Tiga cabang disambungkan antara nod A dengan bumi, seperti yang ditunjukkan. Gunakan analisis nod untuk mencari arus I2 dalam cabang 2, yang mengalir ke atas masuk ke nod A mengikut arah anak panah.
V1 = 30 VR1 = 12 ΩV2 = 24 VR2 = 20 ΩR3 = 2 Ω
I2 = A
4.Analisis nodSukar
Sumber arus dilaraskan sehingga voltan nod pada A ialah VA = 26.5 V. Gunakan analisis nod untuk mencari arus sumber Is (arah seperti yang ditunjukkan).
Cari voltan Thévenin Vth yang dilihat dari terminal a–b.
V1 = 9 VR1 = 20 ΩR2 = 20 ΩR3 = 6 Ω
Vth = V
6.Thévenin & NortonSukar
Cari arus Norton IN: arus yang mengalir dari a ke b jika terminal dilitar pintaskan.
V1 = 5 VIs = 4 AR1 = 25 ΩR2 = 5 ΩR3 = 15 Ω
IN = A
7.Fana RC & RLSederhana
Induktor tidak membawa arus sebelum suis ditutup pada t = 0. Berapa lama selepas suis ditutup arus mencapai 75% daripada nilai akhirnya? Cari t.
Vs = 5 VR = 100 ΩL = 150 mH
t = ms
8.Fana RC & RLSukar
Suis merentasi R2 telah dibuka untuk masa yang lama, maka arus induktor mantap. Pada t = 0 suis ditutup dan memintaskan R2. Cari arus induktor i pada t = 10 ms.
Vs = 12 VR1 = 15 ΩR2 = 20 ΩL = 100 mHt = 10 ms
i = A
9.Impedans AU & fasorSederhana
Litar RLC bersiri disambungkan kepada bekalan 12 V (rms), 60 Hz. Cari sudut fasa φ impedans, dalam darjah (positif apabila arus ketinggalan daripada voltan).
V = 12 V (rms)f = 60 HzR = 25 ΩL = 250 mHC = 22 µF
φ = °
10.Impedans AU & fasorSukar
Litar RLC bersiri disambungkan kepada bekalan 10 V (rms), 100 Hz. Cari frekuensi salunan f0 litar itu.
V = 10 V (rms)f = 100 HzR = 40 ΩL = 100 mHC = 4.7 µF
f0 = Hz
11.Kuasa AU & faktor kuasaSederhana
Satu motor fasa tunggal mengambil 21 kW pada faktor kuasa 0.9 ketinggalan daripada bekalan 400 V. Cari arus talian I.
P = 21 kWpf = 0.9V = 400 V
I = A
12.Kuasa AU & faktor kuasaSukar
Satu beban fasa tunggal mengambil 11 kW pada faktor kuasa 0.65 ketinggalan daripada bekalan 230 V, 60 Hz. Kapasitor 220 µF disambung selari dengan beban itu. Cari faktor kuasa baharu cos φ yang dilihat oleh bekalan.
P = 11 kWpf1 = 0.65V = 230 Vf = 60 HzC = 220 µF
cos φ =
13.Kuasa tiga fasaSederhana
Satu motor aruhan tiga fasa menghasilkan 55 kW kuasa keluaran mekanikal pada beban penuh. Pada beban ini kecekapannya 92% dan faktor kuasanya 0.9 ketinggalan. Bekalan mempunyai voltan antara talian 690 V. Cari arus talian IL.
Pout = 55 kWη = 92%cos φ = 0.9VL = 690 V
IL = A
14.Kuasa tiga fasaSukar
Satu beban tiga fasa seimbang mengambil 60 kW pada faktor kuasa 0.8 ketinggalan daripada bekalan 400 V (antara talian), 50 Hz. Satu bank kapasitor tiga fasa secara selari dengan beban mesti menaikkan faktor kuasa keseluruhan kepada 0.98 ketinggalan. Kuasa nyata kekal sama. Kapasitor disambung secara Y. Cari kapasitans Cph setiap kapasitor dalam µF.
