Stranica: IV - 1 Izmjenični krugovi     Vektorski dijagram. Topografski dijagram. Snaga u izmjeničnim strujnim krugovima. Prividna, jalova i radna snaga. u ,i u (t) i(t) s t. k on . = ) t ( st u=

Download Report

Transcript Stranica: IV - 1 Izmjenični krugovi     Vektorski dijagram. Topografski dijagram. Snaga u izmjeničnim strujnim krugovima. Prividna, jalova i radna snaga. u ,i u (t) i(t) s t. k on . = ) t ( st u=

Slide 1

Stranica: IV - 1

Izmjenični krugovi





Vektorski dijagram.
Topografski dijagram.
Snaga u izmjeničnim strujnim krugovima.
Prividna, jalova i radna snaga.

u ,i
u (t)
i(t)

s t.
k on .
=
)
t
(
st
u= f
kon
t)=
(
f
i=

t


Slide 2

Stranica: IV - 2

1. zadatak
U strujnom krugu prema slici odredite napon i struju izvora, ako idealan
voltmetar pokazuje 60 [V]. Nacrtajte vektorski i topografski dijagram.




R1 = R2 = 5 []
XL = 10 []
XC = 10 []

C

R1

.
U

C

+
A

L

V

B

R2

0

Početna stranica


Slide 3

Stranica: IV - 3

Rješenje zadatka


U mreži teku struje naznačenog smjera:
C

Pretpostavimo fazni pomak napona UAB:

.

I2

.

I

R1

.

U AB  U V  60  0  V 

.

C

I1

Napon UAB može se izračunati kao:

+

U

A

V

B

U AB   A   B  I1  jX L  I2  R 2

Struje u granama iznose:
L

R2

I1 

0



I2 

U
R1  jX

L

U
R 2  jX C

Uvrštenjem struja u izraz za napon UAB dobiva se:
U AB  I1  jX L  I2  R 2 

U
R1  jX L

 jX L 

U
R 2  jX C

 R2

Početna stranica


Slide 4

Stranica: IV - 4



Pomoću izraza za napon UAB moguće je izračunati napon
izvora :

jX L
U AB  U  
 R1  jX

U 

U 


L

U AB

jX L

 R  jX
 1


L

R2
R 2  jX C

60
j1 0



5  j10

5  j1 0 5  j10



5



5  j1 0

5  j10 5  j1 0












R2
R 2  jX C

60



j1 0



5  j1 0

5
5  j10

60
100  j 50
125



25  j 50
125



60
75
125

U  100  0 V 


Pomoću struja u granama moguće je izračunati struju
izvora:
I1 

U
R1  jX L



100



5  j1 0

5  j1 0 5  j1 0

 4  j 8 A 

Početna stranica


Slide 5

Stranica: IV - 5

I2 

U
R 2  jX C



100



5  j1 0

5  j1 0 5  j1 0

 4  j 8 A 

I  I1  I2  4  j 8  4  j 8  8  0  A 


Za topografski dijagram potrebno je odrediti potencijale
svih točaka u mreži:
 0  0  0  V 
 A  I1  jX L  8 . 94   63 . 4   10  90   89 . 4  26 . 6  V 

 B  I2  R 2  8 . 94  63 . 4   5  0   44 . 7  63 . 4  V 
 C  U C 0  100  0  V 
Im

B

A

.

B

.

A
C

0

.

C

Re
Početna stranica


Slide 6

Stranica: IV - 6



Određivanje vektorskog dijagrama:

Vektor napona izvora je poznat te
njega prvog ucrtavamo u vektorski
dijagram.

Im

Struja u prvoj grani (I1) kasni za
naponom izvora, a struja u drugoj
grani (I2) prethodi naponu izvora.
Ukupna struja u krugu jednaka je
vektorskom
zbroju
struja
u
granama.
Napon na zavojnici L prethodi struji
I1, a napon na otporu R1 je u fazi s
istom strujom. Napon na izvoru
jednak je zbroju padova napona na
L i R1.

.

I2

.

B

UL

UR2

.

I

0

A

.

.

UR1

.

Re

UC

.

U

C

.

