background image

 

  

 

 

 

Konspekt jest współfinansowany przez Unię Europejską  

w ramach Europejskiego Funduszu Społecznego 

w projekcie: 

 

"Innowacyjna dydaktyka bez ograniczeń  

- zintegrowany rozwój Politechniki Łódzkiej zarządzanie Uczelnią,  

nowoczesna oferta edukacyjna  

i wzmacniania zdolności do zatrudniania,  

także osób niepełnosprawnych". 

 
 
 

 
 

 
 

 
 

 
 
 

 
 

 
 

 
 

 

Materiały pomocnicze do przedmiotu 

 

 

 

Obwody Elektryczne 3 

 
 

 
 

 
 

 

 

 

 

background image

 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

Przedmowa 
 

Materiały pomocnicze do przedmiotu Obwody Elektryczne 3 są przeznaczone głównie dla  
studentów studiów niestacjonarnych. Mają  ułatwić samodzielną naukę praktycznego 

 

wykorzystania metod analizy obwodów poznawanych w ramach przedmiotu Obwody 
Elektryczne 3. Materiały nie są typowym zbiorem zadań, nie zawierają propozycji zadań do 
samodzielnego rozwiązania lecz zadania o niezbyt dużym stopniu trudności, których 
rozwiązania są dokładnie opisane. Ma to służyć lepszemu zrozumieniu problemów analizy 
obwodów, szczególnie w zakresie podstaw tej dziedziny. Opanowanie analizy obwodów w 
zakresie przewidzianym przez zajęcia  ćwiczeniowe z Obwodów Elektrycznych 3 wymaga 
opanowania zagadnień zawartych w odpowiednich rozdziałach podręcznika: TEORIA 
OBWODÓW, ZADANIA opracowanego pod redakcją profesora M.Tadeusiewicza.  
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

 

 

2

background image

Zadanie 1 

Wyznacz opis łańcuchowy czwórnika przedstawionego na rys.1.1. 

2

Z

2

Z

1

1

’ 

Rys.1.1 

Rozwiązanie 

Do opisu czwórników wykorzystuje się cztery wielości związane z czwórnikiem: napięcie na 
zaciskach wejściowych, prąd wejściowy, napięcie na zaciskach wyjściowych oraz prąd 
wyjściowy. Są one przedstawione na rys.1.2. 

1

’ 

czwórnik 

i

1

u

2

2

i

2

u

Rys.1.2. Wielkości używane w opisach czwórników 

Do analizy układu, w którym występują dowolne sygnały nieokresowe może być 
wykorzystane przekształcenie Laplace’a. Do opisu czwórników wykorzystane zostaną zatem 
wielkości operatorowe, które oznaczane są w następujący sposób: 

 

( )

( )

( )

( )

2

2

2

2

1

1

1

1

i

s

I

u

s

U

i

s

I

u

s

U

=

=

=

=

 (1.1) 

Równania łańcuchowe czwórnika są jednymi z sześciu rodzajów wykorzystywanych do opisu 
czwórników. Zależność (1.2) przedstawia równania łańcuchowe:  
 

                                                               

a

a

u

+

=

 

(1.2) 

( )

( )

2

22

2

21

1

2

12

2

11

1

i

a

u

a

i

i

u

+

=

 
Postać macierzowa tych równań to: 
 

   

 

(1.3) 

=

2

2

1

1

i

u

i

u

A

gdzie: 

 
 

(1.4) 

=

22

21

12

11

a

a

a

a

A

 

3

background image

Współczynniki wiążące napięcia i prądy wejściowe oraz wyjściowe, które są elementami 
macierzy  A mogą zostać wyznaczone poprzez analizę układu czwórnika w dwóch różnych 
stanach, np. w stanie zwarcia zacisków wyjściowych (rys.1.3) oraz w stanie jałowym, czyli w 
stanie rozwarcia zacisków wyjściowych (rys.1.4).  

Rys.1.3. Czwórnik w stanie zwarcia zacisków wyjściowych 

Rys.1.4. Czwórnik w stanie rozwarcia zacisków wyjściowych 

Analiza zależności (1.2) pozwala na wyznaczenie sposobu wyznaczenia wyrazów macierzy 
łańcuchowej. Wyrazy 

 oraz 

 zostaną wyznaczone na podstawie analizy stanu 

rozwarcia zacisków wyjściowych 

11

a

21

a

 

2

1

2

1

0

21

0

11

2

2

u

i

u

u

i

i

a

a

=

=

=

=

 (1.5) 

Odpowiada to następującemu stanowi analizowanego czwórnika: 

 

1

i

 

czwórnik 

0

2

=

i

1

u

2

u

 

 

 

2

i

1

i

czwórnik 

1

u

0

2

=

u

1

i

0

2

=

i

1

u

2

u

Z

1

Z

2

 

Rys.1.5. Stan rozwarcia zacisków wyjściowych analizowanego czwórnika 

Na podstawie rys.1.5 można sformułować równania: 

(

)

(

) (

)

2

2

1

21

2

1

2

2

1

2

2

1

2

1

2

1

1

2

1

11

2

1

2

2

1

1

1

1

1

Z

u

i

a

Z

i

u

Z

Z

Z

Z

Z

Z

i

Z

Z

i

u

u

a

Z

i

u

Z

Z

i

u

=

=

=

+

=

+

=

+

=

=



=

+

=

 

 

4

background image

 

Wyrazy 

 oraz 

a

 zostaną wyznaczone na podstawie analizy stanu zwarcia zacisków 

wyjściowych czwórnika 

12

a

22

 

2

1

2

1

0

22

0

12

2

2

i

i

i

u

u

u

a

a

=

=

=

=

 (1.6) 

Odpowiada to następującemu stanowi analizowanego czwórnika: 

 

 

2

i

1

i

1

u

0

2

=

u

Z

1

Z

2

Rys.1.6. Stan zwarcia zacisków wyjściowych analizowanego czwórnika 

Na podstawie rys.1.6 można sformułować równania: 

1

2

1

22

1

2

1

1

1

1

2

1

12

1

2

1

1

1

=

=

=

=

=

=

=

=

i

i

a

i

i

Z

i

Z

i

i

u

a

i

i

Z

i

u

 

Poszukiwana macierz łańcuchowa czwórnika to: 

 +

=

1

1

1

2

1

2

1

Z

Z

Z

Z

A

 

 
Zadanie 2 

Wyznacz opis admitancyjny czwórnika typu Π przedstawionego na rys.2.1. 

Y

2

Y

Y

1

’ 

Rys.2.1 

Rozwiązanie 

 

5

background image

Opis admitancyjny czwórnika przedstawiają równania (2.1) ÷ (2.3). 
 

 

(2.1) 

2

22

1

21

2

2

12

1

11

1

u

y

u

y

i

u

y

u

y

i

+

=

+

=

W postaci macierzowej: 

   

 

 
 

(2.2) 

=

2

1

2

1

u

u

i

i

Y

gdzie: 

 
 

(2.3) 

=

22

21

12

11

y

y

y

y

Y

Podobnie, jak w zadaniu 1, wyrazy macierzy Y zostaną wyznaczone przez analizę dwóch 
różnych stanów czwórnika. Z zależności (2.1) wynika, że najwygodniejszym sposobem 
wyznaczenia poszukiwanych parametrów będzie analiza czwórnika ze zwartymi zaciskami 
wyjściowymi, tzn. dla 

 oraz  ze zwartymi zaciskami wejściowymi, tzn. przy 

0

2

=

u

0

1

=

u

Pierwszy z tych stanów przedstawia rys.2.2. 

