OSNOVE ELEKTROTEHNIKE
INTERAKTIVNI NASTAVNI MATERIJALI
animacije · pokusi · lab. vježbe · simulacije · test pitanja · zadaci

Izmjenični strujni krugovi · Vektorski dijagram za paralelu RLC
VEKTORSKI DIJAGRAM

Sinusne napone i struje možemo prikazivati pomoću vektora. Koristimo prikaz vektora efektivnih vrijednosti, kod kojih duljina vektora odgovara efektivnoj vrijednosti napona odnosno struje. Svi vektori izlaze iz ishodišta $xy$ ravnine, a položaj (smjer) u odnosu na $+x$ os određuje početni fazni kut. Npr. vektor koji leži u $+x$ osi predstavlja sinusoidu koja ima početni fazni kut nula (čista sinusoida).

Razmatramo vektorski dijagram paralelnog $RLC$ kruga, gdje su naponi sve tri paralelne grane jednaki naponu izvora. Vrijednosti parametara su u početku $R=6 \text{ } \Omega$, $L=100 \text{ } \mu \text{H}$, $C=5 \text{ } \mu \text{F}$ i $f=4000 \text{ Hz}$. Napon izvora je na početku zadan kao $u \left( t \right) = 12 \cdot \sin \left( \omega t \right) \text{ [V]}$ (čista sinusoida, amplitude $12 \text{ V}$ početnim faznim kutem $\alpha_\text{U}=0°$). Uz takve parametre paralelni $RLC$ krug je induktivan: $1 \over X_\text{L}$ je veći od $1 \over X_\text{C}$. Zato ukupna struja fazno kasni iza napona izvora. Važno je zapaziti fazne odnose na pojedinim elementima kruga. Struja kroz kondenzator prethodi naponu za $90°$, a struja kroz zavojnicu fazno kasni iza napona za $90°$. Napon i struja kroz otpornik su u fazi. Vrijednosti svih parametara možete povećavati ili smanjivati pomicanjem odgovarajućeg kliznika i promatrati kako te promjene utječu na vektorski prikaz, a pritom je važno da svaku promjenu koju zapazite pokušate objasniti!

Pogotovo pripazite na vektorski prikaz kada se pogodi rezonantna frekvencija. Pri paralelnoj rezonanciji vrijedi $X_\text{L} = X_\text{C}$ pa je onda ukupna impedancija jednaka $R$, struja izvora je u fazi s naponom izvora. Dodatno, u ovakvom paralelnom $RLC$ spoju pri rezonanciji struja izvora i radna snaga minimalne!

Kao pomoć program može ispisati i detaljan postupak izračuna svih veličina u zadanom paralelnom $RLC$ krugu — treba kliknuti na gumb "Prikaži izračun!" pri kraju ispisa svih rezultata ili ovdje.

Program crta vektorski dijagram napona i svih struja te izračunava i ispisuje kružnu frekvenciju, omski otpor zavojnice i kondenzatora, iznos ukupne impedancije i fazni kut spoja (razlika početnih faznih kuteva ukupnog napona i ukupne struje). Automatski se izračuna i karakter spoja: pozitivni fazni kut ukazuje na induktivni karakter spoja, a negativni na kapacitivni. Uz to, ispisuju se i efektivne vrijednosti napona i svih struja, kao i prividnu i radnu snagu te jalove snage u spoju.

U prikazanom vektorskom dijagramu duljina vektora svakog napona i struje odgovara efektivnoj vrijednosti te sinusne veličine. Vektorska $xy$ ravnina je podijeljena na kvadratiće ($\text{div}$, od eng. division), a mjerilo za napone je $0.6 \text{ V/div}$, dok je mjerilo za struju $0.4 \text{ A/div}$.

Napomena: ako ovaj prikaz vektora efektivnih vrijednosti zamislimo u kompleksnoj ravnini (os $x$ je realna, a os $y$ imaginarna os) dobivamo fazorski dijagram.

Efektivne vrijednosti su važne za proračun snage i energije, npr. radnu snagu $P$, induktivnu $Q_\text{L}$ i kapacitivnu $Q_\text{C}$ jalovu snagu te prividnu snagu $S$ računamo kao: $$P = {U^2 \over R} \,\,\,\,\,\,\,\,\,\,\,\, Q_\text{L} = {U^2 \over X_\text{L}} \,\,\,\,\,\,\,\,\,\,\,\, Q_\text{C} = {U^2 \over X_\text{C}} \,\,\,\,\,\,\,\,\,\,\,\, S = \sqrt{P^2 + \left( Q_\text{L} - Q_\text{C} \right)^2}$$

Završne napomene:

Treba razlikovati početni trenutak promatranja sinusoida ($t=0 \text{ s}$) od stvarnog trenutka uključenja spoja s elementima $L$ i/ili $C$ na izvor. Naime po uključenju na izvor nastupa prijelazno stanje koje ovdje zbog jednostavnosti ne razmatramo! Nakon što prođe prijelazno stanje (u pravilu traje vrlo kratko) nastupa stacionarno stanje i možemo bilo koji trenutak odrediti kao početak promatranja. Za taj trenutak koji tada predstavlja $t=0 \text{ s}$ crtamo standardni vektorski (fazorski) prikaz. Početak promatranja ne utječe na iznose efektivnih vrijednosti (snage) niti na međusobne fazne kuteve pojedinih napona i struja, ali ima utjecaj na početne fazne kuteve.

Vodite računa da su vektori i fazori samo pomoćno sredstvo za razne proračune dok su u stvarnosti naponi i struje sinusoidne funkcije. Ako funkcije napona i struje nisu sinusoide nego imaju neki drugi oblik (pravokutni, pilasti...) ne možemo koristiti vektore i fazore nego moramo koristiti složenije matematičke alate (diferencijalne jednadžbe) — s tim metodama ćete se upoznati kasnije na studiju...