I1

Napon na otporu R2 je u fazi sa
strujom
I2,
a
napon
na
kondenzatoru C kasni za istom
strujom. Napon na izvoru jednak je
zbroju padova napona na R2 i C.
Početna stranica


Slide 7

Stranica: IV - 7

2. zadatak
Nacrtati vektor koji prikazuje napon Uab. XL > XC.

i(t)

L
b

+

R

Usinwt
a

C

Početna stranica


Slide 8

Stranica: IV - 8

Rješenje zadatka


Za odrediti vektor napona Uab potrebno je djelomično
nacrtati vektorski dijagram.
Im
Vektor napona izvora je zadan kao
napon pod 0.
Budući da je XL > XC, struja u krugu
kasni za naponom za kut manji od
90  .

.

Uab

.

U

Re

Napon na otporu je u fazi sa
strujom.
Napon Uab je definiran kao:
U ab  U

.

I

.

R

UR

Početna stranica


Slide 9

Stranica: IV - 9

3. zadatak
U kakvom su faznom odnosu naponi UCD i UAE ako je XL = XC=R.
C

R

D

R

.
U

R

+
A

B

XL

XC

E

Početna stranica


Slide 10

Stranica: IV - 10

Rješenje zadatka


Da bi se odredio fazni pomak napona potrebno je nacrtati
vektorski dijagram:
Pretpostavimo da je napon UDE pod 0.
Struja u prvoj grani kasni za naponom
UDE za 45, dok struja u drugoj grani
prethodi naponu UDE za 45 budući da
je XL = XC = R.

Im

Napon UDE jednak je zbroju napona na
zavojnici i otporu, odnosno padu
napona na kondenzatoru i otporu.
Ukupna struja jednaka je zbroju struja
u granama.
Napon izvora jednak je zbroju napona
UDE i napona na otporu R koji je u fazi
sa strujom I.
Iz vektorskog dijagrama slijedi da
napon UAE prethodi naponu UCD za
45.

A

.

.

.

UL

I2

. U. DE

UR

.

UR

I

E

.

I1

D

.

UC

Re
C

.

UR

B

Početna stranica


Slide 11

Stranica: IV - 11

4. zadatak
Odredite omjer napona US/UP. R = XC.

R
XC

R

.
US

XC

.
UP

Početna stranica


Slide 12

Stranica: IV - 12

Rješenje zadatka


Izrazi za napone su sljedeći:
U S  I  ( R  jX C )
U P  I  ( R (  jX C ))



Omjer napona se svodi na omjer impedancija budući da
ista struja teče kroz obje impedancije:
U S
I  ( R  jX C )
R  jX C


U P
I  ( R (  jX C ) )
R (  jX C )



Ukoliko se uvrsti R = XC:
U S
 R  jR 2 j
R  jR


  j  1  2 j  1   2  0 
R  (  jR )
U P
R  (  jR ) j
R  jR



Omjer efektivnih vrijednosti:

US

2

UP
Početna stranica


Slide 13

Stranica: IV - 13

5. zadatak
Izračunati impedanciju i cos  jednofaznog trošila ako instrumenti
spojeni prema slici pokazuju:




Iampermetra = 10 [A]
Uvoltmetra = 400 [V]
Pwatmetra = 3 [kW]

A

W
V

Z

Početna stranica


Slide 14

Stranica: IV - 14

Uvodni pojmovi


Što se tiče snage u izmjeničnim strujnim krugovima - tu se
koriste sljedeći pojmovi:
• Prividna snaga - snaga koju izvor predaje trošilu. Predstavlja
umnožak efektivnih vrijednosti napona i struje.
S  U  I VA



• Radna (djelatna) snaga - snaga koja se na trošilu disipira u
toplinu, odnosno snaga koja predstavlja iskoristivi dio prividne
snage. Kut  predstavlja pomak u fazi između napona i struje.
P  U  I  cos   W 

cos() se naziva
i faktorom snage!

