OSNOVE EEKTOTEHNKE Vježba... Za redno rezonantno kolo, prikazano na slici. je poznato E V, =Ω, =Ω, =Ω kao i rezonantna učestanost f =5kHz. zračunati: a) kompleksnu struju u kolu kao i kompleksne napone na otporniku, kalemu i kondenzatoru; b) faktor dobrote kola i širinu propusnog opsega f; c) kolika snaga se disipira u kolu na granicama propusnog opsega? E sl.. ešenje: a) U rednom rezonantnom kolu pri određenoj učestanosti prostoperiodične ems naponskog izvora, dolazi do pojave naponske rezonanse. Naponska rezonansa nastaje na onoj učestanosti naponskog izvora u kojoj su ulazni napon i ulazna struja u fazi. Fazorski dijagram u slučaju naponske rezonanse prikazan je na slici.. Tada se električno kolo ponaša kao aktivni tj. omski potrošač. Dakle, uslov nastanka naponske rezonanse u kolu je da je imaginarni dio ulazne impedanse kola jednak nuli: o U U E=U sl.. f.o. Z mpedansa rednog kola je: Z j( ) stoga u režimu rezonanse važi da je: z prethodnog izraza slijedi da je rezonantna ugaona učestanost, odnosno rezonantna učestanost:
f U režimu naponske rezonanse impedansa je realna i ima minimalnu vrijednost: Z Z min 5 Samim tim, kolom protiče maksimalna moguća struja pri datom naponu: max E 5 A Traženi kompleksni naponi su: U V U j 5/ V U j 5 / V b) Faktor dobrote rednog kola jednak je: Q 5 Efektivne vrijednosti napona na kondenzatoru i kalemu su jednake, slika., i Q puta veće od efektivne vrijednosti napona na ulazu u kolo tj. na otporniku. U U QE Širina propusnog opsega jednaka je odnosu rezonante učestanosti i faktora dobrote: f f Hz Q c) Na granicama propusnog u kolu se disipira polovina maksimalne snage: Pmax max 5 P 5W.. Parametri rednog rezonantnog kola su tako izabrani da rezonantna učestanost iznosi f =4kHz, dok je širina propusnog opsega f=4hz. Odrediti induktivnost i kapacitivnost kola ako je otpornost kola =Ω. ešenje: a) Faktor dobrote kola jednak je:
f Q f 4 4 nduktivna reaktansa kola je: Q Stoga je induktivnost kola: 3,98mH f Kapacitivnost kola se može odrediti iz rezonantne učestanosti: 398nF f 4 f.3. ezonantna učestanost rednog kola je f =khz. Odrediti širinu propusnog opsega i učestanosti na granicama propusnog opsega ako je data otpornost kola =5Ω i induktivna reaktansa u režimu rezonanse =3Ω. ešenje: Faktor dobrote rednog kola je: Q 3 6 5 dok je širina propusnog opsega: 3 f f Hz Q 6 Kako je faktor dobrote Q prilično velik, (Q > ), može se smatrati da je rezonantna učestanost f na sredini propusnog opsega, slika.3. f f f 9Hz f f f Hz
max max f f f f [khz] sl..3 ezonantna karakteristika rednog kola.4. Data je rezonantna karakteristika struje rednog kola, slika.4. Odrediti: a) faktor dobrote kola Q i širinu propusnog opsega f; b) induktivnost i otpornost kola ako je kapacitivnost kola data i iznosi =,5nF; c) primijenjeni napon na ulazu u kolo. [ma] 4 7 8 9 f [Hz] sl..4 ešenje: a) Kako je struja na granici propusnog opsega jednaka: max gr 4A