P = 60 kWpf1 = 0.8pf2 = 0.98VL = 400 Vf = 50 Hz
Cph = µF
15.PengubahSederhana
Satu penguat dengan rintangan keluaran 256 Ω memacu pembesar suara 16 Ω melalui pengubah unggul. Untuk pemindahan kuasa maksimum, pembesar suara mesti kelihatan seperti 256 Ω dari penguat. Cari nisbah belitan a = N₁/N₂.
Rs = 256 ΩRL = 16 Ω
a =
16.PengubahSukar
Satu pengubah fasa tunggal 500 kVA mempunyai kehilangan teras 2000 W dan kehilangan kuprum 6000 W pada beban terkadar. Pada beban Sη,max berapakah, dalam kVA, kecekapannya paling tinggi?
S = 500 kVAPcore = 2000 WPcu,fl = 6000 W
Sη,max = kVA
3Larutan
1.Perintang bersiri & selari
Jawapan: Req = 14.62 Ω
Perintang bersiri dan selari: dalam sambungan bersiri arus yang sama mengalir melalui setiap perintang dan R = R₁ + R₂ + …. Dalam sambungan selari setiap perintang mempunyai voltan yang sama dan 1/R = 1/R₁ + 1/R₂ + …. Rangkaian tangga dipermudahkan sepasang demi sepasang sehingga tinggal satu rintangan setara.
Gabungkan perintang dari hujung yang jauh
Mulakan dari hujung yang paling jauh daripada sumber dan bergerak balik ke arahnya. Perintang yang membawa arus yang sama adalah bersiri; perintang merentasi dua nod yang sama adalah selari.
R3 + R4 = 4 + 2 = 6 Ω
R2 ∥ 6 = 20·6/(20+6) = 4.615 Ω
Req = R1 + 4.615 = 10 + 4.615 = 14.62 Ω
Jawapan
Req = 14.62 Ω
2.Perintang bersiri & selari
Jawapan: IR1 = 1.987 A
Perintang bersiri dan selari: dalam sambungan bersiri arus yang sama mengalir melalui setiap perintang dan R = R₁ + R₂ + …. Dalam sambungan selari setiap perintang mempunyai voltan yang sama dan 1/R = 1/R₁ + 1/R₂ + …. Rangkaian tangga dipermudahkan sepasang demi sepasang sehingga tinggal satu rintangan setara.
Gabungkan perintang dari hujung yang jauh
Mulakan dari hujung yang paling jauh daripada sumber dan bergerak balik ke arahnya. Perintang yang membawa arus yang sama adalah bersiri; perintang merentasi dua nod yang sama adalah selari.
R5 + R6 = 6 + 3 = 9 Ω
R4 ∥ 9 = 3.214 Ω
R3 + 3.214 = 15.21 Ω
R2 ∥ 15.21 = 10.09 Ω
Req = R1 + 10.09 = 5 + 10.09 = 15.09 Ω
Arus daripada sumber
Sumber hanya melihat Req, jadi hukum Ohm memberikan arus yang dibekalkannya. Arus itu mengalir melalui R₁.
IR1 = V1/Req = 30/15.09 = 1.987 A
Jawapan
IR1 = 1.987 A
3.Analisis nod
Jawapan: I2 = 0.9079 A
Analisis nod: pilih nod rujukan, labelkan voltan nod yang tidak diketahui, tulis hukum arus Kirchhoff pada setiap nod yang tidak diketahui menggunakan hukum Ohm (I = ΔV/R), dan selesaikan persamaan yang terhasil.
HAK pada nod A
Ambil wayar bawah sebagai bumi. Setiap cabang membawa (VA − Vk)/Rk menjauhi A, dengan Vk ialah voltan sumbernya (sifar bagi perintang biasa). Arus yang meninggalkan A berjumlah sifar.
(VA − 30)/12 + (VA − 24)/20 + VA/2 = 0
Selesaikan untuk VA
VA = (30/12 + 24/20 + 0/2) / (1/12 + 1/20 + 1/2) = 3.7/0.6333 = 5.842 V
Arus cabang
Anak panah menghala ke atas melalui cabang, ke dalam nod A.
