Aplicando la Transformada de Laplace a Redes Eléctricas

Transcripción

1 Aplicando la Tranformada de Laplace a Rede Eléctrica J.I. Huircán Univeridad de La Frontera April 5, 006 Abtract Se aplica la Tranformada de Laplace a ditinta rede eléctrica, primero excitacione báica conocida, luego, excitacione tipo exponencial y inuoidal. La parte má compleja reulta al determinar la tranformada invera. Introduction La Tranformada de Laplace, Lfg, permite analizar rede eléctrica lineale con excitacione ditinta a la inuoidal y la continua. Se plantean la ecuacione en el dominio del tiempo, para luego aplicar la tranformada, quedando un itema de ecuacione lineale en el dominio. Se reuelve el itema para la variable deeada y e aplica la tranformada invera L fg para tener la repueta en el tiempo. Otra forma conite en aplicar directamente la tranformada de Laplace al circuito, y luego plantear la ecuacione de Kircchoff en el dominio. La di cultad de ambo cao erá determinar la Tranformada invera de Laplace. Tranformada de Laplace. De nición La tranformada e de ne de acuerdo a () y u invera de acuerdo a (). F () L ff(t)g Z f(t) L ff ()g j 0 f(t)e t () Z j Aí, e etablecen tranformada báica en la Tabla. j F ()e t d ()

2 Table : Reumen. f(t) F () $ ff(t)g (t) u(t) t e at a! in!t co!t e at! in!t e at co!t!! (a)! a (a)!. Propiedade Propiedade en el tiempo tienen u tranformada de acuerdo a la Tabla. Table : Reumen. Función en el tiempo Tranformada Linealidad K f (t) K f (t) K F () K F () df(t) Derivada F () f(0) d f(t) F () f(0) f 0 (0) R t Integral 0 f(x)dx F () Valor nal lim f(t) lim F () t!!0 3 La Tranformada y elemento paivo Dado que para el capacitor e tiene que dv (t) i (t) C v (t) C Z t Aplicando la Lfg a (3), e tiene i () d C Z t (3) t 0 i () d v (t 0 ) (4) dv (t) L fi (t)g I() CL I() CV () cv(t 0 ) (5)

3 Para la ecuación (4) Z t Z t V () L i () d v (t 0 ) L i () d v (t 0) C t 0 C t 0 I() C v (t 0) (6) Si la condicione iniciale on cero, entonce, V () I() C Para una bobina e tiene v(t) L di(t) i(t) L Z t Luego para (7) y (8) en el dominio e tiene (7) t 0 v(x)dx i(t 0 ) (8) V () LI() Li(t 0 ) (9) I() V () L i(t 0) (0) Si la condicione iniciale on cero, V () I() L: Para el reitor, dado que v(t) R i(t), entonce, aplicando la tranformada e tiene V () L fr i(t)g RI(): 3. Elemento paivo en el epacio De acuerdo a la ecuacione (5) y (6) e etablece que el capacitor erá reprenetado de acuerdo a la Fig.. I() I() V() C v(t o ) V() C C v(t o ) Figure : Capacitor en el epacio. De acuerdo a (9) y (0), el inductor e repreenta de acuerdo a la Fig.. 3

4 I() I() V() L V() L L i(t o ) L i(t o ) Figure : el inductor en el epacio. 4 Aplicación a rede eléctrica 4. Circuito RL erie Sea la red in condicione iniciale v(t)v a t0 eg R L i (t) L Figure 3: Red RL erie. Planteando la LVK, e tiene L di L(t) i L (t)r v i (t) V a u(t) () Aplicando la Tranformada de laplace LI L () I L ()R V a I L () V a L R h A Uando fraccione parciale e tiene I L () V a L R y B L R : " I L () V a R R Aplicando la tranformada invera para t 0 R L!# B R L () (3) i ; luego, A (4) i L (t) V a e R t L u(t) (5) R 4

5 4. Red RLC con excitación tipo ecalón Sea el circuito de la Fig. 4. Tranformando el circuito al plano, coniderando que i(0) 0, y luego, planteando la LCK 3 [Ω] [H] [V] t0 eg 0.5[F] v(t) [Ω] Figure 4: Red RLC in condicione iniciale. V () 3 Se depeja la variable bucada V () V () 0:5 (6) V () V i () (3 0:5 (3 ) ) ( 5 8) Por fraccione parciale y luego reordenando (7) V () :5 :5 ( :5) :75 :75 :75! ( :5) :75 (8) De acuerdo a la Tabla, e tiene v(t) u(t) e :5t co p :5 7t :75 e :5t in p 7t (9) 4.3 Red RLC con condicione iniciale Sea el circuito de la Fig. 5a. Determinar i(t) para todo t. Para t < 0 ; e tiene que i(0 ) 4[V ] [] [A] i(0 ) i(0) Para t > 0 ; trapaando la red al plano (Fig. 5b), luego haciendo tranformación de fuente y nalmente planteando la LVK e tiene 5

6 4[Ω] [H] 8[Ω] 4 8 4[V] t0 eg i (t) 4 [Ω] 4[V] 4 4 I() Li(0) 4 (a) (b) Figure 5: Red con condicione iniciale. I() [ 8] 4 Depejando I(), e tiene Li(0) (0) 4 I() Li(0) 0 Separando en fraccione parciale 4 0 ( 5) I() 5 ( 5) 5 Aplicando la tranformada invera de Laplace () () i(t) 5 e 5t 5 u(t) e 5t u(t) (3) 4.4 Red RL con excitación exponencial y inuoidal Para el circuito de la Fig. 3 e cambia la excitación por v(t) V a e bt, luego e tiene que L di L(t) i L (t)r V a e bt u(t) (4) Aplicando L fg y depejando la corriente LI L () I L ()R Uando fraccione parciale I L () V a b V a ( b) (R L) V a R bl b V a ( R bl) R L! V a R bl b R L (5) (6) 6

7 i L (t) V a R bl e bt e R L t u(t) (7) Para la red de la Fig. 4, e cambia la excitación por v(t) V a co!t, aí, dada la LVK e tiene que L di L(t) Luego, LI L () I L ()R Luego por fraccione parciale i L (t)r V a co!t u(t) (8) Va! ; por lo tanto I L () V a (! ) (R L) (9) I L () V a! L R (R L! ) (! ) V a! L R (R L! ) (! ) RV a L (R L! ) (R L) (30) RV a (R L! ) R (3) L Aplicando la L fg i L (t) V h a (R L!!L in!t R co!t Re R ti L (3) ) 4.5 Red RLC con excitación exponencial Sutituyendo la fuente de 4 [V ] continuo por una fuente exponencial, v i 4e 5t [V ] en la red de la Fig. 5b, y luego planteando la LVK 5 I() [ 8] 4 Depejando la corriente, dado que Li(0) 4 Li(0) (33) I() ( 0) ( 5) ( 0) 4 ( 0) 4 0 ( 5) ( 5) ( 5) 5 ( 5) 5 5 ( 5) 5 (34) Aplicando la L fg 7

8 i(t) te 5t 5 u(t) 5 e 5t (35) 5 Concluione La Lfg permite la convertir la ecuacione diferenciale en ecuacione algebraica en el plano. Se puede depejar má facilmente la variable bucada, luego aplicando L fg, e determina la variable en el dominio del tiempo. Si exiten componente con condicione iniciale e má fácil paar el circuito al plano, e incorporar la condición inicial. La parte má complicada del proceo e determinar la tranformada invera. 8