1

i

2

i

1

u

0

2

=

u

Y

1

Y

1

Y

2

 

 

 

Rys.2.2. Analizowany czwórnik przy zwartych zaciskach wyjściowych 

Dla 

u

 zależności (2.1) przyjmują postać 

0

2

=

 

1

21

2

1

11

1

u

y

i

u

y

i

=

=

 

Wynikają z nich następujące wartości dwóch poszukiwanych parametrów: 

0

1

2

21

0

1

1

11

2

2

=

=

=

=

u

u

u

i

y

u

i

y

 

Analiza obwodu z rys.2.2 pozwala na sformułowanie następujących równań, z których 
wynikają poszukiwane parametry: 

(

)

2

0

1

2

21

1

2

2

2

1

0

1

1

11

1

2

1

1

2

1

1

1

2

2

Y

u

i

y

u

Y

i

Y

Y

u

i

y

u

Y

Y

u

Y

u

Y

i

u

u

=

=

=

+

=

=

+

=

+

=

=

=

 

Drugi z analizowanych stanów to stan zwarcia zacisków wejściowych czwórnika, 

0

1

=

u

Stan ten przedstawiony jest na rys.2.3 

 

6

background image

 

 

 

2

i

1

i

0

1

=

u

2

u

Y

1

Y

1

Y

2

Rys.2.3. Analizowany czwórnik przy zwartych zaciskach wejściowych 

Dla 

u

 zależności (2.1) przyjmują postać: 

0

1

=

 

2

22

2

2

12

1

u

y

i

u

y

i

=

=

 

Wynikają z nich następujące wartości dwóch poszukiwanych parametrów: 

0

2

2

22

0

2

1

12

1

1

=

=

=

=

u

u

u

i

y

u

i

y

 

Analiza obwodu z rys.2.3 pozwala na sformułowanie następujących równań, z których 
wynikają poszukiwane parametry: 

(

)

2

0

2

1

12

2

2

1

2

1

0

1

1

22

2

2

1

2

2

2

1

2

2

2

Y

u

i

y

u

Y

i

Y

Y

u

i

y

u

Y

Y

u

Y

u

Y

i

u

u

=

=

=

+

=

=

+

=

+

=

=

=

 

Poszukiwana macierz admitancyjna to: 

+

+

=

2

1

2

2

2

1

Y

Y

Y

Y

Y

Y

Y

 

 

Zadanie 3 

L

 

2

C

 

L

 

1

’ 

 

Rys.3.1 

 

7

background image

 

1.  Wyznacz opis impedancyjny czwórnika typu T przedstawionego na rys.3.1 na 

podstawie analizy dwóch wybranych jego stanów. 

2.  Wyznacz opis hybrydowy czwórnika korzystając z wyznaczonego w punkcie 1 opisu 

impedancyjnego. 

Rozwiązanie 
Punkt 1 

Opis impedancyjny czwórnika przedstawiają równania (3.1) ÷ (3.3). 
 

 

(3.1) 

2

22

1

21

2

2

12

1

11

1

i

z

i

z

u

i

z

i

z

u

+

=

+

=

 
W postaci macierzowej: 

   

 

 
 

(3.2) 

=

2

1

2

1

i

i

u

u

Z

gdzie: 

 
 

(3.3) 

=

22

21

12

11

z

z

z

z

Z

Podobnie, jak w zadaniu 1, wyrazy macierzy Z zostaną wyznaczone przez analizę dwóch 
różnych stanów czwórnika. Z zależności (3.1) wynika, że najwygodniejszym sposobem 
wyznaczenia poszukiwanych parametrów będzie analiza czwórnika z rozwartymi zaciskami 
wyjściowymi, tzn. dla 

i

 oraz  z rozwartymi zaciskami wejściowymi, tzn. przy 

0

=

0

2

1

=

i

Pierwszy z tych stanów przedstawia rys.3.2. 

1

i

0

2

=

i

1

u

2

u

sC

1

sL

 

sL

 

 

Rys.3.2. Analizowany czwórnik przy rozwartych zaciskach wyjściowych 

Dla 

i

 zależności (3.1) przyjmują postać 

0

2

=

 

1

21

2

1

11

1

i

z

u

i

z

u

=

=

 

Wynikają z nich następujące wartości dwóch poszukiwanych parametrów: 

0

1

2

21

0

1

1

11

2

2

=

=

=

=

i

i

i

u

y

i

u

z

 

 

8

background image

Analiza obwodu z rys.3.2 pozwala na sformułowanie następujących równań, z których 
wynikają poszukiwane parametry: 

sC

i

u

z

i

sC

u

sC

sL

i

u

z

i

sC

sL

i

sC

i

sL

u

i

i

1

1

1

1

1

0

1

2

21

1

2

0

1

1

11

1

1

1

1

2

2

=

=

=

+

=

=

+

=

+

=

=

=

 

Drugi z analizowanych stanów to stan rozwarcia zacisków wejściowych czwórnika, 

0

1

=

i

Stan ten przedstawiony jest na rys.3.3. 

 

 

2

i

0

1

=

i

2

u

sL

sC

1

 

sL

1

u

Rys.3.3. Analizowany czwórnik przy rozwartych zaciskach wejściowych 

Dla 

i

 zależności (3.1) przyjmują postać: 

0

1

=

 

2

22

2

2

12

1

i

z

u

i

z

u

=

=

 

Wynikają z nich następujące wartości dwóch poszukiwanych parametrów: 

0

2

2

22

0

2

1

12

1

1

=

=

=

=

i

i

i

u

z

i

u

z

 

Analiza obwodu z rys.3.3 pozwala na sformułowanie następujących równań, z których 
wynikają poszukiwane parametry: 

sC

i

u

z

i

sC

u

sC

sL

i

u

z

i

sC

sL

i

sC

i

sL

u

i

i

1

1

1

1

1

0

2

1

12

2

1

0

2

2

22

2

2

2

2

1

1

=

=

=

+

=

=

+

=

+

=

=

=

 

Poszukiwana macierz impedancyjna to: 

+

+

=

sC

sL

sC

sC

sC

sL

1

1

1

1

Z

 

Punkt 2 

Równania hybrydowe czwórnika przedstawiają zależności (3.4) ÷ (3.6) 

 

9

background image

 

 

(3.4) 

2

22

1

21

2

2

12

1

11

1

u

h

i

h

i

u

h

i

h

u

+

=

+

=

 
W postaci macierzowej: 
 

 

(3.5) 

=

2

1

2

1

u

i

i

u

H

 

gdzie:  
 
 

(3.6) 

=

22

21

12

11

h

h

h

h

H

Poszukiwane parametry zostaną wyznaczone przez rozwiązanie równań (3.1) o znanych 
współczynnikach względem napięcia 

 oraz prądu 

. Pierwsze z równań (3.4) jest 

związkiem napięć 

 oraz prądu  . Z równań (3.1) należy zatem wyeliminować prąd  

i

Pomnożenie drugiego z równań przez 

1

u

2

i

2

1

u

,

u

1

i

2

22

12

z

z

 a następnie dodanie stronami obu równań 

pozwala na osiągnięcie tego celu. 
 

