Elektros grandinių teorija 2: kintamosios srovės grandinės: pasiruošimo paketas

Formulių lapai, pagrindiniai kiekvienos temos metodų žingsniai ir 16 uždavinių, o pilni sprendimai pateikti gale.

Nauji uždaviniaiAtgal į kursą

Spausdinimo lange pasirinkite „Išsaugoti kaip PDF“, kad nuosavą kopiją išsaugotumėte savo įrenginyje.

1Formulės ir metodai

Kompleksiniai skaičiai

Algebrinė forma
z = a + jb, j² = −1, z̄ = a − jb
Modulis ir argumentas
|z| = √(a² + b²), tan θ = b/a (check the quadrant)
Polinė ir rodiklinė forma
z = r∠θ = r(cos θ + j sin θ) = r·ejθ
Dalyba
z₁/z₂ = z₁z̄₂/|z₂|²
Sandauga ir dalmuo
r₁∠θ₁ · r₂∠θ₂ = r₁r₂∠(θ₁ + θ₂), r₁∠θ₁ / r₂∠θ₂ = (r₁/r₂)∠(θ₁ − θ₂)
Muavras
(r∠θ)ⁿ = rⁿ∠nθ
n-tojo laipsnio šaknys
zk = R1/n∠((φ + 360°·k)/n), k = 0 … n − 1
Kvadratinė lygtis, kai p² < 4q
z = −p/2 ± j√(q − p²/4)

Metodas

  1. Nuspręskite, kokia forma tinka veiksmui: algebrinė a + jb sudėčiai ir atimčiai, polinė r∠θ daugybai, dalybai, laipsniams ir šaknims.
  2. Dauginkite išskleisdami su j² = −1; dalykite padaugindami skaitiklį ir vardiklį iš vardiklio jungtinio.
  3. Konvertuokite pagal r = √(a² + b²) ir θ iš taško (a, b) brėžinio (patikrinkite ketvirtį), o atgal – pagal a = r cos θ, b = r sin θ.
  4. Laipsniams naudokite Muavro formulę, (r∠θ)ⁿ = rⁿ∠nθ; zⁿ = R∠φ išvardykite visas n šaknų R1/n∠((φ + 360°k)/n).

Kintamosios srovės pilnutinė varža ir fazoriai

Pilnutinės varžos
ZR = R, ZL = jωL, ZC = 1/(jωC)
Kampinis dažnis
ω = 2πf
Modulis ir kampas
|Z| = √(R² + X²), φ = atan(X/R)
Omo dėsnis fazoriams
V = I·Z

Metodas

  1. Perskaičiuokite dažnį: ω = 2πf.
  2. Raskite kiekvieną reaktansą: XL = ωL ir XC = 1/(ωC).
  3. Impedansus sudėkite kaip rezistorius, kai Z = R + jX.
  4. Raskite modulį |Z| = √(R² + X²) ir kampą φ = atan(X/R), tada taikykite Omo dėsnį fazoriams.

Kintamosios srovės galia ir galios koeficientas

Aktyvioji galia
P = V·I·cos φ
Reaktyvioji galia
Q = V·I·sin φ
Pilnutinė galia
S = V·I = √(P² + Q²)
Galios koeficientas
pf = cos φ = P/S
Kompensacinis kondensatorius
QC = P(tan φ1 − tan φ2), C = QC/(ωV²)

LC rezonansas, kokybės faktorius ir juostos plotis

Savasis dažnis
ω0 = 1/√(LC), f0 = 1/(2π√(LC))
Energija
W = ½CV0² = ½Cv² + ½Li²
Didžiausia srovė
Imax = V0√(C/L)
Kokybės faktorius
Q = 2π·(energy stored)/(energy lost per cycle)
Nuoseklusis RLC
Q = (1/R)√(L/C), BW = R/(2πL)
Lygiagretusis RLC
Q = R√(C/L), BW = 1/(2πRC)
Juostos plotis
BW = f2 − f1 = f0/Q, f0 = √(f1f2)
Pusinės galios dažniai
f1,2 = f0(√(1 + 1/(4Q²)) ∓ 1/(2Q))
Virpesių kontūras su ritės varža r
RD = L/(C·r) = Q²·r
Amplitudės slopimas
e−Rt/(2L)

Metodas

  1. Pirmiausia raskite rezonansinį dažnį: ω₀ = 1/√(LC) ir f₀ = ω₀/(2π).
  2. Nuspręskite, ar grandinė nuosekliojo, ar lygiagrečiojo jungimo: nuosekliojo Q = (1/R)√(L/C), lygiagrečiojo Q = R√(C/L).
  3. Juostos plotį skaičiuokite BW = f₀/Q arba trumpesnėmis formulėmis R/(2πL) (nuoseklusis) ir 1/(2πRC) (lygiagretusis).
  4. Energijos uždaviniuose naudokite tai, kad idealioje LC grandinėje visa energija ½CV₀² išlieka pastovi ir kas ketvirtį periodo persikelia tarp C ir L.