I2 = (24 − VA)/R2 = (24 − 5.842)/20 = 0.9079 A
Jawapan
I2 = 0.9079 A
Hasil negatif bermaksud arus sebenar mengalir bertentangan dengan anak panah.
4.Analisis nod
Jawapan: Is = 2.412 A
Analisis nod: pilih nod rujukan, labelkan voltan nod yang tidak diketahui, tulis hukum arus Kirchhoff pada setiap nod yang tidak diketahui menggunakan hukum Ohm (I = ΔV/R), dan selesaikan persamaan yang terhasil.
HAK pada nod A
VA diketahui, maka persamaan ini memberikan VB.
(VA − V1)/R1 + VA/R2 + (VA − VB)/R3 = 0
(26.5 − 36)/3 + 26.5/25 = (VB − 26.5)/4
−2.107 = (VB − 26.5)/4 → VB = 18.07 V
HAK pada nod B
Arus yang meninggalkan B melalui perintang sama dengan arus yang ditolak masuk ke B oleh sumber.
Is = (VB − VA)/R3 + VB/R4 = (18.07 − 26.5)/4 + 18.07/4 = 2.412 A
Jawapan
Is = 2.412 A
5.Thévenin & Norton
Jawapan: Vth = 4.5 V
Teorem Thévenin: mana-mana rangkaian linear dua terminal berkelakuan seperti satu sumber voltan Vth secara bersiri dengan rintangan Rth. Teorem Norton memberikan rangkaian yang sama sebagai sumber arus IN = Vth/Rth selari dengan Rth.
Cari Rth dengan semua sumber dimatikan
Gantikan sumber voltan dengan litar pintas dan sumber arus dengan litar buka, kemudian lihat ke dalam litar dari a–b.
R1 ∥ R2 = 20·20/(20+20) = 10 Ω
Rth = (R1 ∥ R2) + R3 = 10 + 6 = 16 Ω
Cari Vth, voltan litar buka
Dengan a–b terbuka, tiada arus mengalir melalui R₃, jadi tiada susutan merentasinya dan V_b = V_A. R₁ dan R₂ membentuk pembahagi voltan.
Vth = V1·R2/(R1+R2) = 9·20/(20+20) = 4.5 V
6.Thévenin & Norton
Jawapan: IN = 4.043 A
Teorem Thévenin: mana-mana rangkaian linear dua terminal berkelakuan seperti satu sumber voltan Vth secara bersiri dengan rintangan Rth. Teorem Norton memberikan rangkaian yang sama sebagai sumber arus IN = Vth/Rth selari dengan Rth.
Cari Rth dengan semua sumber dimatikan
Gantikan sumber voltan dengan litar pintas dan sumber arus dengan litar buka, kemudian lihat ke dalam litar dari a–b.
R1 ∥ R2 = 25·5/(25+5) = 4.167 Ω
Rth = (R1 ∥ R2) + R3 = 4.167 + 15 = 19.17 Ω
Cari Vth, voltan litar buka
Dengan a–b terbuka, satu-satunya laluan untuk Iₛ ialah melalui R₃ ke nod A. Cari V_A dengan superposisi V₁ dan Iₛ, kemudian tambah susutan merentasi R₃.
VA = V1·R2/(R1+R2) + Is·(R1∥R2) = 0.8333 + 4·4.167 = 17.5 V
Vth = VB = VA + Is·R3 = 17.5 + 4·15 = 77.5 V
Setara Norton
Sumber Norton ialah litar yang sama dilihat sebagai sumber arus selari dengan R_th. Arusnya ialah arus litar pintas pada a–b.
IN = Vth/Rth = 77.5/19.17 = 4.043 A
7.Fana RC & RL
Jawapan: t = 2.079 ms
Fana peringkat pertama: dalam litar dengan satu kapasitor atau satu induktor, setiap voltan dan arus bergerak secara eksponen daripada nilai awalnya kepada nilai akhirnya: x(t) = x(∞) + [x(0) − x(∞)]·e−t/τ, dengan τ = RC atau τ = L/R. Selepas kira-kira 5τ litar telah mantap.