2

12

1

22

21

12

2

22

12

2

12

1

11

1

i

z

i

z

z

z

u

z

z

i

z

i

z

u

=

+

=

 
 
 
Po dodaniu stronami i uporządkowaniu otrzymanego równania zgodnie z pierwszym 
równaniem (3.4) otrzymuje się: 
 

2

22

12

1

22

21

12

11

2

22

12

1

22

21

12

1

11

1

1

22

21

12

1

11

2

22

12

1

u

z

z

i

z

z

z

z

u

z

z

i

z

z

z

i

z

u

i

z

z

z

i

z

u

z

z

u

+





=

+

=

=

 
 
 
Porównanie ostatniej zależności z pierwszym równaniem (3.4) prowadzi do równań: 
 

22

12

12

22

21

12

11

11

z

z

h

z

z

z

z

h

=

=

 
Przekształcenie drugiego równania (3.1) do postaci zgodnej z drugim równaniem (3.4) daje 
następujący wynik: 
 

2

22

1

22

21

2

2

22

1

21

2

1

u

z

i

z

z

i

i

z

i

z

u

+

=

+

=

 
 
 
 
Porównanie ostatniego równania z drugim równaniem (3.4) prowadzi do następujących 
wyników: 
 

 

10

background image

 

22

22

22

21

21

1

z

h

z

z

h

=

=

 
 
 
 
Poszukiwana macierz hybrydowa to: 
 
 

=

22

22

21

22

12

22

21

12

11

1

z

z

z

z

z

z

z

z

z

H

 
 
 
 
Po uwzględnieniu wyznaczonych w punkcie wartości elementów macierzy Z otrzymuje się: 
 

(

)

(

)

(

)

(

)

(

)

+

+

+

+

+

=

+

=

+

=

=

+

=

=

+

=

=

+

+

=

+

+

=

+

+

=

=

1

1

1

1

1

1

2

1

1

1

1

1

1

1

1

1

2

1

1

1

1

1

1

1

2

2

2

2

2

2

22

22

2

22

21

21

2

22

12

12

2

2

2

2

22

21

12

11

11

LC

s

sC

LC

s

LC

s

LC

s

LC

s

sL

LC

s

sC

sC

sL

z

h

LC

s

z

z

h

LC

s

z

z

h

LC

s

LC

s

sL

LC

s

sC

sC

LC

s

sC

sL

sC

sC

sC

sL

z

z

z

z

h

H

 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
Zadanie 4 

Wyznacz opis stanowy obwodu przedstawionego na rys.4.1. 
 
 
 

L

 

i

L

 

i

R

 

 
 
 
 
 
 
 
 
 

Rys.4.1 

 

C

 

e

 

u

C

 

i

C

 

R

2

 

R

1

 

 

11

background image

Rozwiązanie 

Opis stanowy układu liniowego ma postać: 
 
 
 

(4.1) 

( )

t

t

b

Ax

x

+

=

d

d

gdzie: 
 

 

 

(4.2) 

[ ]

n

n

ij

a

×

=

A

jest macierzą stanu, 
 
 

(4.3) 

[

]

T

1

n

x

K

=

x

jest wektorem stanu, jego składowe 

n

,

i

x

i

K

1

;

=

 to zmienne stanu, 

n jest rzędem obwodu a 

 

(4.4) 

( )

( )

[

]

T

1

t

b

t

b

n

K

=

b

to wektor źródłowy. Wektor 
 
 

(4.5) 

T

1

d

d

d

d

d

d





=

t

x

t

x

t

n

K

x

jest wektorem pochodnych zmiennych stanu. Zależność (4.1) przedstawia 

n równań 

następującej postaci : 

 

( )

( )

( )

t

b

x

a

x

a

x

a

t

x

t

b

x

a

x

a

x

a

t

x

t

b

x

a

x

a

x

a

t

x

n

n

nn

n

n

n

n

n

n

n

+

+

+

+

=

+

+

+

+

=

+

+

+

+

=

K

M

K

K

2

2

1

1

2

2

2

22

1

21

2

1

1

2

12

1

11

1

d

d

d

d

d

d

 (4.6) 

 
Cechą charakterystyczną równań (4.6) jest to, że po lewej stronie każdego równania 
występuje pochodna zmiennej stanu, w każdym równaniu innej, po prawej stronie mogą 
występować wszystkie zmienne stanu z odpowiednimi współczynnikami oraz elementy 
wektora źródłowego. 
Obwód z rys.4.1 jest układem drugiego rzędu. Jako zmienne stanu przyjęte zostają: napięcie 
na kondensatorze 

( )

t

C

u

 oraz prąd płynący przez cewkę 

( )

t

i

L

. W przypadku prostych 

obwodów, takich jak przedstawiony na rys.4.1, równania stanu można sformułować 
posługując się prawami Kirchhoffa oraz zależnościami elementarnymi.  
Prądowe prawo Kirchoffa dla każdego z dwóch węzłów obwodu ma postać: 

0

=

+

+

L

C

R

i

i

i

Wielkość 

( )

t

i

L

 jest zmienną stanu, 

( )

t

C

i

 - pochodną zmiennej stanu. Z równania należy 

zatem wyeliminować tylko prąd 

( )

t

i

R

 zastępując go wyrażeniem zależnym wyłącznie od 

zmiennych stanu oraz ewentualnie prądu 

( )

t

i

C

. Podstawiając: 

2

R

u

i

C

R

=

 

 

12

background image

otrzymuje się zależność, która nie zawiera żadnych wielkości obwodowych poza zmiennymi 
stanu oraz pochodną jednej z nich. Jest to zatem równanie stanu w nieuporządkowanej jeszcze 
formie. 
 
 

0

d

d

0

2

=

+

+

=

+

+

L

C

C

L

C

R

i

t

u

C

R

u

i

i

i

 
 
Wynikiem uporządkowania ostatniego równania zgodnie z formatem zależności (4.6) jest 
pierwsze z równań stanu: 
 
 

C

i

CR

u

t

u

L

C

C

=

2

d

d

 
 
W celu wyznaczenia drugiego równania stanu sformułowane zostaje napięciowe prawo 
Kirchhoffa dla prawego oczka obwodu z rys.4.1. 
 
 

0

d

d

1

=

R

i

e

t

i

L

u

L

L

C

 
 
Jest to równanie stanu, które wymaga uporządkowania zgodnie z zależnością (4.6). 
 
 

L

e

i

L

R

L

u

t

i

L

C

L

=

1

d

d

 
 
Poszukiwany opis stanowy to: 
 

L

e

i

L

R

L

u

t

i

C

i

CR

u

t

u

L

C

L

L

C

C

=

=

1

2

d

d

d

d

 
 
 
 
 
 
lub w postaci macierzowej: 
 
 



+

=

L

e

i

u

L

R

L

C

CR

t

i

t

u

L

C

L

C

0

1

1

1

d

d

d

d

1

2

 
 
 
 

 
 
Zadanie 5 

Na rys.5.1 przedstawiony jest obwód dynamiczny zawierający cewki i kondensatory. 
Wyznacz rząd tego obwodu. 

Rozwiązanie 

Rząd obwodu jest najmniejszą liczbą warunków początkowych niezbędnych do 
jednoznacznego określenia stanu obwodu w dowolnej chwili.  

 

13

background image

 

R

1

 

L

7

 

 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

 

j

9

 

i

7

 

L

5

 

C

4

 

C

3

 

e

8

 

R

2

 

L

6

 

u

3

 

i

6

 

i

5

 

u

4

 

Rys.5.1 

Dla obwodów zawierających niezależne źródła napięciowe i prądowe oraz elementy R, L i C 
(bez źródeł sterowanych) rząd obwodu jest równy liczbie cewek i kondensatorów obecnych w 
obwodzie pomniejszonej o liczbę pętli CE (pętli zawierających wyłącznie kondensatory oraz 
idealne źródła napięciowe) oraz liczbę przekrojów LJ (przekrojów zawierających wyłącznie 
gałęzie z cewkami oraz idealnymi źródłami prądowymi).  