Trifazė galia

Žvaigždės (Y) jungimas
VL = √3·Vph, IL = Iph
Trikampio (Δ) jungimas
VL = Vph, IL = √3·Iph
Bendra aktyvioji galia
P = √3·VL·IL·cos φ = 3·Iph²·R
Pilnutinė ir reaktyvioji galia
S = √3·VL·IL, Q = P·tan φ
Kompensavimo kondensatoriai
QC = P(tan φ1 − tan φ2), C = QC/(3ωV²)
Įtampa ant kiekvieno kondensatoriaus
Δ: VL Y: VL/√3
Variklio naudojama galia
Pin = Pout/η

RC ir RL pereinamieji procesai

Laiko konstanta
τ = RC | τ = L/R
Atsakas
x(t) = x(∞) + [x(0) − x(∞)]·e−t/τ
Kondensatorius esant nuolatinei srovei
atvira grandinė; vC negali kisti šuoliu
Ritė esant nuolatinei srovei
trumpasis jungimas; iL negali kisti šuoliu
Nusistovėjęs režimas
t ≈ 5τ

Metodas

  1. Raskite pradinę vertę iškart po perjungimo: kondensatoriaus įtampa ir ritės srovė negali kisti šuoliu.
  2. Raskite galutinę vertę praėjus ilgam laikui po perjungimo: kondensatorius veikia kaip atvira grandinė, ritė – kaip trumpasis jungimas.
  3. Raskite laiko konstantą: τ = RC arba τ = L/R, naudodami varžą, kurią „mato“ kondensatorius ar ritė.
  4. Naudokite x(t) = x(∞) + [x(0) − x(∞)]·e−t/τ.

Teveninas ir Nortonas

Tevenino įtampa
Vth = Vopen circuit
Tevenino varža
Rth: visi šaltiniai išjungti, žiūrint iš a–b
Nortono srovė
IN = Vth/Rth
Apkrovos srovė
IL = Vth/(Rth + RL)
Didžiausios galios perdavimas
RL = Rth, Pmax = Vth²/(4Rth)

Metodas

  1. Atjunkite apkrovą ir pažymėkite abu gnybtus a ir b.
  2. Raskite tuščiosios veikos įtampą tarp a ir b: tai Vth.
  3. Išjunkite visus nepriklausomus šaltinius ir raskite varžą, matomą iš a–b: tai Rth.
  4. Grąžinkite apkrovą į ekvivalentinę grandinę: Vth nuosekliai su Rth.
  5. Nortono ekvivalentui perskaičiuokite: IN = Vth/Rth, o RN = Rth lygiagrečiai.

2Uždaviniai

1.Kompleksiniai skaičiaiVidutinis
ReIm55−5−51010−10−10θz

Užrašykite z = −9 − j7 rodikline forma r·ejθ. Nurodykite θ radianais, tarp −π ir π.

z = −9 − j7
θ = rad
2.Kompleksiniai skaičiaiSunkus
ReIm11−1−122−2−2z₀z₁z₂z₃

Lygties zⁿ = w su n = 4 ir w = 16∠−90° šaknys yra zk = R1/n∠((φ + 360°·k)/n), k = 0, 1, 2, 3. Raskite z₂ realiąją dalį.

w = 16∠−90°n = 4k = 2
Re(z₂) =
3.Kintamosios srovės pilnutinė varža ir fazoriaiVidutinis
230 V500 HzR = 60 ΩL = 100 mHC = 100 µF

Nuosekli RLC grandinė prijungta prie 230 V (efektinė), 500 Hz maitinimo. Raskite pilnutinės varžos fazės kampą φ laipsniais (teigiamas, kai srovė atsilieka nuo įtampos).

V = 230 V (rms)f = 500 HzR = 60 ΩL = 100 mHC = 100 µF
φ = °
4.Kintamosios srovės pilnutinė varža ir fazoriaiSunkus
10 V100 HzR = 25 ΩL = 150 mHC = 22 µFI

Nuosekli RLC grandinė prijungta prie 10 V (efektinė), 100 Hz maitinimo. Raskite efektinę srovę I.

