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
故訊號皆需轉為 \(cos(wt+\phi)\) 表示,再轉過去 phasor domain,可利用 Fourier series
時域的表現,就是 \(\require{enclose} r\enclose{phasorangle}{\phi}\) 實數的部分,也就是 \(cos(wt+\phi)\) 的部分
歐姆定律
impedance \(\mathbf{Z}\) 單位仍為 \(\Omega \)
Admittance \(\mathbf{Y}\) 單位仍為 \(S \)
Kirchhoff 電路定律
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
平均功率
詳細推導過程(含 DC)
$$ P=\frac{1}{2}V_mI_m=\frac{1}{2}I_m^2R=\frac{1}{2}|\mathbf{I}|^2R $$ 當 \(\theta _v - \theta _i = \pm90^{\circ} \) ,也就是 \(L\) 或 \(C\),為虛功來源
$$ P=\frac{1}{2}V_mI_mcos90^{\circ}=0 $$
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
$$
\require{enclose}
\begin{align*}
z=x+jy &=r(cos \phi + jsin \phi)=re^{j \phi} =r\enclose{phasorangle}{\phi} \\
z^*=x-jy &=r(cos \phi - jsin \phi)=re^{-j \phi} = r\enclose{phasorangle}{-\phi} \\
|z|^2 &=z \times z^*=r^2\\
e^{\pm j\phi} &= cos\phi \pm jsin\phi\\
cos \phi &= \mathrm{Re}(e^{j\phi})\\
sin \phi &= \mathrm{Im}(e^{j\phi})\\
\end{align*}
$$
Phasor-domain 推導
因推論前提皆建立在 \(cos(wt+\phi)\) 上故訊號皆需轉為 \(cos(wt+\phi)\) 表示,再轉過去 phasor domain,可利用 Fourier series
時域的表現,就是 \(\require{enclose} r\enclose{phasorangle}{\phi}\) 實數的部分,也就是 \(cos(wt+\phi)\) 的部分
$$
v(t)=V_mcos(wt+\phi)\\
\mathbf{V}=V_me^{j\phi}=V_m\enclose{phasorangle}{\phi}$$
電壓電流轉換表
$$
\begin{align*}
V_mcos(wt+\phi) &\Leftrightarrow V_m\enclose{phasorangle}{\phi}\\
V_msin(wt+\phi) &\Leftrightarrow V_m\enclose{phasorangle}{\phi-90^{\circ}}\\
I_mcos(wt+\phi) &\Leftrightarrow I_m\enclose{phasorangle}{\phi}\\
I_msin(wt+\phi) &\Leftrightarrow I_m\enclose{phasorangle}{\phi-90^{\circ}}\\
\end{align*}
$$
微分 in Phasor domain
$$
v(t)=V_mcos(wt+\phi)\\
\frac{\mathrm{d} v}{\mathrm{d} t} \Leftrightarrow jw\mathbf{V}$$
積分 in Phasor domain
$$v(t)=V_mcos(wt+\phi)\\
\int vdt \Leftrightarrow \frac{\mathbf{V}}{jw}$$
RLC in Phasor domain
元件 | Time domain | Phasor domain | Impedance |
---|---|---|---|
\(R\) | \(v(t)=Ri(t)\) | \(\mathbf{V}=R\mathbf{I}\) | \(\mathbf{Z}=R\) |
\(L\) | \(v(t)=L\frac{\mathrm{d} i(t)}{\mathrm{d} t}\) | \(\mathbf{V}=jwL\mathbf{I}\) | \(\mathbf{Z}=jwL\) |
\(C\) | \(i(t)=C\frac{\mathrm{d} v(t)}{\mathrm{d} t}\) | \(\mathbf{V}=\frac{\mathbf{I}}{jwC}\) | \(\mathbf{Z}=\frac{\mathbf{1}}{jwC}\) |
基本電路定律
歐姆定律
impedance \(\mathbf{Z}\) 單位仍為 \(\Omega \)
Admittance \(\mathbf{Y}\) 單位仍為 \(S \)
$$
\mathbf{V=ZI=\frac{I}{Y}}\\
\mathbf{Z}=R+jX=\left | \mathbf{Z} \right |\enclose{phasorangle}{\theta}\\
$$
Kirchhoff 電路定律
KVL
$$\mathbf{V}_1+\mathbf{V}_2+\cdots+\mathbf{V}_n = 0$$
$$\mathbf{V}_1+\mathbf{V}_2+\cdots+\mathbf{V}_n = 0$$
KCL
$$\mathbf{I}_1+\mathbf{I}_2+\cdots+\mathbf{I}_n = 0$$
$$\mathbf{I}_1+\mathbf{I}_2+\cdots+\mathbf{I}_n = 0$$
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
$$\mathbf{Z_{eq} = Z_1+Z_2+\cdots +Z_N}$$
$$\mathbf{Z_{eq} = Z_1+Z_2+\cdots +Z_N}$$
並聯
$$\mathbf{\frac{1}{Z_{eq}}} = \mathbf{(\frac{1}{Z_1}+\frac{1}{Z_2}+\cdots +\frac{1}{Z_N})}$$
$$\mathbf{\frac{1}{Z_{eq}}} = \mathbf{(\frac{1}{Z_1}+\frac{1}{Z_2}+\cdots +\frac{1}{Z_N})}$$
平均功率
詳細推導過程(含 DC)
$$
\begin{align*}
\mathbf{V}&=V_m\enclose{phasorangle}{\theta _v}\\
\mathbf{I}&=I_m\enclose{phasorangle}{\theta _i}\\
P&=\frac{1}{2}\mathrm{Re}[\mathbf{VI^*}]
\end{align*}
$$
當 \(\theta _v = \theta _i \) ,也就是 \(R\),為實功來源$$ P=\frac{1}{2}V_mI_m=\frac{1}{2}I_m^2R=\frac{1}{2}|\mathbf{I}|^2R $$ 當 \(\theta _v - \theta _i = \pm90^{\circ} \) ,也就是 \(L\) 或 \(C\),為虛功來源
$$ P=\frac{1}{2}V_mI_mcos90^{\circ}=0 $$
Complex Power
全皆是平均功率來看
複數功率 (Complex Power) \(= \mathbf{S}=P+jQ=\frac{1}{2}\mathbf{VI^*}=\mathbf{V_{rms}I_{rms}^*}=I_{rms^2}\mathbf{Z}=\frac{V_{rms}^2}{\mathbf{Z^*}}\)
視在功率 (Apparent Power) \(=S=|\mathbf{S}|=\frac{1}{2}V_mI_m=V_{rms}I_{rms}=\sqrt{P^2+Q^2}\)
實功 (Real Power) \(=P=\mathrm{Re}(\mathbf{S})=Scos(\theta _v-\theta_ i)\)
虛功 (Reactive Power) \(=Q=\mathrm{Im}(\mathbf{S})=Ssin(\theta _v-\theta_ i)\)
功率因數 (Power Factor) \(=\frac{P}{S}=cos(\theta _v - \theta _i)\)
視在功率 (Apparent Power) \(=S=|\mathbf{S}|=\frac{1}{2}V_mI_m=V_{rms}I_{rms}=\sqrt{P^2+Q^2}\)
實功 (Real Power) \(=P=\mathrm{Re}(\mathbf{S})=Scos(\theta _v-\theta_ i)\)
虛功 (Reactive Power) \(=Q=\mathrm{Im}(\mathbf{S})=Ssin(\theta _v-\theta_ i)\)
功率因數 (Power Factor) \(=\frac{P}{S}=cos(\theta _v - \theta _i)\)
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