 

(5.1) 

CE

LJ

C

L

n

n

n

n

n

+

=

gdzie: n jest rzędem obwodu, n

L

 – liczbą cewek w obwodzie, n

C

 – liczbą kondensatorów w 

obwodzie, n

LJ

 – liczbą przekrojów LJ a n

CE

 – liczbą pętli CE. 

Przedstawiony obwód zawiera 2 kondensatory oraz 3 cewki. Pierwszym przybliżeniem rzędu 
obwodu jest liczba 5 (suma cewek i kondensatorów. Rząd obwodu ulega jednak obniżeniu o 
liczbę pętli CE oraz liczbę przekrojów LJ. Na rys.5.2 przedstawione zostały znalezione pętle 
CE oraz przekroje LJ. 
 

j

9

 

C

3

 

e

8

 

L

7

 

R

1

 

R

2

 

C

4

 

L

6

 

L

5

 

u

3

 

i

5

 

i

6

 

i

7

 

 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

u

4

 

 
 
 
 
 
 
 

Rys.5.2. Znalezione w obwodzie pętle CE oraz przekroje LJ. 

 

14

background image

 

W obwodzie jest jedna pętla CE, oznaczona kolorem czerwonym na rys.5.2 oraz jeden 
przekrój LJ oznaczony na niebiesko na rys.5.2. Można sformułować zatem dwa równania. Dla 
pętli CE – napięciowe prawo Kirchhoffa: 

0

4

8

3

=

+

u

e

u

oraz dla przekroju LJ – prądowe prawo Kirchhoffa 

0

7

6

9

5

=

+

+

+

i

i

j

i

Pierwsze równanie pozwala na wyznaczenie jednego z napięć na kondensatorach u

3

 lub u

4

 

jeżeli znamy wartość drugiego. Jeden z warunków początkowych dla napięć na 
kondensatorach staje się zbyteczny a rząd obwodu obniża się o 1. Drugie równanie pozwala 
na obliczenie jednego z prądów cewek: i

5, 

i

6

 lub i

7

 gdy znamy wartości dwóch pozostałych. 

Jeden z warunków początkowych dla prądów staje się niepotrzebny a rząd obwodu ulega 
obniżeniu o 1. Rząd obwodu wynosi zatem 3.  
 

Zadanie 6 

Na rys.6.1 przedstawiony jest obwód dynamiczny zawierający cewki i kondensatory. 
Wyznacz opis stanowy tego obwodu. Jako zmienne stanu przyjmij prąd cewki 

L

i

 oraz 

napięcia na kondensatorach: 

 i  u

1

C

u

2

C

u

C1

 

j

 

R

1

 

R

2

 

R

3

 

R

4

 

R

5

 

i

L

 

L

 

C

1

 

C

2

 

u

C2

 

Rys.6.1 

Rozwiązanie 

Do rozwiązania problemu zostanie zastosowana następująca koncepcja wyznaczania opisu 
stanowego. Kolejność postępowania jest następująca:  

1.  zastąpienie kondensatorów źródłami napięcia o wartościach napięć  źródłowych 

równych napięciom na kondensatorach (są to zmienne stanu) oraz zastąpieniu cewek 
źródłami prądu o wartościach prądów  źródłowych równych prądom płynącym przez 
cewki (są to też zmienne stanu) 

2.  rozwiązanie otrzymanego w ten sposób obwodu rezystancyjnego względem prądów 

kondensatorów oraz napięć na cewkach 

3.  wprowadzenie do otrzymanych równań zależności: 

 

15

background image

 
 
 

(6.1) 

t

i

L

u

t

u

C

i

L

L

C

C

d

d

d

d

=

=

 

4.  podzielenie równań przez C lub odpowiednio L, co kończy formułowanie równań 

stanu 

Realizacja punktu 1 polega na zastąpieniu kondensatorów C

1

 oraz C

2

 idealnymi źródłami 

napięciowymi o napięciach  źródłowych: 

 i  u

 oraz zastąpieniu cewki L idealnym 

źródłem prądowym o prądzie  źródłowym 

1

C

u

2

C

L

i

. Prowadzi to do otrzymania obwodu 

rezystancyjnego przedstawionego na rys.6.2. 

i

C1

 

R

1

 

R

2

 

R

3

 

R

4

 

R

5

 

i

L

 

u

C2

 

j

 

u

C1

 

u

L

 

i

C2

 

Rys.6.2. Obwód rezystancyjny otrzymany po wprowadzeniu źródeł 

zastępujących kondensatory oraz cewkę 

Otrzymany obwód zostanie rozwiązany względem prądów płynących przez źródła napięciowe 
zastępujące kondensatory: 

 oraz 

 i napięcia panującego na zaciskach źródła prądowego 

zastępującego cewkę 

1

C

i

2

C

i

L

u

. Zastosowana będzie metoda superpozycji. Wyniki analiz 

poszczególnych obwodów, w których obecne są kolejno różne  źródła będą oznaczane 
górnymi indeksami. 
Pierwszym analizowanym obwodem będzie przedstawiony na rys.6.3. Powstał on przez 
usunięcie źródeł zastępujących kondensatory i cewkę oraz pozostawienie w obwodzie jedynie 
źródła prądowego  j. Usunięcie z obwodu źródeł napięciowych związane jest ze zwarciem 
zacisków tych źródeł, usunięcie  źródła prądowego wymaga pozostawienia jego zacisków 
rozwartych.  
W obwodzie z rys.6.3 prąd płynie tylko przez opornik R

1

. Jest to prąd źródłowy j. Prądy w 

obu gałęziach, w których znajdowały się kondensatory są równe 0.  

 

 (6.2) 

0

0

1

2

1

1

=

=

)

(

C

)

(

C

i

i

Płynący przez opornik R

1

 prąd źródła powoduje powstanie napięcia, które jest równe napięciu 

na zaciskach usuniętego źródła prądowego. Jego wartość wynika z prawa Ohma. 

 

 (6.3) 

1

1

R

j

u

)

(

L

=

 

 

16

background image

 

i

C1

(1)

 

R

1

 

R

2

 

R

3

 

R

4

 

j

 

u

L

(1)

 

i

C2

(1)

 

R

5

 

Rys.6.3. Pierwszy z analizowanych obwodów zbudowany na mocy zasady superpozycji 

W drugim z analizowanych obwodów pozostawione zostanie źródło napięciowe 

. Inne 

źródła zostają usunięte. Otrzymany w ten sposób obwód przedstawiony jest na rys.6.4. 

1

C

u

u

C1

 

i

C1

(2)

 

R

1

 

R

2

 

R

3

 

R

4

 

u

L

(2)

 

i

C2

(2)

 

R

5

 

Rys.6.4. Drugi z analizowanych obwodów zbudowany na mocy zasady superpozycji 

W obwodzie z rys.6.4 źródło 

 wywołuje przepływ prądu przez opornik R

1

C

u

2

. Jego wartość 

wynika z prawa Ohma. 

 

2

1

2

1

R

u

i

C

)

(

C

=

 (6.4) 

Drugi z prądów w gałęziach z kondensatorami to 

 

0  (6.5) 

2

2

=

)

(

C

i

 

17

background image

Ponieważ przez rezystory R

1

 oraz R

4

 nie płynie prąd, napięcia na ich zaciskach są równe 0. 

Napięcie na rozwartych zaciskach źródła prądowego 

L

i

 jest równe napięciu  źródłowemu 

1

C

u

 

 (6.6) 

1

2

C

)

(

L

u

u

=

Trzeci z analizowanych obwodów zawierający jedynie źródło 

 przedstawiony jest na 

rys.6.5. 