V = 10 V (rms)f = 100 HzR = 25 ΩL = 150 mHC = 22 µF
I = A
5.Kintamosios srovės galia ir galios koeficientasVidutinis
400 V129 kW, 0,85229 kW, 1I

Dvi apkrovos lygiagrečiai prijungtos prie 400 V vienfazio tinklo: 29 kW apkrova, kurios galios koeficientas 0,85 (induktyvus), ir 29 kW šildytuvas (galios koeficientas lygus vienetui). Raskite bendrą tinklo matomą galios koeficientą cos φ.

V = 400 VP1 = 29 kW, pf1 = 0,85 induktyvusP2 = 29 kW, pf2 = 1
cos φ =
6.Kintamosios srovės galia ir galios koeficientasSunkus
230 V60 Hzapkrova18 kW, 0,8C68 µFI

Vienfazė apkrova iš 230 V, 60 Hz tinklo ima 18 kW, kai galios koeficientas 0,8 (induktyvus). Lygiagrečiai apkrovai prijungiamas 68 µF kondensatorius. Raskite naują tinklo matomą galios koeficientą cos φ.

P = 18 kWpf1 = 0,8V = 230 Vf = 60 HzC = 68 µF
cos φ =
7.LC rezonansas, kokybės faktorius ir juostos plotisVidutinis
C = 22 nF+−7,2 VL = 47 mHiL​

22 nF kondensatorius, įkrautas iki 9 V, virpa su idealia 47 mH induktyvumo ritė. Raskite energiją WL, sukauptą induktyvumo ritėje tuo momentu, kai kondensatoriaus įtampa yra 7,2 V, vienetais nJ.

C = 22 nFV0 = 9 VvC = 7,2 V
WL = nJ
8.LC rezonansas, kokybės faktorius ir juostos plotisSunkus
V50 ΩLC = ?

Suprojektuokite nuosekliojo RLC filtrą, kurio bendra varža 50 Ω, rezonansinis dažnis 20 kHz, o juostos plotis 400 Hz. Raskite talpą C nF.

R = 50 Ωf0 = 20 kHzBW = 400 Hz
C = nF
9.Trifazė galiaVidutinis
ABCVL​ = 690 VIL​ = ?M11 kW, η = 94%cos φ = 0,85

Trifazis asinchroninis variklis esant vardinei apkrovai tiekia 11 kW mechaninės galios. Esant šiai apkrovai jo naudingumo koeficientas 94%, o galios koeficientas 0,85 (induktyvus). Tinklo linijinė įtampa 690 V. Raskite linijinę srovę IL.

Pout = 11 kWη = 94%cos φ = 0,85VL = 690 V
IL = A
10.Trifazė galiaSunkus
P = 100 kWφ1​S1​Q2​QC​

Simetrinė trifazė apkrova iš 690 V (linijinė įtampa), 50 Hz tinklo ima 100 kW, kai galios koeficientas 0,75 (induktyvus). Lygiagrečiai apkrovai prijungta trifazė kondensatorių baterija turi padidinti bendrą galios koeficientą iki 0,92 (induktyvus). Aktyvioji galia nekinta. Kondensatoriai sujungti žvaigžde. Raskite kiekvieno kondensatoriaus talpą Cph µF.

P = 100 kWpf1 = 0,75pf2 = 0,92VL = 690 Vf = 50 Hz
Cph = µF
11.RC ir RL pereinamieji procesaiVidutinis
+−Vs​9 Vt = 0R = 50 ΩL100 mHi(t)

Kol jungiklis neužsidarė momentu t = 0, rite srovė neteka. Po kiek laiko nuo jungiklio užsidarymo srovė pasiekia 50% galutinės vertės? Raskite t.

Vs = 9 VR = 50 ΩL = 100 mH
t = ms
12.RC ir RL pereinamieji procesaiSunkus
+−Vs​9 Vt = 0R = 1 kΩC22 µF+−vC​vC​(0) = 2 V

Prieš pat jungiklio užsidarymą momentu t = 0 kondensatoriaus įtampa yra 2 V su pažymėtu poliškumu. Per kiek laiko vC pasieks 5,5 V? Raskite t.

Vs = 9 VR = 1 kΩC = 22 µFvC(0) = 2 V
t = ms
13.Teveninas ir NortonasVidutinis
R1​ = 3 ΩR3​ = 20 Ω+−V1​30 VR2​6 ΩAab

Raskite Nortono srovę IN: srovę, tekančią iš a į b, kai gnybtai sujungti trumpai.

