Zastosowanie liczb zespolonych w analizie obwodów elektrycznych

Zastosowanie liczb zespolonych – umożliwia uproszczoną analizę obwodów elektrycznych prądu przemiennego. Możliwe jest to dzięki algebraizacji równań różniczkowo-całkowych poprzez odwzorowanie przebiegów prądu i napięcia w postaci funkcji symbolicznej. Stwarza to możliwość analizy obwodu prądu przemiennego z wykorzystaniem metod używanych podczas analizy obwodów prądu stałego, a więc metody potencjałów węzłowych, metody prądów oczkowych, twierdzenia Thevenina-Nortona itd.

Liczby zespolone mogą być wykorzystywane tylko do analizy obwodów liniowych, w których wszystkie źródła energii dostarczają sinusoidalnych prądów i napięć o tej samej częstotliwości. Innymi słowy, liczby zespolone nie mogą być wykorzystane do analizy przebiegów odkształconych.

Wersor rotacyjny

Funkcja symboliczna budowana jest przy użyciu wersora rotacyjnego $e^{j\omega t}$ oraz sprzężonego z nim wersora $e^{-j\omega t}.$ Moduł tego wersora równy jest jeden, zaś argument zależny jest od czasu. Obrazem wersora na płaszczyźnie liczb zespolonych jest wektor jednostkowy obracający się z prędkością kątową ω w kierunku matematycznie dodatnim, zaś w przypadku wersora sprzężonego – w kierunku matematycznie ujemnym.

Uwaga: W inżynierii elektrycznej jednostka urojona często oznaczana jest literą j zamiast rozpowszechnionej i, by uniknąć pomyłki z wartością chwilową natężenia prądu zmiennego, również oznaczaną przez małą literę i.

Funkcja symboliczna

Funkcja symboliczna wyrażana jest jako iloczyn liczby zespolonej $A_m=|A_m|e^{j\alpha }$ oraz opisanego powyżej wersora rotacyjnego. Można to zapisać jako:

$A(t)=|A_m|e^{j(\omega t+\alpha )}.$

Obrazem funkcji symbolicznej na płaszczyźnie liczb zespolonych jest wektor o długości $|A_m|$ i kącie początkowym α, obracający się z prędkością kątową ω w kierunku matematycznie dodatnim.

Uproszczenie analizy obwodów elektrycznych prądu przemiennego, możliwe jest właśnie ze względu na wyjątkowe właściwości funkcji symbolicznej. Pochodna funkcji symbolicznej wyprzedza ją o kąt 90° a jej całka opóźnia się o kąt 90°. Operacje te więc można uprościć zastępując – niezbędne przy analizie obwodów prądu przemiennego – całkowanie na dzielenie poprzez czynnik $j\omega$ a różniczkowanie na mnożenie przez czynnik $j\omega .$

Odwzorowanie przebiegów prądu i napięcia w postaci funkcji symbolicznej

W łatwy sposób można uzasadnić słuszność odwzorowywania przebiegów prądu i napięcia pod postacią funkcji symbolicznej. Dla przykładowego przebiegu sinusoidalnego prądu na odbiorniku danego wzorem: $i=|I_m|\sin (\omega t+\alpha )$ zbudować można funkcję symboliczną $I(t)=|I_m|e^{j(\omega t+\alpha )}.$ Jeżeli funkcję symboliczną $I(t)$ oraz funkcję do niej sprzężoną przedstawi się w postaci trygonometrycznej:

$I(t)=|I_m|e^{j(\omega t+\alpha )}=|I_m|[\cos (\omega t+\alpha )+j\sin (\omega t+\alpha )]$

oraz

$I^{*}(t)=|I_m|e^{-j(\omega t+\alpha )}=|I_m|[\cos (\omega t+\alpha )-j\sin (\omega t+\alpha )],$

to po dodatkowych przekształceniach zauważyć można związek:

$\frac{I(t)-I^{*}(t)}{2j}=|I_m|\sin (\omega t+\alpha )=i.$

Ponieważ z własności liczb zespolonych wynika, że

$\frac{Z-Z^{*}}{2j}=\frac{a+jb-(a-jb)}{2j}=\frac{2jb}{2j}=b=\mathrm{Im}\{Z\},$

stąd:

$i=\mathrm{Im}\{I(t)\}.$

I dla napięcia analogicznie:

$u=\mathrm{Im}\{U(t)\}.$

Dodatkowym atutem takiego przyporządkowania jest fakt, że nie tylko możliwe jest odwzorowanie przebiegu prądu lub napięcia poprzez funkcję symboliczną, ale także odtworzenie przebiegu sinusoidalnego z funkcji symbolicznej.

Zespolone wartości skuteczne

W powyższych wzorach przykładowy przebieg $i=|I_m|\sin (\omega t+\alpha )$ zawierał czynnik $I_m,$ który odpowiadał zespolonej wartości maksymalnej. Aby przejść z odwzorowania przebiegów sinusoidalnych promieniami wirującymi na odwzorowanie funkcji symbolicznych nieruchomymi wektorami (zatrzymanymi w chwili $t=0$) wprowadza się zespolone wartości skuteczne oznaczane poprzez $U$ oraz $I,$ gdzie:

$I=\frac{I_m}{\sqrt{2}},$

$U=\frac{U_m}{\sqrt{2}}.$

To właśnie wartości skuteczne zespolone używane są w ostatecznych obliczeniach z wykorzystaniem metod używanych podczas analizy obwodów prądu stałego – nawet ich oznaczenia sugerują brak powiązania obliczeń z dziedziną czasu.

Zobacz też

• liczby zespolone
• rozwiązanie obwodu elektrycznego