2

C

u

u

C2

 

i

C1

(3)

 

R

1

 

R

2

 

R

3

 

R

4

 

R

5

 

u

L

(3)

 

i

C2

(3)

 

Rys.6.5. Trzeci z analizowanych obwodów zbudowany na mocy zasady superpozycji 

 

W obwodzie z rys.6.5 źródło 

 wywołuje przepływ prądu przez oporniki R

2

C

u

4

 oraz R

5

. Jego 

wartość wynika z prawa Ohma. 

 

5

4

2

3

2

R

R

u

i

C

)

(

C

+

=

 (6.7) 

Drugi z prądów w gałęziach z kondensatorami to 

 

 (6.8) 

0

3

1

=

)

(

C

i

Ponieważ przez rezystory R

1

R

2

 oraz R

3

 nie płynie prąd, napięcia na ich zaciskach są równe 0. 

Napięcie na rozwartych zaciskach źródła prądowego 

L

i

 jest równe napięciu panującemu na 

zaciskach rezystora R

4

. Wynosi ono: 

 

5

4

4

2

4

3

2

3

R

R

R

u

R

i

u

C

)

(

C

)

(

L

+

=

=

 (6.9) 

Ostatni z analizowanych obwodów zawierający jedynie źródło prądowe 

L

i

 przedstawiony 

jest na rys.6.6. Prąd  źródła 

L

i

  płynie przez rezystor R

3

, połączony szeregowo ze źródłem, 

następnie przez równoległe połączenie oporników R

4

 oraz R

5

, przez bezoporową zworę 

łączącą zaciski rezystora R

2

 i przez opornik R

1

. Prądy w gałęziach, w których były 

umieszczone kondensatory wynoszą: 

 

 (6.10) 

L

)

(

C

i

i

=

4

1

 

18

background image

i na podstawie zależności obowiązującej dla dzielnika prądowego: 

 

5

4

4

4

2

R

R

R

i

i

L

)

(

C

+

=

 (6.11) 

 

i

L

 

i

C1

(4)

 

R

1

 

R

2

 

R

3

 

R

4

 

u

L

(4)

 

i

C2

(4)

 

R

5

 

Rys.6.6. Czwarty z analizowanych obwodów zbudowany na mocy zasady superpozycji 

Napięcie na źródle prądowym 

L

i

 wynosi zgodnie z napięciowym prawem Kirchhoffa: 

 





+

+

+

=

1

5

4

5

4

3

4

R

R

R

R

R

R

i

u

L

)

(

L

 (6.12) 

Podsumowanie otrzymanych wyników analizy czterech układów dla trzech poszukiwanych 
wielkości, przedstawionych przez zależności (6.2) ÷ (6.12) prowadzi do następujących 
wzorów: 





+

+

+

+

+

+

=

+

+

+

=

+

+

+

=

+

+

+

=

+

=

+

+

+

=

1

5

4

5

4

3

5

4

4

2

1

1

4

3

2

1

5

4

4

5

4

2

4

2

3

2

2

2

1

2

2

2

1

4

1

3

1

2

1

1

1

1

0

0

0

0

R

R

R

R

R

R

i

R

R

R

u

u

R

j

u

u

u

u

u

R

R

R

i

R

R

u

i

i

i

i

i

i

R

u

i

i

i

i

i

L

C

C

)

(

L

)

(

L

)

(

L

)

(

L

L

L

C

)

(

C

)

(

C

)

(

C

)

(

C

C

L

C

)

(

C

)

(

C

)

(

C

)

(

C

C

 (6.13) 

Uwzględnienie zależności (6.1) prowadzi do równań stanu: 

 

(

)

(

)

(

)

L

R

R

R

R

R

R

i

L

R

R

R

u

L

u

L

R

j

t

i

C

R

R

R

i

C

R

R

u

t

u

C

i

R

C

u

t

u

L

C

C

L

L

C

C

L

C

C

1

1

d

d

d

d

1

d

d

1

5

4

5

4

3

5

4

4

2

1

1

2

5

4

4

2

5

4

2

2

1

2

1

1

1





+

+

+

+

+

+

=

+

+

=

=

 (6.14) 

 

 

19

background image

Postać macierzowa tych równań to: 

(

)

(

)

(

)

+





+

+

+

+

+

+

=

L

R

j

i

u

u

L

R

R

R

R

R

R

L

R

R

R

L

C

R

R

R

C

R

R

C

R

C

t

i

t

u

t

u

L

C

C

L

C

C

1

2

1

1

5

4

5

4

3

5

4

4

2

5

4

4

2

5

4

1

2

1

2

1

0

0

1

1

1

0

1

0

1

d

d

d

d

d

d

 (6.15) 

 

Zadanie 7 

W układzie przedstawionym na rys.7.1 oblicz prądy fazowe i przewodowe oraz 
narysuj wykres wskazowy. Generator jest symetryczny. 

 

Z

CA 

Z

AB

Z

BC

Z

p

Z

p

C

 

B

 

Z

p

A

 

U

AB 

U

BC 

I

C

I

B

I

A

E

E

E

 

 

I

CA 

I

BC

U

CA 

I

AB

 
 
 
 
 
 
 
 

Rys.7.1 

Dane:  

 

(

)

(

+

=

=

=

+

=

=

=

=

50

50

;

100

;

20

10

;

230

j

Z

Z

Z

j

Z

V

E

E

E

CA

BC

AB

p

C

B

A

)

 

 

Rozwiązanie 

Odbiornik połączony jest w trójkąt. W celu wyznaczenia prądów przewodowych oraz 
fazowych należy zamienić trójkąt obciążenia na równoważną gwiazdę zgodnie z 
zależnościami podanymi poniżej. 

 

CA

BC

AB

BC

CA

C

CA

BC

AB

AB

BC

B

CA

BC

AB

CA

AB

A

Z

Z

Z

Z

Z

Z

Z

Z

Z

Z

Z

Z

Z

Z

Z

Z

Z

Z

+

+

=

+

+

=

+

+

=

 (7.1) 

 
Po wprowadzeniu do zależności (7.1) wartości liczbowych określających impedancje trójkąta 
otrzymuje się: 

(

) (

)

+

=

+

+

=

+

+

=

10

30

100

200

50

50

100

j

j

j

Z

Z

Z

Z

Z

Z

CA

BC

AB

CA

AB

A

 

 

 

20

background image

(

) (

)

+

=

+

+

=

+

+

=

10

30

100

200

50

50

100

j

j

j

Z

Z

Z

Z

Z

Z

CA

BC

AB

AB

BC

B

 

 

(

)(

) (

)

+

=

+

+

+

=

+

+

=

20

10

100

200

50

50

50

50

j

j

j

j

Z

Z

Z

Z

Z

Z

CA

BC

AB

BC

CA

C

 

 
 

 

 

Z

p

E

0’

 

A

B

 

Z

p

Z

p

U

U

C

 

U

Z

B

Z

A

Z

C

I

C

I

B

I

A

E

E

 
 
 
 

0

 

 
 
 
 
 

U

 
 

Rys.7.2. Analizowany obwód po zamianie obciążenia trójkątowego na gwiazdę 

Do dalszej analizy układu założona zostaje zerowa faza początkową 

A

E

. Stąd: 

 

V

E

A

230

=

  

 

(

V

j

j

a

E

E

A

B

199

115

2

3

2

1

230

2

=





=

=

)

 (7.2) 

 

(

)

V

j

j

a

E

E

A

C

199

115

2

3

2

1

230

+

=





+

=

=

 

Początkiem analizy układu z rys.7.2 jest wyznaczenie napięcia 

 pomiędzy punktami 

gwiazdowymi generatora i odbiornika. Określa je zależność (7.3). 

