2.5

2.5

5

7.5

10

12.5

-4

-3

-2

-1

1

2

3

4

   

-2.5

2.5

5

7.5

10

12.5

   

-2.5

2.5

5

7.5

10

12.5

-4

-3

-2

-1

1

2

3

4

 

-4

-3

-2

-1

1

2

3

4

Cały czas obowiązuje PPK dla węzła w:

 

i(t) = i

1

(t) + i

2

(t)

 

∆α = 0 

∆α = 90

0

∆α = 180

0

sygnały w fazie

 

pośrednie przesunięcie fazowe 

sygnały w przeciwfazie

 

 

 

 

 

i

1

(t) = 3 sin

 

ωt )

 

 

i

1

(t) = 3 sin

 

ω)

 

 

i

1

(t) = 3 sin

 

ω)

 

 

i

2

(t) = 1 sin

 

ω)

 

 

i

2

(t) = 1 sin

 

(

ωt + π/2)

 

 

i

2

(t) = 1 sin

 

(

ωt + π)

 

 

 

 

 

i(t) = 4 sin

 

ωt )

 

 

i(t)

 

10

sin

 

(

ωt + 

18

0

)

 

 

i(t) = 2 sin

 

ωt )

 

Metoda bezpośredniej analizy obwodów znajdujących się w SUS jest „nieco” uciążliwa, aczkolwiek 
wykonalna, i w związku z tym powstała metoda symboliczna oparta  na liczbach zespolonych. 

 

Kiedy w obwodzie jest „Stan Ustalony Sinusoidalny” 

Obwód SLS znajduje się w stanie sinusoidalnym ustalonym ( SUS ) jeśli: 

1.   wszystkie obwodowe funkcje wymuszające ( napięcia  e

n

(t) i prądy  j

p

(t

autonomicznych  źródeł wymuszających ) mają przebieg  sinusoidalny o 
jednakowej pulsacji 

ω

2.   autonomiczne źródła wymuszające działają w obwodzie nieskończenie długo – co 

oznacza, że składowe przejściowe ( całki ogólne ), związane z zaistniałą w obwodzie 
w chwili początkowej  t

0

  komutacją oraz początkowymi energiami w

C

(t

0

) i  w

L

(t

0

)  

zgromadzonymi w konserwatywnych elementach C i L, wszystkich obwodowych 
funkcji gałęziowych zanikły do zera; 

3.   wszystkie obwodowe funkcje gałęziowe ( napięcia  e

g

(t) i prądy  j

g

(t) gałęzi ) mają 

przebieg  sinusoidalny o jednakowej pulsacji 

ω – oznacza to brak w obwodzie 

półdegeneracji w postaci przekrojów pojemnościowych  (  złożonych z pojemności i 
autonomicznych  źródeł prądu
 ) i oczek indukcyjnych ( złożonych z indukcyjności i 
autonomicznych źródeł napięcia
 )

 

Dr inż. Jacek Czosnowski  

Katedra Elektrotechniki AGH Wydział EAIiE 

background image

Półdegeneracje czyli przekroje „C” i oczka „L” 

 

L

2

L

1

L

3

e(t)

I= ?

Oczko indukcyjne

W oczku indukcyjnym

może płynąć dowolny stały prąd I,

powodując, że prądy gałęziowe

nie będą miały przebiegu sinusoidalnego,

natomiast napięcia gałęziowe będą miały

przebieg sinusoidalny.

 

 

j(t)

U= ?

Przekrój pojemnościowy

C

1

C

2

Na przekroju pojemnościowym

 może panować dowolne stałe napięcie U,

powodując, że napięcia gałęziowe

nie będą mały przebiegu sinusoidalnego,

natomiast prądy gałęziowe będą miały

przebieg sinusoidalny.

Obwód I

Obwód II

 

 
Przykład 

W obwodzie pokazanym na rysunku, wyznaczyć przebieg napięcia u

LC

(

t

).

  

 

j(t)= J

 

sin(

ω

 

t)

1(t)

C

R

L

u

LC

(t)=?

PRZEKRÓJ „C”

 

Dr inż. Jacek Czosnowski  

Katedra Elektrotechniki AGH Wydział EAIiE 

background image

( )

(

)

)

(

ω

cos

1

J

1

d

)

(

C

1

)

(

)

(

ω

sin

LJ

)

(

ω

cos

J

d

)

(

d

L

)

(

)

(

ω

sin

RJ

)

(

m

0

C

m

m

L

m

R

t

t

j

t

u

t

t

t

t

t

t

j

t

u

t

t

t

u

t

1

δ

1

1

=

=

+

=

=

=

τ

τ

 

Pełna odpowiedź: 

[

]

)

(

ω

sin

LJ

)

(

1

J

)

(

ω

cos

1

J

)

(

)

(

)

(

m

m

m

C

L

LC

t

t

t

t

t

t

u

t

u

t

u

δ

1

1

+

+

=

=

+

=

 

Odpowiedź w stanie ustalonym ( 

Æ 

)

)

(

U

)

(

ω

cos

U

 

          

)

(

1

J

)

(

ω

cos

1

J

)

(

(LC)0

(LC)m

m

m

LC

t

t

t

t

t

t

t

u

1

1

1

1

+

=

=

+

=

 

 

Przykład  

To samo co w poprzednim przykładzie ale dla wymuszenia j(t)= J

cos

 

ωt 1(t)

 

( )

)

(

ω

sin

J

1

d

)

(

C

1

)

(

)

(

ω

cos

LJ

)

(

ω

sin

J

d

)

(

d

L

)

(

)

(

ω

cos

RJ

)

(

m

0

C

m

m

L

m

R

t

t

j

t

u

t

t

t

t

t

t

j

t

u

t

t

t

u

t

1

δ

1

1

=

=

+

=

=

=

τ

τ

 

Pełna odpowiedź: 

[

]

)

(

ω

cos

LJ

)

(

2

π

ω

cos

1

J

)

(

)

(

)

(

m

m

C

L

LC

t

t

t

t

t

u

t

u

t

u

δ

1

+

+

=

=

+

=

 

Odpowiedź w stanie ustalonym ( 

Æ 

)

)

(

2

π

ω

cos

U

 

          

)

(

2

π

ω

cos

1

J

)

(

(LC)m

m

LC

t

t

t

t

t

u

1

1

+

=

=

+

=

 

Dr inż. Jacek Czosnowski  

Katedra Elektrotechniki AGH Wydział EAIiE