Pemalar masa dan arus akhir
Lama selepas suis ditutup, induktor berkelakuan seperti litar pintas, jadi arus akhir ditentukan oleh R sahaja.
τ = L/R = 150 mH / 100 Ω = 1.5 ms
i(∞) = Vs/R = 5/100 = 0.05 A
Selesaikan untuk masa
0.75 = 1 − e−t/τ → t = −τ·ln(1 − 0.75)
t = −1.5·ln(0.25) = 2.079 ms
Jawapan
t = 2.079 ms
8.Fana RC & RL
Jawapan: i = 0.698 A
Fana peringkat pertama: dalam litar dengan satu kapasitor atau satu induktor, setiap voltan dan arus bergerak secara eksponen daripada nilai awalnya kepada nilai akhirnya: x(t) = x(∞) + [x(0) − x(∞)]·e−t/τ, dengan τ = RC atau τ = L/R. Selepas kira-kira 5τ litar telah mantap.
Nilai awal, nilai akhir, pemalar masa
Sebelum t = 0 kedua-dua perintang berada dalam gelung; selepas itu suis yang tertutup memintaskan R₂.
i(0) = 12/(15 + 20) = 0.3429 A
i(∞) = 12/15 = 0.8 A
τ = L/R = 100/15 = 6.667 ms
i(t) = 0.8 + (0.3429 − 0.8)·e−t/τ
Arus pada masa yang diberi
i(10) = 0.8 + (−0.4571)·e−10/6.667 = 0.698 A
Jawapan
i = 0.698 A
9.Impedans AU & fasor
Jawapan: φ = −46.48 °
Litar AU dengan fasor: perintang, induktor dan kapasitor mempunyai impedans R, jωL dan 1/(jωC), dengan ω = 2πf. Dalam sambungan bersiri, impedans ditambah seperti rintangan, tetapi sebagai nombor kompleks. Arus dan voltan rms mengikut hukum Ohm dengan |Z|.
Reaktans
ω = 2πf = 2π·60 = 377 rad/s
XL = ωL = 377·0.25 = 94.25 Ω
XC = 1/(ωC) = 1/(377·22·10⁻⁶) = 120.6 Ω
Impedans
Dalam sambungan bersiri impedans ditambah sebagai nombor kompleks: Z = R + j(XL − XC).
Litar AU dengan fasor: perintang, induktor dan kapasitor mempunyai impedans R, jωL dan 1/(jωC), dengan ω = 2πf. Dalam sambungan bersiri, impedans ditambah seperti rintangan, tetapi sebagai nombor kompleks. Arus dan voltan rms mengikut hukum Ohm dengan |Z|.
Salunan
Pada salunan, reaktans induktif dan kapasitif saling membatalkan: ωL = 1/(ωC). Frekuensi bekalan tidak penting.
Kuasa AU: kuasa ketara S = V·I (VA) terpecah kepada kuasa nyata P = S·cos φ (W), yang melakukan kerja berguna, dan kuasa reaktif Q = S·sin φ (var), yang bergerak ulang-alik antara sumber dan beban. Faktor kuasa ialah cos φ. Kapasitor secara selari membekalkan kuasa reaktif secara setempat, jadi arus talian menurun untuk kuasa nyata yang sama.
Arus talian
Hanya bahagian nyata kuasa yang melakukan kerja, jadi bahagikan dengan faktor kuasa.
I = P/(V·cos φ) = 21000/(400·0.9) = 58.33 A
Jawapan
I = 58.33 A
12.Kuasa AU & faktor kuasa
Jawapan: cos φ = 0.7922
Kuasa AU: kuasa ketara S = V·I (VA) terpecah kepada kuasa nyata P = S·cos φ (W), yang melakukan kerja berguna, dan kuasa reaktif Q = S·sin φ (var), yang bergerak ulang-alik antara sumber dan beban. Faktor kuasa ialah cos φ. Kapasitor secara selari membekalkan kuasa reaktif secara setempat, jadi arus talian menurun untuk kuasa nyata yang sama.