V1 = 30 VR1 = 3 ΩR2 = 6 ΩR3 = 20 Ω
IN = A
14.Teveninas ir NortonasSunkus
R1​ = 5 ΩR3​ = 30 Ω+−V1​30 VR2​5 ΩAIs​5 ABRL​5 ΩIL​

Prie a–b prijungta apkrova RL = 5 Ω. Naudodami Tevenino ekvivalentą raskite apkrovai tiekiamą galią PL.

V1 = 30 VIs = 5 AR1 = 5 ΩR2 = 5 ΩR3 = 30 ΩRL = 5 Ω
PL = W
15.Bode grafikai ir atsargosVidutinis
|H| (dB)0,10,111101010010010001000−40−200204060ω (rad/s)φ (°)ω (rad/s)−135−90−450ω = 5

Raskite G(s) = 33(s + 17)/(s(s + 7)) fazę ∠G(jω), kai ω = 5 rad/s, laipsniais.

G(s) = 33(s + 17)/(s(s + 7))ω = 5 rad/s
∠G(jω) = °
16.Bode grafikai ir atsargosSunkus
|H| (dB)0,10,1111010100100−80−60−40−2002040ω (rad/s)φ (°)ω (rad/s)−270−180−900ω180​

Vienetinio grįžtamojo ryšio kilpos atvirosios kilpos perdavimo funkcija yra L(s) = 48/(s(s + 2)(s + 6)). Raskite stiprinimo atsargą GM dB.

L(s) = 48/(s(s + 2)(s + 6))
GM = dB

3Tirpalai

1.Kompleksiniai skaičiai

Atsakymas: θ = −2,481 rad

Polinė forma: z = r∠θ = r(cos θ + j sin θ) = r·ejθ, kur r = |z| ir θ = arg z. Atgal į algebrinę formą: a = r cos θ, b = r sin θ. Argumentui reikia ketvirčio: θ = atan(b/a) tik kai a > 0; kai a < 0, pridėkite arba atimkite 180°. Polinėje formoje daugyba paprasta: modulius sudauginkite ir argumentus sudėkite; dalydami modulius padalykite, o argumentus atimkite.

Modulis

r = √(81 + 49) = 11,4

Argumentas radianais

θ = −142,1° = −142,1·π/180 = −2,481 rad

Rodiklinė forma

z = 11,4·e−j2,481

Atsakymas

θ = −2,481 rad
2.Kompleksiniai skaičiai

Atsakymas: Re(z₂) = −1,848

Muavro formulė ir šaknys: (r∠θ)ⁿ = rⁿ∠nθ. Lygtis zⁿ = R∠φ turi lygiai n šaknų, visų modulis R1/n, o argumentai (φ + 360°·k)/n, kai k = 0, 1, …, n − 1: jos tolygiai išsidėsčiusios apskritime, 360°/n atstumu viena nuo kitos. Kvadratinė lygtis z² + pz + q = 0, kai p² < 4q, turi kompleksines šaknis z = −p/2 ± j√(q − p²/4); daugianaris su realiais koeficientais kompleksines šaknis visada turi jungtinėmis poromis a ± jb.

Šaknų modulis

161/4 = 2

Šaknies argumentas

θ₂ = (−90° + 360°·2)/4 = 157,5°

Algebrinė forma

z₂ = 2·(cos 157,5° + j sin 157,5°) = −1,848 + j0,7654
Re(z₂) = −1,848

Atsakymas

Re(z₂) = −1,848

4 šaknys išsidėsčiusios 2 spindulio apskritime, 90° atstumu viena nuo kitos.

3.Kintamosios srovės pilnutinė varža ir fazoriai

Atsakymas: φ = 79,08 °

Kintamosios srovės grandinės ir fazoriai: rezistorių, ričių ir kondensatorių pilnutinės varžos yra R, jωL ir 1/(jωC), kur ω = 2πf. Nuosekliai pilnutinės varžos sumuojamos kaip varžos, tik kompleksiniais skaičiais. Efektinės srovė ir įtampa tenkina Omo dėsnį su |Z|.