0

U

 

p

C

p

B

p

A

p

C

C

p

B

B

p

A

A

Z

Z

Z

Z

Z

Z

Z

Z

E

Z

Z

E

Z

Z

E

U

+

+

+

+

+

+

+

+

+

+

=

1

1

1

0

 (7.3) 

Podstawienie wartości liczbowych daje w wyniku: 

(

)

V

,

j

,

j

j

j

j

j

j

j

j

Z

Z

Z

Z

Z

Z

Z

Z

E

Z

Z

E

Z

Z

E

U

p

C

p

B

p

A

p

C

C

p

B

B

p

A

A

03

24

21

29

40

20

1

30

40

1

30

40

1

40

20

199

115

30

40

199

115

30

40

230

1

1

1

0

+

=

=

+

+

+

+

+

+

+

+

+

+

+

=

+

+

+

+

+

+

+

+

+

+

=

 

 

 

21

background image

Wyznaczona wartość napięcia  pozwala na obliczenie prądów przewodowych. Zależności 
pozwalające na obliczenie tych prądów otrzymuje się na podstawie napięciowego prawa 
Kirchhoffa dla pętli utworzonych przez  przewód każdej fazy oraz domkniętych strzałką 
napięcia 

0

0

 

(

)

(

)

(

)

p

C

C

C

p

C

C

C

p

B

B

B

p

B

B

B

p

A

A

A

p

A

A

A

Z

Z

U

E

I

U

Z

Z

I

E

Z

Z

U

E

I

U

Z

Z

I

E

Z

Z

U

E

I

U

Z

Z

I

E

+

=

=

+

+

=

=

+

+

=

=

+

0

0

0

0

0

0

0

0

0

 (7.4) 

Po podstawieniu do zależności (7.4) wartości liczbowych otrzymuje się prądy przewodowe. 

 

(

)

(

)

(

)

A

,

j

,

j

,

j

,

j

Z

Z

U

E

I

A

,

j

,

j

,

j

,

j

Z

Z

U

E

I

A

,

j

,

j

,

j

,

Z

Z

U

E

I

p

C

C

C

p

B

B

B

p

A

A

A

63

4

06

2

40

20

03

24

21

29

199

115

84

1

98

4

30

40

03

24

21

29

199

115

79

2

92

2

30

40

03

24

21

29

230

0

0

0

+

=

+

+

=

+

=

=

+

=

+

=

=

+

=

+

=

 

Znajomość prądów przewodowych pozwala na wyznaczenie napięć fazowych odbiornika 
połączonego w trójkąt. Można je wyznaczyć z równań sformułowanych na podstawie 
napięciowego prawa Kirchhoffa dla dwóch impedancji odbiornika z rys.7.2: 

 

A

A

C

C

CA

C

C

B

B

BC

B

B

A

A

AB

Z

I

Z

I

U

Z

I

Z

I

U

Z

I

Z

I

U

=

=

=

 (7.5) 

Druga możliwość wyznaczenia napięć odbiornikowych to napięciowe prawa Kirchhoffa 
napisane dla generatorów oraz napięć na impedancjach przewodów dwóch faz. Równania te 
mogą być formułowane zarówno dla układu z rys.7.3 jak też z rys.7.4. 

 

A

p

C

p

A

C

CA

C

p

B

p

C

B

BC

B

p

A

p

B

A

AB

I

Z

I

Z

E

E

U

I

Z

I

Z

E

E

U

I

Z

I

Z

E

E

U

+

=

+

=

+

=

 (7.6) 

 

Podstawiając do zależności (7.5) wyznaczone wartości prądów przewodowych otrzymuje się 
napięcia U

 odbiornika: 

CA

,

BC

AB

U

U

,

 

(

)

(

)

(

)

V

j

,

,

j

,

,

j

Z

I

Z

I

U

V

,

j

,

j

j

Z

I

Z

I

U

V

,

j

,

j

,

j

,

Z

I

Z

I

U

A

A

C

C

CA

C

C

B

B

BC

B

B

A

A

AB

142

5

187

5

54

5

115

5

87

72

5

192

59

5

87

72

105

131

5

50

5

246

105

131

5

54

5

115

+

=

+

+

=

=

=

+

=

=

+

=

+

+

=

=

 

Znajomość napięć fazowych odbiornika pozwala na wyznaczenie prądów fazowych 

 odbiornika połączonego w trójkąt. 

CA

,

BC

AB

I

I

,

I

 

 

22

background image

 

(

)

(

)

(

)

A

,

j

,

j

j

,

Z

U

I

A

,

j

,

j

,

j

Z

U

I

A

,

j

,

,

j

,

Z

U

I

CA

CA

CA

BC

BC

BC

AB

AB

AB

30

3

46

0

50

50

142

5

187

34

1

52

2

50

50

5

192

59

51

0

47

2

100

5

50

5

246

+

=

+

+

=

=

=

+

=

=

+

=

+

=

=

 

Wykres wskazowy prądów i napięć analizowanego obwodu przedstawiony jest na rys.7.3. 
 
 

U

I

CA

0

 

0’

 

I

C

I

AB

I

BC 

U

A

+I

A

Z

I

A

E

E

E

U

B

+I

B

Z

I

U

C

+I

C

Z

 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

Rys.7.3. Wykres wskazowy prądów i napięć analizowanego obwodu 

Kolorem czerwonym oznaczone są prądy fazowe, zielonym – prądy przewodowe. Prądy 
przewodowe są różnicą odpowiednich prądów fazowych. 
Kolorem niebieskim oznaczone są napięcia na impedancjach połączenia gwiazdowego oraz 
impedancjach przewodów w każdej fazie układu z rysunku 7.2. Punkt 0’ oraz napięcie 

  

istnieje tylko w układzie z rys.7.2. 

0

U

Rysowanie wykresu rozpoczyna się od symetrycznej gwiazdy napięć generatora 

Przy jej rysowaniu należy uwzględnić poczynione założenie, zależności (7.2). Z punktu 
początkowego narysowanych napięć generatorów wykreśla się napięcie  , którego wartość 
została wyznaczona zgodnie ze wzorem (7.3). Koniec wskazu napięcia 

 jest punktem 

gwiazdowym 0

C

B

A

E

,

E

,

E

0

U

0

 zastępczego odbiornika (rys.7.2). Wskazy, których początkiem jest punkt 0

 a 

końcami są zakończenia wskazów napięć generatora są napięciami panującymi na fazach 

 

23

background image

odbiornika gwiazdowego oraz impedancjach przewodów w odpowiednich fazach. Prądy 
przewodowe są ilorazem tych napięć oraz impedancji fazowych odbiornika gwiazdowego 
powiększonych o impedancje przewodów. Na wykresie są umieszczone wskazy prądów 
fazowych odbiornika trójkątowego (kolor czerwony) oraz prądy przewodowe (kolor zielony), 
wykreślone jako różnice odpowiednich prądów fazowych. 
 

Zadanie 8 

W układzie z rys.8.1 wyznacz prądy przewodowe. Narysuj wykres wskazowy. Generator jest 
symetryczny. 
 
 

U

 

0

U

U

B

 

U

0

Z

B

Z

A

=0 

Z

C

I

C

I

B

I

A

E

C

E

A

E

B

 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

Rys.8.1 

Dane:   

(

)

(

+

=

=

=

=

=

=

100

100

;

100

100

;

0

V;

230

j

Z

j

Z

Z

E

E

E

C

B

A

C

B

A

)

 

Rozwiązanie: 

 
Układ badany jest niesymetrycznym układem trójprzewodowym ze zwarciem w fazie A. 
Analiza układu  rozpoczyna się od wyznaczenia napięcia 

 na podstawie zależności (7.3). 