to se sa slike.4 može zaključiti da je širina propusnog opsega približno jednaka: f Hz Faktor dobrote kola jednak je: f Q f 8 4 z izraza za ugaonu učestanost rezonantnog rednog kola, može se dobiti tražena induktivnost: 4 f Otpornost kola jednaka je: 3,86mH Q f Q 83,86 4 3 4 c) Primijenjeni napon jednak je: 3 U 4 8V max.5. Za paralelno rezonantno kolo, prikazano na slici.5 je poznato: ma, =kω, =mh, =μf. Odrediti: a) rezonantnu učestanost kola f ; b) impedansu kola Z; c) faktor dobrote kola; d) širinu propusnog opsega f i učestanosti na granicama propusnog opsega; e) napone na kalemu i kondenzatoru kao i struje kroz kalem i kondenzator. ešenje: sl..5 a) Uslov nastanka rezonanse u ovom kolu, tzv. strujne rezonanse ili antirezonanse, jeste da je ulazna admitansa kola jednaka nuli: Ulazna kompleksna admitansa kola jednaka je:
j j j z uslova nastanaka strujne rezonanse važi dalje da je: tj. Stoga je ugaona učestanost paralenog kola u režimu rezonanse jednaka: Tražena rezonantna učestanost je: f 535Hz 3 6 b) Kako se kolo nalazi u režimu strujne rezonanse, ulazni napon i ulazna struja u kolu su u fazi, slika.6, ulazna admitansa kola je realna i minimalna: odnosno impedansa kola je takođe realna ali maksimalna i jednaka je: o = U sl..6 f.o. Z k c) Faktor dobrote paralenog kola jednak je: Q = = 36 ω d) Širina propusnog opsega jednaka je odnosu rezonantne frekvencije i faktora dobrote: f 535 f 5, 93Hz Q 36
Kako je Q> važi da su učestanosti na granicama propusnog opsega: f f f 57Hz f f f 543Hz e) Kako je admitansa kola minimalna u režimu strujne rezonanse tada je napon maksimalan i jednak je: U U U U max V Efektivne vrijednosti struja na kalemu i kondenzatoru su jednake i iznose: Q 3, 6A.6. Za kolo prikazazano na slici.7 dato je: i(t)=5 sin( 4 t+3 ), =Ω i =Ω. Kolo se nalazi u režimu strujne rezonanse. Odrediti: a) kapacitivnost ; b) izraze za trenutne vrijednosti struja i i i i napona u; c) snagu naponskog izvora. i i i u(t) sl..7 ešenje: a) Kako se kolo nalazi u režimu strujne rezonanse, važi da je: Ulazna admitansa kola je: j j
j j j U režimu rezonanse važi, pa je tražena kapacitivnost: 5F 4 b) Kako je kolo u rezonansi ulazna admitansa je realna i iznosi:,5s te je stoga napon na ulazu u kolo jednak: U j3 5e,5 e j3 V Komplesne struje, su tada: j3 j3 e e j U 5 e j j45 e j3 j3 e e U 5e j j9 e j 5 Tražene trenutne vrijednosti struja i napona su: u i i 4 t sin t 3 [ V] sin 5 4 t t [ ] A 4 t 5 sin t [ ] A A A j3 j3 c) P U e 5e 5W ili P 5W
.7. Elementi kola naizmjenične struje sa slike.8. opisane su sledećim parametrima =, =4, =mh, =4mH, =5F, =5F. Poznata je struja i(t)=sin(t) [A]. Odrediti pokazivanja instrumenata i napon na ulazu kola. u(t) A V sl..8 ešenje: nduktivne i kapacitivne reaktanse kola su: 3 3 3 4 3 4 3 3 5 6 5 6 4 mpedansa grane redne veze kalema i kondenzatora jednaka je: Z j j j j Kalem i kondenzator se nalaze u režimu naponske rezonanse. Kako je impedansa ove grane jednaka nuli, ovu granu možemo predstaviti kao kratak spoj, slika.9. Kalem, kondenzator i otpornik čine paralelno kolo, koje je takođe u rezonantnom režimu jer je: = pa je impedansa ovog dijela kola: Z = mpedansa paralelne veze kalema i kondenzatora : Z j j j j 4 j4 j4