Reaktyviosios varžos

ω = 2πf = 2π·500 = 3142 rad/s
XL = ωL = 3142·0,1 = 314,2 Ω
XC = 1/(ωC) = 1/(3142·100·10⁻⁶) = 3,183 Ω

Pilnutinė varža

Nuosekliai pilnutinės varžos sudedamos kaip kompleksiniai skaičiai: Z = R + j(XL − XC).

|Z| = √(R² + (XL − XC)²) = √(60² + (311)²) = 316,7 Ω

Fazės kampas

φ = arctan((XL − XC)/R) = arctan(311/60) = 79,08°

Atsakymas

φ = 79,08°
4.Kintamosios srovės pilnutinė varža ir fazoriai

Atsakymas: I = 0,3009 A

Kintamosios srovės grandinės ir fazoriai: rezistorių, ričių ir kondensatorių pilnutinės varžos yra R, jωL ir 1/(jωC), kur ω = 2πf. Nuosekliai pilnutinės varžos sumuojamos kaip varžos, tik kompleksiniais skaičiais. Efektinės srovė ir įtampa tenkina Omo dėsnį su |Z|.

Reaktyviosios varžos

ω = 2πf = 2π·100 = 628,3 rad/s
XL = ωL = 628,3·0,15 = 94,25 Ω
XC = 1/(ωC) = 1/(628,3·22·10⁻⁶) = 72,34 Ω

Pilnutinė varža

Nuosekliai pilnutinės varžos sudedamos kaip kompleksiniai skaičiai: Z = R + j(XL − XC).

|Z| = √(R² + (XL − XC)²) = √(25² + (21,9)²) = 33,24 Ω

Srovė

Visais nuoseklios grandinės elementais teka ta pati srovė.

I = V/|Z| = 10/33,24 = 0,3009 A

Atsakymas

I = 0,3009 A
5.Kintamosios srovės galia ir galios koeficientas

Atsakymas: cos φ = 0,9552

Kintamosios srovės galia: pilnutinė galia S = V·I (VA) skyla į aktyviąją galią P = S·cos φ (W), atliekančią naudingą darbą, ir reaktyviąją galią Q = S·sin φ (var), kuri svyruoja tarp šaltinio ir apkrovos. Galios koeficientas yra cos φ. Lygiagretus kondensatorius reaktyviąją galią tiekia vietoje, todėl esant tai pačiai aktyviajai galiai linijos srovė sumažėja.

Kiekvienos apkrovos reaktyvioji galia

Induktyvioji apkrova reaktyviąją galią ima (Q > 0); talpinė ją tiekia (Q < 0).

Q1 = 29·tan(arccos 0,85) = 17,97 kvar
Q2 = 0 = 0 kvar

Sumos

P = 29 + 29 = 58 kW
Q = 17,97 + 0 = 17,97 kvar
S = √(58² + 17,97²) = 60,72 kVA

Bendras galios koeficientas

cos φ = P/S = 58/60,72 = 0,9552 induktyvus

Atsakymas

cos φ = 0,9552
6.Kintamosios srovės galia ir galios koeficientas

Atsakymas: cos φ = 0,829

Kintamosios srovės galia: pilnutinė galia S = V·I (VA) skyla į aktyviąją galią P = S·cos φ (W), atliekančią naudingą darbą, ir reaktyviąją galią Q = S·sin φ (var), kuri svyruoja tarp šaltinio ir apkrovos. Galios koeficientas yra cos φ. Lygiagretus kondensatorius reaktyviąją galią tiekia vietoje, todėl esant tai pačiai aktyviajai galiai linijos srovė sumažėja.

Reaktyvioji galia prieš ir po

Aktyvioji galia P nesikeičia; keičiasi tik iš tinklo imama reaktyvioji galia.

Q1 = 18·tan(arccos 0,8) = 13,5 kvar
QC = V²·2πf·C = 230²·2π·60·68·10⁻⁶ = 1356 var = 1,356 kvar
Q2 = 13,5 − 1,356 = 12,14 kvar

Nauja pilnutinė galia

S2 = √(18² + 12,14²) = 21,71 kVA

Naujas galios koeficientas

cos φ = P/S2 = 18/21,71 = 0,829

Atsakymas

cos φ = 0,829
7.LC rezonansas, kokybės faktorius ir juostos plotis

Atsakymas: WL = 320,8 nJ

LC rezonansas: įkrautas kondensatorius, prijungtas prie induktyvumo ritės, varo srovę, kuri jį įkrauna priešinga kryptimi: energija svyruoja tarp C elektrinio lauko (½Cv²) ir L magnetinio lauko (½Li²) savuoju dažniu f0 = 1/(2π√(LC)). Be varžos visa energija ½CV0² išlieka pastovi, todėl didžiausia srovė yra Imax = V0√(C/L). Vienas periodas yra T = 1/f0; energija iš C į L pereina per ketvirtį jo.