• Jalova (reaktivna) snaga - snaga koju trošilo vraća nazad izvoru i
koja je posljedica reaktivne komponente trošila (kapacitivnost ili
induktivnost).
Q  U  I  sin   VAr 

Početna stranica


Slide 15

Stranica: IV - 15

Uvodni pojmovi


Navedene se tri veličine mogu predočiti u obliku trokuta
snaga:
S
Q


P


Iako prividna i jalova snaga nemaju direktnu primjenu u
proračunu korisne energije, ipak svaka od njih nosi važan
podatak koji se koristi u proračunu električnih uređaja. Na
primjer:
• Izvor napajanja - generator - mora biti u stanju dati traženu struju
(uz konstantan napon), neovisno o faktoru snage.
• Budući da se jalova snaga može kompenzirati vrlo je bitno imati
podatak o njenoj vrijednosti.
Početna stranica


Slide 16

Stranica: IV - 16

Rješenje zadatka


Snaga koju mjeri watmetar u ovoj mreži jednaka je radnoj
snazi:
P  U  I  cos 



Iz ovog izraza moguće je odrediti cos :
cos  



P



U I

400  10

 0 . 75

Iznos impedancije može se odrediti iz poznatog napona i
struje na impedanciji:
Z 

U



I


3000

400
10

 40  

Impedancija osim iznosa određena je faznim kutem, tj.
cos   0 . 75

    41 . 4 

Z  40   41 . 4   
Početna stranica


Slide 17

Stranica: IV - 17

5. zadatak
U strujnom krugu prema slici odredite struje u krugu, radnu snagu
izvora i snage na otporima R1 i R2.







R1 = 10 []
R2 = 15 []
XL = 20 []
XC = 15 []
U = 200 [V]
U = 0

R1

.

R2

+

U

XL

XC

Početna stranica


Slide 18

Stranica: IV - 18

Rješenje zadatka


Snaga izvora određuje se na sljedeći način:



*
P  Re U  I





Da bi se odredila snaga izvora potrebno je odrediti struju I:
I  I1  I2



Za određivanje struje I potrebno je odrediti struje u
granama:
I1 
I2 



U
R1  jX L
U

R 2  jX C





200



10 - j 20

1 0  j 2 0 10 - j 20
200



15  j1 5

15  j15 15  j1 5

 4  j 8  8 . 94   63 . 4  A 

 6 . 67  j 6 . 67  9 . 43  45  A 

Uvrštenjem izračunatih vrijednosti dobije se:
I  I1  I2  4  j 8  6 . 67  j 6 . 67  10 . 67  j1 . 33  10 . 8   7 . 1   A 



Konjugirano kompleksne vrijednost struje I:
*
I  10.7 -j 1 . 3 A   I  10.7  j1 . 3 A 
Početna stranica


Slide 19

Stranica: IV - 19


Snaga izvora:



*
P  Re U  I



 Re  200  j 0   10 .67  j1.33   200  10 . 67  j 0  j1 . 33
P  2140 W 



Snage na otporima R1 i R2:
PR 1  I 1  R1  8 . 94  10  800 W 
2

2

PR 2  I 2  R 2  9 . 42  15  1335 W 
2



2

Snage na otporima mogu se odrediti i na drugi način:



U R 1  I1  R1   4  j 8   10  40  j 80 V 



*
PR 1  Re U R 1  I1  Re  40  j 80    4  j 8   40  4  80  8  800 W 

U R 2  I2  R 2  6 . 67  j 6 . 67   15  100  j100 V 

*
PR 2  Re U R 2  I2   Re 100  j100   6 . 67  j 6 . 67   100  6 . 67  100  6 . 67  1335 W 



Vidljivo je da se radna snaga koju daje izvor troši na
radnim otporima R1 i R2.
P  PR 1  PR 2  800  1335  2135 W 
Početna stranica


Slide 20

Stranica: IV - 20

6. zadatak
Za strujni krug prema slici treba odrediti struju, jalovu, djelatnu i
prividnu snagu koju daje izvor, te gubitke u vodičima RV. Zadano:






RV = 2 []
C = 26.525 [F]
L = 26.525 [mH]
R = 20 []
u(t) = 311sin(377 t) [V]

RV
R

+
u(t)

C

L
RV

Početna stranica


Slide 21

Stranica: IV - 21

Rješenje zadatka


Struja I određuje se iz Ohmovog zakona:

U 

U max



311

2


I  U
Z

 220 V 

 

jX C   RV

1
ω C



1
377  26.525  10

-6

X L  ω  L  377  26.525  10

-3

Ukupna impedancija iznosi:
20  j10    j100 
Z  22 



L

Za određivanje impedancije Z potrebno je odrediti XC i XL:
XC 



U  220  0  V 

2

Z  RV   R  jX




20  j10  j100

 100  

 10  

 27 . 5  j 5 . 9  28 12   

Struja I onda iznosi:
2 20  0 
I 
 7 . 9   12 A 
28 12 

 i ( t )  11  sin(377  t  12  ) A 
Početna stranica


Slide 22

Stranica: IV - 22


Gubici u vodovima iznose:
PV  2  I  RV  2  7 . 9  2  250 W 
2



2

Prividna snaga, S:
S  U  I  2 20  7 . 9  1738 VA





Radna snaga, P:
P  U  I  cos 

   U , I    U   I  0    12    12 
P  2 20  7 . 9  cos 1 2   1700 W 


Jalova snaga, Q:
Q  U  I  s in   2 20  7 . 9  s in 1 2   360 VAr



ili
Q 


S P
2

2



1 738

2

 1 700

2

 360 VAr



Radna snaga koja se troši na otporu R:
PR  P  PV  1700  250  1450 W 
Početna stranica


Slide 23

Stranica: IV - 23

7. zadatak
Izračunajte radnu snagu kruga prema slici.
2
3A

L

5A

2

+

4A
C

u(t)

2

Rješenje zadatka


Radna snaga u krugu jednaka je zbroju snaga koje se
troše na radnim otporima:
P  3  2  4  2  5  2  100 W 
2

2

2

Početna stranica


Slide 24

Stranica: IV - 24

8. zadatak
U krugu prema slici zadane su struje u granama i napon izvora.
Odredite prividnu snagu izvora. Zadano:





I1 = 6 [A]
I2 = 10 [A]
I3 = 4 [A]
U = 100 [V]

I1

.
U

I3

I2

+
R

L

C

Početna stranica


Slide 25

Stranica: IV - 25

Rješenje zadatka


Prividna snaga definirana je kao:
S U I



Napon je poznat, a struja se može odrediti pomoću
vektorskog dijagrama struja.
Im



Iz vektorskog dijagrama slijedi:
I  I1   I 2  I 3 
2



2

2

Prividna snaga iznosi:

.

.

I1

S  U  I  100  6  6
2

2

 850 VA



U

.

I

.

I2

.

I3
Početna stranica

Re


Slide 26

Stranica: IV - 26

9. zadatak
Trošilo omskog otpora R i induktiviteta L vezano je na generator
izmjeničnog napona efektivne vrijednosti 100 [V] i frekvencije 50 [Hz].
Ako se paralelno trošilu veže kondenzator kapaciteta C = 138 [F],
efektivna vrijednost struje generatora će se smanjiti na polovinu
prvobitne vrijednosti i bit će u fazi s naponom generatora. Odredite:
a) otpor i induktivitet trošila
b) djelatnu snagu koje trošilo uzima
iz mreže kada mu nije paralelno
priključen kondenzator
c) izraz za trenutnu vrijednost struje
kroz
kondenzator
kada
je
priključen paralelno trošilu

R

+
u(t)

L

Početna stranica


Slide 27

Stranica: IV - 27

Rješenje zadatka


Vektorski dijagram struja za prvi slučaj i kada se trošilu
priključi paralelno kondenzator:
Id1

I2 = Id1
U

U

Ir1

Ir1 IC

I1


I1

Da bi u drugom slučaju ukupna struja I2 bila u fazi s
naponom genaratora mora biti zadovoljeno:
I C  I r1



Struja u drugom slučaju je manja za polovicu:
I2 



1
2

I 1  I d 1  I 1  cos 



cos  

1
2

Struja kroz kondenzator može se odrediti kao:
I C  U  ω  C  100  2    50  138  10

6

 4 . 33 A 
Početna stranica


Slide 28

Stranica: IV - 28

Iz vektorskog dijagrama moguće je odrediti struju I1 kao:



I1 

IC

sin  

sin 

1  cos 

3

s in  



2

2
I1 

4.33

 5 A 

3
2



Otpor trošila, odnosno induktivitet trošila:
R  Z  cos  

U

 cos  

I1

X L  Z  sin  
XL  ωL






U

100



5

 sin  

I1
L 

ω



 10  

2

100



5
XL

1

3
2

17
2    50

 17  
 54 . 4 mH



Radna snaga trošila, odnosno radna snaga izvora :
2
2
P  I 1  R  5  10  250 W 
Struja kroz kondenzator u vremenskoj domeni :
i C ( t )  4 . 33  2  sin( 314  t  90  ) A 
Početna stranica