W obliczeniach należy uwzględnić,  że impedancja fazy A jest zerowa, tzn. 

0

U

A

Y

. Na 

potrzeby rozwiązania zostaje poczynione również założenie: 

V

E

A

A

230

=

=

E

A

A

A

C

A

B

A

A

A

C

C

A

B

B

A

A

A

C

B

A

C

C

B

B

A

A

E

E

Y

Y

Y

Y

Y

Y

Y

Y

E

Y

Y

E

Y

Y

E

Y

Y

Y

Y

E

Y

E

Y

E

U

=

=

+

+

+

+

=

+

+

+

+

=

1

0

 
Znajomość napięcia 

 umożliwia obliczenie napięć odbiornikowych w analizowanym 

układzie: 

0

U

V

e

E

E

E

U

E

U

V

e

E

E

E

U

E

U

U

E

U

j

CA

A

C

C

C

j

BA

A

B

B

B

A

A

6

5

0

6

5

0

0

3

230

3

230

0

π

π

=

=

=

=

=

=

=

=

=

=

 

 

 

24

background image

Prądy fazowe odbiornika, które w tym przypadku są także prądami przewodowymi, są 
ilorazami wyznaczonych napięć odbiornikowych oraz impedancji fazowych odpowiednich 
faz. Dla fazy A nie można wykorzystać podanego sposobu obliczenia prądu, ponieważ po 

podstawieniu wartości napięć i impedancji fazy A otrzymujemy symbol 

0

0

. Dla faz B oraz C 

odbiornika wyznaczone zostają następujące wartości prądów (są to jednocześnie prądy 
fazowe i przewodowe): 

(

)

(

)

(

)

(

)

A

,

j

,

A

e

,

e

e

Z

U

E

I

A

,

j

,

A

e

,

e

e

Z

U

E

I

e

j

Z

e

j

Z

j

j

j

C

C

C

j

j

j

B

B

B

j

C

j

B

721

2

729

0

6

15

1

2

100

3

230

721

2

729

0

6

15

1

2

100

3

230

2

100

100

100

2

100

100

100

12

7

4

6

5

0

12

7

4

6

5

0

4

4

+

=

=

=

=

=

=

=

=

=

+

=

=

=

π

π

π

π

π

π

π

π

 

Prąd fazy A zostaje wyznaczony na podstawie prądowego prawa Kirchhoffa dla punktu 0’ 
odbiornika: 

(

)

A

,

I

I

I

I

I

I

C

B

A

C

B

A

458

1

0

=

+

=

=

+

+

 

 

U

B

U

C

 

φ

B

φ

C

-I

A

I

C

I

B

0’ 

0

E

A

=U

0

E

B

 

 
 

E

C

 

 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

I

A

 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

Rys.8.2. Wykres wskazowy układu z rys.8.1 

 

25

background image

Sposób rysowania wykresu jest następujący. Zaczyna się od symetrycznej gwiazdy napięć 
generatora: 

. Następnie z punktu, który jest początkiem wskazów napięć 

generatora (punkt 0)  wykreślone zostaje napięcie 

 (na podstawie obliczeń). Jego koniec 

wyznacza położenie punktu 0’. Wskazy mające początek w punkcie 0’, a końce w punktach 
będących końcami wskazów napięć generatora to napięcia fazowe odbiornika. Prądy faz B i C 
są przesunięte względem napięć o kąty fazowe impedancji znajdujących się w fazach B i C. 
Prąd fazy A wynika z PPK. Jego konstrukcja polega na znalezieniu sumy wskazów prądów 

, która jest równa 

C

B

A

E

,

E

,

E

0

U

C

B

I

,

I

A

I

 a następnie znalezieniu wskazu przeciwnego do niego. 

 

Zadanie 9 

Obliczyć wskazania mierników w układzie przedstawionym na rys.9.1 oraz narysować 
wykres wskazowy dla dwóch przypadków: 

1.  wyłącznik w

1

 jest zamknięty a wyłącznik w

otwarty, 

2.  wyłącznik w

1

 jest otwarty a wyłącznik w

2

 zamknięty. 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Rys.9.1 

W

2

 

W

1

 

L

A

w

2

 

C

R

L

I

B

 

I

A

 

I

C

 

R

R

L

 

w

1

 

L

 

Dane:

 R=ωL=1/ωC=20Ω, |U

p

|=400V, zasilanie symetryczne o zgodnej kolejności  faz,   

impedancja przewodów jest pomijana 

Rozwiązanie 

Punkt 1: 
Na rysunku 9.2 przedstawiony został układ, który powstał po zamknięciu wyłącznika w

1

 oraz 

otwarciu wyłącznika w

2

. Zamknięcie wyłącznika w

1

 zapewnia symetryczne zasilanie całego 

układu (wszystkie fazy zasilania są doprowadzone do odbiornika). Otwarcie wyłącznika w

1

 

spowodowało rozdzielenie części odbiorczej układu trójfazowego na dwa niezależne 
odbiorniki połączone w gwiazdę, których punkty gwiazdowe (zerowe) są rozłączone. 
Powoduje to powstanie ogólnie różnych napięć między punktem zerowym generatora oraz 
punktami zerowymi każdego z układów. 

 

26

background image

w

1

 

L

 

R

R

I

C

 

I

A

 

I

B

 

L

R

w

2

 

0’

W

2

 

A

I

C

I

C

’’ 

I

A

I

B

I

B

’’ 

I

A

’’

W

1

 

0’’

Rys.9.2. Analizowany układ w konfiguracji połączeń odpowiadającej punktowi 1 

Oznaczenia punktów zerowych obu układów oraz ich prądów fazowych są na rys.9.2 różne 
(odróżniają je różne dodatki do symboli: ‘ lub ‘’. W porównaniu do rys.9.1 rys.9.2 zawiera 
jeszcze dwie zmiany. Połączenie równoległe elementów L i C w fazie B odbiornika z 
punktem zerowym 0’’ zostało zastąpione przerwą, ponieważ admitancja tego połączenia jest 
równa 0 (równe moduły reaktancji elementów L oraz C). W połączeniu tym zachodzi 
rezonans prądów. Szeregowe połączenie elementów L i C występujące w fazie C odbiornika z 
punktem zerowym 0’ zostało zastąpione zwarciem ponieważ impedancja tego połączenia 
równa jest 0 (równe moduły reaktancji elementów L oraz C). Prądy każdego z dwóch 
odbiorników układu z rys.9.2 są niezależne od siebie, są rezultatem dwóch różnych napięć 
punktów zerowych względem punktu zerowego generatora. 
W przewodzie łączącym punkty zerowe 0’ oraz 0’’ jest przerwa (wyłącznik w

2

 jest otwarty, 

nie przewodzi prądu) a więc wskazanie amperomierza 

0

=

amp

I

. Napięcie  U

0

’ obliczone 

zostaje w oparciu o zależność 7.3. Zostaje założona zerowa wartość fazy początkowej 
napięcia generatora w fazie A, 

V

230

=

A

E

. Ze względu na zwarcie w fazie C pierwszego 

odbiornika (na rys.9.2 jest on umieszczony w dolnej części schematu) 

C

Y

 napięcie jego 

punktu gwiazdowego względem punktu gwiazdowego generatora wynosi: 

V

3

400

1

3

2

0

π

j

C

C

C

C

C

B

C

A

C

C

C

C

B

B

C

A

A

C

B

A

C

C

B

B

A

A

'

e

E

E

Y

Y

Y

Y

Y

Y

Y

E

Y

E

Y

E

Y

Y

Y

Y

E

Y

E

Y

E

U

=

=

=

+

+

+

+

=

+

+

+

+

=

Y

Y

Y

 

Obliczona wartość napięcia 

 pozwala na wyznaczenie prądów odbiornika pierwszego. 