Visa energija

½·2,2 × 10⁻⁸·9² = 8,91 × 10⁻⁷ J

Kondensatoriuje likusi energija

½·2,2 × 10⁻⁸·7,2² = 5,702 × 10⁻⁷ J

Energija induktyvumo ritėje

WL = 3,208 × 10⁻⁷ J = 320,8 nJ

Atsakymas

WL = 320,8 nJ
8.LC rezonansas, kokybės faktorius ir juostos plotis

Atsakymas: C = 3,183 nF

Kokybės faktorius ir juostos plotis: rezonansinėje grandinėje Q = 2π·(sukaupta energija)/(per ciklą prarasta energija). Nuosekliajam RLC Q = ω0L/R = (1/R)√(L/C); lygiagrečiajam RLC Q = R/(ω0L) = R√(C/L). Juostos plotis tarp pusinės galios dažnių f1 ir f2 (kuriuos esant galia yra perpus mažesnė, o srovė ar įtampa – 1/√2 didžiausios vertės) yra BW = f2 − f1 = f0/Q, t. y. R/(2πL) nuosekliajame ir 1/(2πRC) lygiagrečiajame jungime. Rezonansinis dažnis yra geometrinis vidurkis f0 = √(f1f2), o f1,2 = f0(√(1 + 1/(4Q²)) ∓ 1/(2Q)). Nuostoliai taip pat slopina virpesius: nuosekliajame RLC amplitudė mažėja kaip e−Rt/(2L).

Induktyvumas pagal juostos plotį

L = R/(2π·BW) = 50/(2π·400) = 0,01989 H

Talpa pagal rezonansinį dažnį

C = 1/((2π·20000)²·0,01989) = 3,183 × 10⁻⁹ F = 3,183 nF

Atsakymas

C = 3,183 nF

Q = f₀/BW = 50.

9.Trifazė galia

Atsakymas: IL = 11,52 A

Simetrinės trifazės sistemos: jungiant žvaigžde (Y) linijinė įtampa √3 karto didesnė už fazinę, VL = √3·Vph, o linijinė srovė lygi fazinei. Jungiant trikampiu (Δ) linijinė įtampa lygi fazinei, o linijinė srovė √3 karto didesnė už fazinę, IL = √3·Iph. Bendra galia tris kartus didesnė už vienos fazės galią: P = 3·Vph·Iph·cos φ = √3·VL·IL·cos φ.

Naudojama elektrinė galia

Pin = Pout/η = 11/0,94 = 11,7 kW

Linijos srovė

IL = Pin/(√3·VL·cos φ) = 11702/(√3·690·0,85) = 11,52 A

Atsakymas

IL = 11,52 A
10.Trifazė galia

Atsakymas: Cph = 304,8 µF

Simetrinės trifazės sistemos: jungiant žvaigžde (Y) linijinė įtampa √3 karto didesnė už fazinę, VL = √3·Vph, o linijinė srovė lygi fazinei. Jungiant trikampiu (Δ) linijinė įtampa lygi fazinei, o linijinė srovė √3 karto didesnė už fazinę, IL = √3·Iph. Bendra galia tris kartus didesnė už vienos fazės galią: P = 3·Vph·Iph·cos φ = √3·VL·IL·cos φ. Galios koeficiento gerinimas: kondensatoriai reaktyviąją galią tiekia vietoje, QC = P·(tan φ1 − tan φ2). Kiekvienas iš trijų kondensatorių tiekia QC/3 = V²·ω·C, kur V – įtampa ant to kondensatoriaus: trikampiu sujungtoje baterijoje VL, žvaigžde sujungtoje – VL/√3.

Reaktyvioji galia prieš ir po

Aktyvioji galia nekinta, todėl kiekvienas galios koeficientas nulemia reaktyviąją galią: Q = P·tan φ.

Q1 = 100·tan(acos 0,75) = 100·0,8819 = 88,19 kvar
Q2 = 100·tan(acos 0,92) = 100·0,426 = 42,6 kvar

Kondensatorių tiekiama reaktyvioji galia

QC = Q1 − Q2 = 45,59 kvar

Vienos fazės talpa

Žvaigžde sujungtoje baterijoje kiekvienas kondensatorius prijungtas tarp linijos ir žvaigždės taško.

V = 690/√3 = 398,4 V, ω = 2π·50 = 314,2 rad/s
Cph = (QC/3)/(ω·V²) = 15197/(314,2·398,4²) = 304,8 µF

Atsakymas

Cph = 304,8 µF
11.RC ir RL pereinamieji procesai

Atsakymas: t = 1,386 ms

Pirmos eilės pereinamieji procesai: grandinėje su vienu kondensatoriumi arba viena rite kiekviena įtampa ir srovė eksponentiškai kinta nuo pradinės iki galutinės vertės: x(t) = x(∞) + [x(0) − x(∞)]·e−t/τ, kur τ = RC arba τ = L/R. Po maždaug 5τ grandinė nusistovi.

