[Circuit] AC Sinusoids 穩態分析

電路知識:AC Sinusoids 穩態分析
工具:Qucs

功能:穩態分析,轉換為 phasor domain 計算 sinusoids 的電壓電流

只適用 sinusoids,必需利用 fourier series 轉換並將 DC 成份去除才適用,務必小心使用

Phasor 基本公式

z=x+jy=r(cosϕ+jsinϕ)=rejϕ=rϕz=xjy=r(cosϕjsinϕ)=rejϕ=rϕ|z|2=z×z=r2e±jϕ=cosϕ±jsinϕcosϕ=Re(ejϕ)sinϕ=Im(ejϕ)

Phasor-domain 推導

因推論前提皆建立在 cos(wt+ϕ)
故訊號皆需轉為 cos(wt+ϕ) 表示,再轉過去 phasor domain,可利用 Fourier series

時域的表現,就是 rϕ 實數的部分,也就是 cos(wt+ϕ) 的部分
v(t)=Vmcos(wt+ϕ)V=Vmejϕ=Vmϕ
v(t)=Vmcos(wt+ϕ)=Re(Vmej(wt+ϕ))=Re(Vejwt)V=Vmejϕ=Vmϕ

電壓電流轉換表

Vmcos(wt+ϕ)VmϕVmsin(wt+ϕ)Vmϕ90Imcos(wt+ϕ)ImϕImsin(wt+ϕ)Imϕ90

微分 in Phasor domain

v(t)=Vmcos(wt+ϕ)dvdtjwV
dvdt=wVmsin(wt+ϕ)=wVmcos(wt+ϕ+90)=Re(wVmejwtejϕej90)=Re(jwVejwt)dvdtjwV

積分 in Phasor domain

v(t)=Vmcos(wt+ϕ)vdtVjw
vdt=1wVmsin(wt+ϕ)=1wVmcos(wt+ϕ90)=Re(1wVmejwtejϕej90)=Re(jwVejwt)=Re(1jwVejwt)vdtVjw

RLC in Phasor domain


元件 Time domain Phasor domain Impedance
R v(t)=Ri(t) V=RI Z=R
L v(t)=Ldi(t)dt V=jwLI Z=jwL
C i(t)=Cdv(t)dt V=IjwC Z=1jwC

基本電路定律


歐姆定律
impedance Z 單位仍為 Ω
Admittance Y 單位仍為 S
V=ZI=IYZ=R+jX=|Z|θ

Kirchhoff 電路定律
KVL
V1+V2++Vn=0
v1+v2++vn=0Vm1cos(wt+θ1)+Vm2cos(wt+θ2)++Vmncos(wt+θn)=0Re(Vm1ejθ1ejwt)+Re(Vm2ejθ2ejwt)++Re(Vmnejθnejwt)=0Re[(V1+V2++Vn)ejwt]=0ejwt0 V1+V2++Vn=0
KCL
I1+I2++In=0
i1+i2++in=0Im1cos(wt+θ1)+Im2cos(wt+θ2)++Imncos(wt+θn)=0Re(Im1ejθ1ejwt)+Re(Im2ejθ2ejwt)++Re(Imnejθnejwt)=0Re[(I1+I2++In)ejwt]=0ejwt0 I1+I2++In=0

串並聯等效 Impedance
因 KVL or KCL,故當 i, v 為 Sinusoids,其元件上的跨壓必定也為 Sinusoids,才可互相抵消為 0
串聯
Zeq=Z1+Z2++ZN
0=v+v1+v2++vN0=Vmcos(wt+θ)+Vm1cos(wt+θ1)+Vm2cos(wt+θ2)++VmNcos(wt+θN)0=Re(Vmejθejwt)+Re(Vm1ejθ1ejwt)+Re(Vm2ejθ2ejwt)++Re(VmNejθNejwt)0=Re[(V+V1+V2++VN)ejwt]V=V1+V2++VN=I(Z1+Z2++ZN)Zeq=VI=Z1+Z2++ZN
並聯
1Zeq=(1Z1+1Z2++1ZN)
0=i+i1+i2++iN0=Imcos(wt+θ)+Im1cos(wt+θ1)+Im2cos(wt+θ2)++ImNcos(wt+θN)0=Re(Imejθejwt)+Re(Im1ejθ1ejwt)+Re(Im2ejθ2ejwt)++Re(ImNejθNejwt)0=Re[(I+I1+I2++IN)ejwt]I=I1+I2++IN=V(1Z1+1Z2++1ZN)1Zeq=IV=(1Z1+1Z2++1ZN)

平均功率
詳細推導過程(含 DC)
V=VmθvI=ImθiP=12Re[VI]
P=1T0Tp(t)dt=1T0Tv(t)i(t)dt=1T0TVmImcos(wt+θv)cos(wt+θi)dt=1T0TVmIm12[cos(θvθi)+cos(2wt+θv+θi)]dt=12VmImcos(θvθi)1T0Tdt+12VmIm1T0Tcos(2wt+θv+θi)dt0=12VmImcos(θvθi)=12Re[VI]
θv=θi ,也就是 R,為實功來源
P=12VmIm=12Im2R=12|I|2Rθvθi=±90 ,也就是 LC,為虛功來源
P=12VmImcos90=0

Complex Power

全皆是平均功率來看
複數功率 (Complex Power) =S=P+jQ=12VI=VrmsIrms=Irms2Z=Vrms2Z
視在功率 (Apparent Power) =S=|S|=12VmIm=VrmsIrms=P2+Q2
實功 (Real Power) =P=Re(S)=Scos(θvθi)
虛功 (Reactive Power) =Q=Im(S)=Ssin(θvθi)
功率因數 (Power Factor) =PS=cos(θvθi)
S=12VI=12VmImθvθi=VrmsIrmsθvθi=VrmsIrms=ZIrmsIrms=Irms2Z=VrmsVrmsZ=Vrms2Z

參考

Alexander & Sadiku, “Fundamentals of Electric Circuits, Second Edition”, McGraw-Hill, New York, NY, 2004.

留言