Kuasa reaktif sebelum dan selepas
Kuasa nyata P tidak berubah; hanya kuasa reaktif yang diambil daripada bekalan berubah.
Q1 = 11·tan(arccos 0.65) = 12.86 kvar
QC = V²·2πf·C = 230²·2π·60·220·10⁻⁶ = 4387 var = 4.387 kvar
Q2 = 12.86 − 4.387 = 8.473 kvar
Kuasa ketara baharu
S2 = √(11² + 8.473²) = 13.88 kVA
Faktor kuasa baharu
cos φ = P/S2 = 11/13.88 = 0.7922
Jawapan
cos φ = 0.7922
13.Kuasa tiga fasa
Jawapan: IL = 55.58 A
Sistem tiga fasa seimbang: dalam sambungan Y (bintang) voltan antara talian ialah √3 kali voltan fasa, VL = √3·Vph, dan arus talian sama dengan arus fasa. Dalam sambungan Δ (delta) voltan antara talian sama dengan voltan fasa dan arus talian ialah √3 kali arus fasa, IL = √3·Iph. Jumlah kuasa ialah tiga kali kuasa satu fasa: P = 3·Vph·Iph·cos φ = √3·VL·IL·cos φ.
Kuasa masukan elektrik
Pin = Pout/η = 55/0.92 = 59.78 kW
Arus talian
IL = Pin/(√3·VL·cos φ) = 59783/(√3·690·0.9) = 55.58 A
Jawapan
IL = 55.58 A
14.Kuasa tiga fasa
Jawapan: Cph = 652.9 µF
Sistem tiga fasa seimbang: dalam sambungan Y (bintang) voltan antara talian ialah √3 kali voltan fasa, VL = √3·Vph, dan arus talian sama dengan arus fasa. Dalam sambungan Δ (delta) voltan antara talian sama dengan voltan fasa dan arus talian ialah √3 kali arus fasa, IL = √3·Iph. Jumlah kuasa ialah tiga kali kuasa satu fasa: P = 3·Vph·Iph·cos φ = √3·VL·IL·cos φ. Pembetulan faktor kuasa: kapasitor membekalkan kuasa reaktif secara setempat, QC = P·(tan φ1 − tan φ2). Setiap satu daripada tiga kapasitor membekalkan QC/3 = V²·ω·C, dengan V ialah voltan merentasi kapasitor itu: VL dalam bank Δ, VL/√3 dalam bank Y.
Kuasa reaktif sebelum dan selepas
Kuasa nyata tidak berubah, jadi setiap faktor kuasa menentukan kuasa reaktif: Q = P·tan φ.
Q1 = 60·tan(acos 0.8) = 60·0.75 = 45 kvar
Q2 = 60·tan(acos 0.98) = 60·0.2031 = 12.18 kvar
Kuasa reaktif daripada kapasitor
QC = Q1 − Q2 = 32.82 kvar
Kapasitans setiap fasa
Dalam bank Y setiap kapasitor disambung antara talian dan titik bintang.
Pengubah unggul: voltan berada dalam nisbah belitan dan arus dalam nisbah songsang: V₁/V₂ = N₁/N₂ = a dan I₁/I₂ = N₂/N₁ = 1/a, jadi kuasa masuk sama dengan kuasa keluar, V₁·I₁ = V₂·I₂. Impedans beban Z pada sekunder kelihatan seperti a²·Z dari primer.
Padankan beban terrujuk
a²·16 = 256
a = √(256/16) = √16 = 4
Jawapan
a = 4
16.Pengubah
Jawapan: Sη,max = 288.7 kVA
Kehilangan pengubah: kehilangan teras (histeresis dan arus pusar) bergantung pada voltan dan sama pada sebarang beban. Kehilangan kuprum dalam lilitan mengikut kuasa dua arus, jadi pada pecahan x beban terkadar ia ialah x²·Pcu,fl. Kecekapan η = Pout/(Pout + Pcore + Pcu), dengan Pout = x·S·pf. Kecekapan paling tinggi pada beban di mana kehilangan kuprum sama dengan kehilangan teras.