Laiko konstanta ir galutinė srovė

Ilgai po jungiklio užsidarymo ritė elgiasi kaip trumpasis jungimas, todėl galutinę srovę lemia tik R.

τ = L/R = 100 mH / 50 Ω = 2 ms
i(∞) = Vs/R = 9/50 = 0,18 A

Išreiškite laiką

0,5 = 1 − e−t/τ → t = −τ·ln(1 − 0,5)
t = −2·ln(0,5) = 1,386 ms

Atsakymas

t = 1,386 ms
12.RC ir RL pereinamieji procesai

Atsakymas: t = 15,25 ms

Pirmos eilės pereinamieji procesai: grandinėje su vienu kondensatoriumi arba viena rite kiekviena įtampa ir srovė eksponentiškai kinta nuo pradinės iki galutinės vertės: x(t) = x(∞) + [x(0) − x(∞)]·e−t/τ, kur τ = RC arba τ = L/R. Po maždaug 5τ grandinė nusistovi.

Pradinė vertė, galutinė vertė, laiko konstanta

Kondensatoriaus įtampa negali pasikeisti šuoliu, todėl ji pradeda nuo sukauptos vertės ir artėja prie šaltinio įtampos.

vC(0) = 2 V, vC(∞) = Vs = 9 V
τ = R·C = 1 kΩ · 22 µF = 22 ms
vC(t) = 9 + (2 − 9)·e−t/τ

Išreiškite laiką

5,5 = 9 + (−7)·e−t/τ → e−t/τ = (5,5 − 9)/(2 − 9) = 0,5
t = τ·ln((2 − 9)/(5,5 − 9)) = 22·ln(2) = 15,25 ms

Atsakymas

t = 15,25 ms
13.Teveninas ir Nortonas

Atsakymas: IN = 0,9091 A

Tevenino teorema: bet kuris tiesinis dvipolis tinklas elgiasi kaip vienas įtampos šaltinis Vth, nuosekliai sujungtas su varža Rth. Nortono teorema tą patį tinklą pateikia kaip srovės šaltinį IN = Vth/Rth, lygiagretų su Rth.

R1​ = 3 ΩR3​ = 20 ΩTRUMPAS JUNGIMASR2​6 ΩAabRth​

Raskite Rth, išjungę visus šaltinius

Įtampos šaltinius pakeiskite trumpaisiais jungimais, srovės šaltinius – atvira grandine, tada žiūrėkite į grandinę iš a–b.

R1 ∥ R2 = 3·6/(3+6) = 2 Ω
Rth = (R1 ∥ R2) + R3 = 2 + 20 = 22 Ω
R1​ = 3 ΩR3​ = 20 Ω+−V1​30 VR2​6 ΩAab+−Vth​

Raskite Vth – tuščiosios veikos įtampą

Kai a–b atviri, per R₃ srovė neteka, todėl ant jo nėra įtampos kritimo ir V_b = V_A. R₁ ir R₂ sudaro įtampos daliklį.

Vth = V1·R2/(R1+R2) = 30·6/(3+6) = 20 V
IN​0,9091 ARth​22 Ωab

Nortono ekvivalentas

Nortono šaltinis – ta pati grandinė, matoma kaip srovės šaltinis lygiagrečiai su R_th. Jo srovė yra trumpojo jungimo srovė tarp a–b.

IN = Vth/Rth = 20/22 = 0,9091 A
14.Teveninas ir Nortonas

Atsakymas: PL = 112 W

Tevenino teorema: bet kuris tiesinis dvipolis tinklas elgiasi kaip vienas įtampos šaltinis Vth, nuosekliai sujungtas su varža Rth. Nortono teorema tą patį tinklą pateikia kaip srovės šaltinį IN = Vth/Rth, lygiagretų su Rth.

R1​ = 5 ΩR3​ = 30 ΩTRUMPAS JUNGIMASR2​5 ΩAATVIRABabRth​

Raskite Rth, išjungę visus šaltinius

Įtampos šaltinius pakeiskite trumpaisiais jungimais, srovės šaltinius – atvira grandine, tada žiūrėkite į grandinę iš a–b.