je beskonačna pa se može prikazati kao prekid, slika.9. Kako je otpornik prespojen napon na otproniku je jednak: U 8V To je ujedno i napon na kondenzatoru, stoga je struja kroz priključke kondenzatora: U 8 ja j j4 Dakle, ampermetar pokazuje struju: A A u(t) sl..9 Kako data struja teče kroz kalem i kondenzator to je napon na kondenzatoru: U j j j4 4 / Voltmetar pokazuje efektivnu vrijedost napona tj. pokazuje 4V..8. Aktivna snaga pretežno induktivnog prijemnika je P=.4kW, faktor snage.6, a efektivna vrijednost struje =A. a) Kolika je reaktansa reaktivnog elementa kog treba priključiti paralelno prijemniku da bi se potpuno popravio faktor snage? b) Kolika je pri tome efektivna vrijednost struje napojnog voda? ešenje: a) Kako se radi o pretežno induktivnom prijemniku to se on može predstaviti kao redna veza kalema i otpornika, slika.. sl.. Fazni stav napona u odnosu na struju jedak je:,6 53,3 arccos
Efektivna vrijednost struje koja teče kroz induktivni prijemnik se dobija iz izraza za aktivnu snagu kola: P,4 P 6 4 3 z fazorskog dijagrama za redno kolo, slika. dobija se induktivna reaktansa kalema: 53,3 tg 6 tg 8 U U o φ U sl.. f.o. Efektivna vrijednost ulaznog napona jednaka je, slika.: U U U V Popravka faktora snage pretežno induktivnog prijemnika vrši se paralelnim vezivanjem kondenzatora odgovarajuće kapacitivnosti, slika.. i i i sl.. Kako se želi potpuna popravka faktora snage to se kolo nalazi u režimu strujne rezonanse, tj. važi da je: Fazorski dijagram kola prikazanog na slici., u režimu rezonanse je prikazan na slici.3. o U f.o. U U sl..3
Ulazna admitansa kola, slika., je: j j j j j Slijedi da u režimu rezonanse važi: Tj. 5, 8 8 6 b) Ulazna admitansa je čisto realna i u ovom slučaju iznosi: S 6 Slijedi da je struja napojnog voda, slika.: A U 6 i značajno je manja, za istu aktivnu snagu od struje prije popravke faktora snage..9 Pri prostoperiodičnom naponu učestanosti 5Hz, impedansa realnog kalema iznosi 4, a pri jednosmjernom naponu 9. a) Pri kojoj učestanosti f će nastupti rezonansa ako se redno sa ovim kalemom veže kondenzator kapacitivnosti 5μF? b) Koliki je faktor dobrote tako dobijenog kola? c) Koliki je propusni opseg ω ovog rezonantnog kola? ešenje:
a) ealni kalem je prikazan na slici.. Kada se priključi na jednosmeran izvor napona tada kroz kolo teče jednosmjerna struja. Kako kalem u kolu jednosmjerne struje predstavlja kratak spoj to je impedansa realnog kalema u ovom slučaju: Z 9 mpedansa realnog kalema, priključenog na prostoperiodični izvor je: Z 4 9 4 nduktivnost kalema je: f 4 34,7H Ako se redno sa realnim kalemom veže kondenzator, dobija se redno kolo. ezonantna učetsanost rednog kola je, zadatak.: f 63Hz 6,75 63,7 b) f Q 5, 58 9 f c) 63 7,8rad / s Q Q 5,58.. Odrediti elemente kola, i datog na slici.4 i nacrtati fazorski dijagram ako se dato kolo nalazi u režimu naponske rezonanse. Dati su sledeći brojni podaci: E=4V, U =3V i =A. U E sl..4 ezultat: =6,5Ω; =3Ω; =8,33Ω.
Fazorski dijagram prikazan je na slici.5. U c o E U = U f.o. sl..5