Wyznaczenie prądów w fazach A oraz C następuje na podstawie zależności (7.4). 

'

U

0

 

 

27

background image

(

)

A

20

20

400

A

10

32

17

A

20

20

400

6

6

=

=

=

=

=

=

=

j

j

L

ω

j

E

E

I

j

,

e

e

R

E

E

I

C

B

'

B

π

j

π

j

C

A

'

A

 

Prąd fazy zwartej, fazy C wyznaczony zostaje na podstawie prądowego prawa Kirchhoffa: 

(

)

(

)

(

)

A

10

68

2

20

10

3

10

j

,

j

I

I

I

'

B

'

A

'

C

+

=

=

+

=

 

 

0’ 

I

C

I

A

I

B

E

A

 

E

=

 

U

0

’ 

E

B

U

B

 

U

A

 

 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

Rys.9.3. Wykres wskazowy pierwszego odbiornika 

Układ z punktem gwiazdowym 0’’ to układ z przerwą w fazie B, w której występuje rezonans 
prądów cewki L i kondensatora C. Przy otwartym wyłączniku w

2

 obowiązuje równanie: 

0

=

+

+

''

C

''

B

''

A

I

I

I

 

Prąd I

B

’’=0. Wynika stąd, że: 

''

C

''

A

''

C

''

A

I

''

C

''

B

''

A

I

I

I

I

I

I

I

''

B

=

=

+

=

+

+

=

0

0

0

 

Zatem słuszne jest napięciowe prawo Kirchhoffa: 

(

)

L

ω

j

R

I

U

R

I

L

ω

j

I

U

''

A

AC

''

C

''

A

AC

+

=

=

+

0

 

Prądy w drugim odbiorniku to: 

(

)

A

66

13

66

3

A

2

10

20

20

400

12

5

6

,

j

,

e

j

e

L

ω

j

R

U

I

I

π

j

π

j

AC

''

C

''

A

=

=

+

=

+

=

=

 

 

28

background image

 

0’’ 

I

C

’’ 

I

A

’’

U

’’ 

U

0

’’ 

E

A

 

E

C

 

E

B

 

U

’’ 

 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

Rys.9.4. Wykres wskazowy drugiego odbiornika 

Prądy przewodowe faz A oraz C całego układu niezbędne do wyznaczenia wskazań 
watomierzy znajduje się jako sumy prądów fazowych obu odbiorników. 

(

)

(

)

A

66

23

98

0

66

13

66

3

10

68

2

A

66

23

98

20

66

13

66

3

10

32

17

,

j

,

,

j

,

j

,

I

I

I

,

j

,

,

j

,

j

,

I

I

I

''

C

'

C

C

"

A

'

A

A

+

=

+

+

=

+

=

=

+

=

+

=

 

E

A

 

U

A

’ 

I

A

 

I

B

 

I

C

’’ 

I

A

’’ 

I

C

’ 

I

A

I

B

’ 

0

E

=

 

U

0

’ 

I

C

 

E

B

U

B

’ 

U

’’ 

U

’’ 

U

0

’’ 

Rys.9.5. Wykres wskazowy całego układu dla przypadku 1 

 

29

background image

Wskazania watomierzy obliczane są na podstawie znanych zależności: 

{

}

(

)

{

}

{

}

(

)

{

}

W

9464

66

23

98

0

400

W

9464

66

23

98

20

400

2

1

=

=

=

=

+

=

=

,

j

,

j

I

U

Re

P

,

j

,

j

I

U

Re

P

C

CB

W

A

BC

W

 

 
Punkt 2: 
Układ przedstawiony na rys.9.6 składa się z dwóch odbiorników, z których każdy połączony 
jest w gwiazdę. 

W

2

 

W

1

 

I

A

’’

I

B

’’ 

I

C

I

B

I

A

I

C

’’ 

A

w

2

 

R

L

I

B

 

I

A

 

I

C

 

R

R

 

0’

L

 

w

1

 

0’’ 

I

amp 

Rys.9.6. Analizowany układ w konfiguracji połączeń odpowiadającej punktowi 2 

Punkty gwiazdowe obu odbiorników 0

 oraz 0

’’

 posiadają wspólny potencjał, ponieważ  są 

połączone przewodem bezoporowym (wyłącznik w

2

 jest zamknięty). Zatem: 

0

0

0

U

U

U

''

'

=

=

 

Otwarty wyłącznik w

1

 powoduje przerwę w fazie B. Prądy fazowe obu odbiorników w tej 

fazie i prąd całego układu są zatem równe 0: 

0

=

=

=

B

''

B

'

B

I

I

I

 

W fazie C pierwszego odbiornika jest w dalszym ciągu zwarcie. Obliczona w punkcie 1 
wartość napięcia U

0

 pozostaje nadal aktualna.  

C

''

'

E

U

U

U

=

=

=

0

0

0

 

Przez opornik R umieszczony w fazie C drugiego odbiornika prąd nie płynie bo napięcie na 
tym elemencie jest zerowe. 

0

=

''

C

I

 

 

 

30

background image

Wyznaczone napięcie U

0

 pozwala na obliczenie prądów w fazie A obu odbiorników oraz 

całego układu. 

(

)

A

32

27

32

7

2

20

A

20

20

400

A

20

20

400

12

5

6

6

3

2

6

,

j

,

A

e

''

I

'

I

I

e

e

R

U

'

I

e

j

e

L

ω

j

U

''

I

π

j

A

A

A

π

j

π

j

AC

A

π

j

π

j

AC

A

=

=

+

=

=

=

=

=

=

=

 

Ponieważ w fazie B jest przerwa to prąd całego układu w fazie B nie płynie. Zatem 

A

C

C

A

I

C

B

A

I

I

I

I

I

I

I

B

=

+

+

=

+

+

=

0

0

0

 

 

E

U

0

 

=

 

U

0

’’ 

 
 

U

’ 

I

=

 

-

 

I

0’=0’’ 

U

’ 

E

A

 

E

B

 

 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

Rys.9.7. Wykres wskazowy całego układu dla przypadku 2 

Prądy w fazach B oraz C drugiego odbiornika nie płyną. Wynika stąd wartość prądu 
amperomierza. Przez amperomierz płynie następujący prąd:  

A

20

0

=

=

=

=

amp

amp

''

A

''

C

''

B

I

I

I

I

I

 

 

 

31

background image

Wskazanie watomierza W

1

 wynika z zależności, która posłużyła do wyznaczania wskazań 

watomierzy w punkcie 1. 

{

}

(

)

{

}

W

10928

32

27

32

7

400

1

=

+

=

=

,

j

,

j

I

U

Re

P

A

BC

W

 

Wskazanie watomierza W

2

 wynika z zerowej wartości napięcia panującego na jego cewce 

napięciowej. Początek cewki napięciowej jest zwarty z jej końcem przez cewkę prądową 
watomierza, na której panuje zerowe napięcie, zwartą fazę C pierwszego odbiornika oraz 
cewkę L znajdującą się w fazie B pierwszego odbiornika, przez którą nie płynie prąd gdyż 
jeden z jej końców jest dołączony do punktu, który nie jest połączony z żadnym innym 
elementem układu.  

(

)

0

0

2

2

=

=

W

W

U

P

 

 

 

32