R1 ∥ R2 = 5·5/(5+5) = 2,5 Ω
Rth = (R1 ∥ R2) + R3 = 2,5 + 30 = 32,5 Ω
R1​ = 5 ΩR3​ = 30 Ω+−V1​30 VR2​5 ΩAIs​5 ABab+−Vth​

Raskite Vth – tuščiosios veikos įtampą

Kai a–b atviri, vienintelis kelias Iₛ yra per R₃ į mazgą A. Raskite V_A superpozicija iš V₁ ir Iₛ, tada pridėkite įtampos kritimą ant R₃.

VA = V1·R2/(R1+R2) + Is·(R1∥R2) = 15 + 5·2,5 = 27,5 V
Vth = VB = VA + Is·R3 = 27,5 + 5·30 = 177,5 V
Rth​ = 32,5 Ω+−Vth​177,5 VRL​5 ΩIL​

Prijunkite apkrovą prie Tevenino ekvivalento

Tevenino šaltinis ir nuoseklus R_th gnybtuose a–b elgiasi lygiai kaip pradinė grandinė, todėl apkrova mato paprastą nuoseklų kontūrą.

IL = Vth/(Rth + RL) = 177,5/(32,5 + 5) = 4,733 A
PL = IL²·RL = 4,733²·5 = 112 W
15.Bode grafikai ir atsargos

Atsakymas: ∠G(jω) = −109,1 °

Dažninė charakteristika: perdavimo funkcijoje įrašykite s = jω. Modulis decibelais yra 20·log₁₀|H(jω)|, o fazė yra skaitiklio dauginamųjų kampų suma minus vardiklio dauginamųjų kampų suma. Pirmos eilės RC ar RL filtras turi lūžio (−3 dB) dažnį ωc = 1/(RC) arba R/L, o fc = ωc/(2π); žemųjų dažnių filtras duoda |H| = 1/√(1 + (ω/ωc)²) ir φ = −atan(ω/ωc). Asimptotiniame (tiesių atkarpų) Bode grafike kiekvienas polius sulenkia modulį žemyn 20 dB/dekadai ties savo lūžio dažniu, kiekvienas nulis sulenkia jį aukštyn 20 dB/dekadai, o integratorius 1/s visais dažniais duoda −20 dB/dekadai. Stiprinimo kirtimo dažnis ωc: |L(jω)| = 1 (0 dB); fazės atsarga PM = 180° + ∠L(jωc). Fazės kirtimo dažnis ω180: ∠L(jω) = −180°; stiprinimo atsarga GM = −20·log₁₀|L(jω180)| dB. Uždaroji kilpa stabili, kai abi atsargos teigiamos.

Sudėkite kampus

∠G = atan(5/17) − 90° − atan(5/7) = 16,39° − 90° − 35,54°

Rezultatas

∠G(j5) = −109,1°

Atsakymas

∠G(jω) = −109,1°
16.Bode grafikai ir atsargos

Atsakymas: GM = 6,021 dB

Dažninė charakteristika: perdavimo funkcijoje įrašykite s = jω. Modulis decibelais yra 20·log₁₀|H(jω)|, o fazė yra skaitiklio dauginamųjų kampų suma minus vardiklio dauginamųjų kampų suma. Pirmos eilės RC ar RL filtras turi lūžio (−3 dB) dažnį ωc = 1/(RC) arba R/L, o fc = ωc/(2π); žemųjų dažnių filtras duoda |H| = 1/√(1 + (ω/ωc)²) ir φ = −atan(ω/ωc). Asimptotiniame (tiesių atkarpų) Bode grafike kiekvienas polius sulenkia modulį žemyn 20 dB/dekadai ties savo lūžio dažniu, kiekvienas nulis sulenkia jį aukštyn 20 dB/dekadai, o integratorius 1/s visais dažniais duoda −20 dB/dekadai. Stiprinimo kirtimo dažnis ωc: |L(jω)| = 1 (0 dB); fazės atsarga PM = 180° + ∠L(jωc). Fazės kirtimo dažnis ω180: ∠L(jω) = −180°; stiprinimo atsarga GM = −20·log₁₀|L(jω180)| dB. Uždaroji kilpa stabili, kai abi atsargos teigiamos.

Fazės kirtimas

(ω/2)·(ω/6) = 1 → ω180 = √(2·6) = 3,464 rad/s

Modulis ties fazės kirtimu

|L(jω180)| = K/(ω·√(ω² + 4)·√(ω² + 36)) = K/(2·6·(2 + 6)) = K/96

Stiprinimo atsarga

GM = 20·log₁₀(96/48) = 6,021 dB

Atsakymas

GM = 6,021 dB

ExamProblems · examproblems.com/courses/circuit-analysis-2