Sumber voltan Vₛ antara A dan B mempunyai terminal + pada B, maka ia menjadikan VB − VA = Vₛ. Gunakan analisis nod dengan supernod untuk mencari voltan nod VA (diukur daripada bumi).
Satu beban RL = 4 Ω disambungkan merentasi a–b. Gantikan bahagian litar yang lain dengan setara Thévenin dan cari arus beban IL.
V1 = 9 VR1 = 15 ΩR2 = 3 ΩR3 = 2 ΩRL = 4 Ω
IL = A
6.Thévenin & NortonSukar
Cari voltan Thévenin Vth yang dilihat dari terminal a–b.
V1 = 6 VIs = 0.5 AR1 = 30 ΩR2 = 4 ΩR3 = 4 Ω
Vth = V
7.Fana RC & RLSederhana
Induktor membawa arus mantap 1.5 A. Pada t = 0 suis menutup gelung melalui R dan sumber dialihkan, maka arus induktor mereput melalui R. Cari arus i pada t = 5 ms.
i(0) = 1.5 AR = 10 ΩL = 22 mHt = 5 ms
i = A
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 = 1 ms.
Vs = 6 VR1 = 33 ΩR2 = 33 ΩL = 47 mHt = 1 ms
i = A
9.Impedans AU & fasorSederhana
Litar RLC bersiri disambungkan kepada bekalan 12 V (rms), 100 Hz. Cari sudut fasa φ impedans, dalam darjah (positif apabila arus ketinggalan daripada voltan).
V = 12 V (rms)f = 100 HzR = 40 ΩL = 20 mHC = 10 µF
φ = °
10.Impedans AU & fasorSukar
Litar RLC siri mempunyai R = 50 Ω, L = 200 mH dan C = 10 µF. Cari lebar jalurnya B (lebar jalur antara frekuensi separuh kuasa), dalam Hz.
R = 50 ΩL = 200 mHC = 10 µF
B = Hz
11.Kuasa AU & faktor kuasaSederhana
Satu motor fasa tunggal mengambil 1 kW pada faktor kuasa 0.6 ketinggalan daripada bekalan 230 V. Cari kuasa reaktif Q yang diambilnya.
P = 1 kWpf = 0.6V = 230 V
Q = kvar
12.Kuasa AU & faktor kuasaSukar
Sumber 12 V (rms), 50 Hz mempunyai impedans dalaman Zs = 4 + j40 Ω. Impedans beban ZL boleh dipilih dengan bebas. Beban untuk kuasa maksimum dibina daripada perintang secara siri dengan kapasitor. Cari kemuatan C.
Vs = 12 V (rms)f = 50 HzZs = 4 + j40 Ω
C = µF
13.Kuasa tiga fasaSederhana
Satu beban bersambung Y yang seimbang dengan impedans 12 + j16 Ω setiap fasa disambung kepada bekalan tiga fasa seimbang dengan voltan antara talian 480 V. Cari jumlah kuasa nyata P yang diserap oleh beban dalam kW.
VL = 480 VZ = 12 + j16 Ω setiap fasa
P = kW
14.Kuasa tiga fasaSukar
Satu beban tiga fasa seimbang mengambil 120 kW pada faktor kuasa 0.65 ketinggalan daripada bekalan 400 V (antara talian), 50 Hz. Satu bank kapasitor tiga fasa secara selari dengan beban mesti menaikkan faktor kuasa keseluruhan kepada 0.92 ketinggalan. Kuasa nyata kekal sama. Kapasitor disambung secara Y. Cari kapasitans Cph setiap kapasitor dalam µF.
P = 120 kWpf1 = 0.65pf2 = 0.92VL = 400 Vf = 50 Hz
Cph = µF
15.PengubahSederhana
Satu perintang 16 Ω disambung merentasi lilitan sekunder pengubah unggul dengan nisbah belitan N₁:N₂ = 4:1. Cari rintangan R1′ yang dilihat dari lilitan primer.
N1:N2 = 4:1RL = 16 Ω
R1′ = Ω
16.PengubahSukar
Satu pengubah fasa tunggal 75 kVA mempunyai kehilangan teras 225 W dan kehilangan kuprum 562.5 W pada beban terkadar. Pada beban Sη,max berapakah, dalam kVA, kecekapannya paling tinggi?
S = 75 kVAPcore = 225 WPcu,fl = 562.5 W
Sη,max = kVA
3Larutan
1.Perintang bersiri & selari
Jawapan: Req = 18.06 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 = 15 + 10 = 25 Ω
R2 ∥ 25 = 8·25/(8+25) = 6.061 Ω
Req = R1 + 6.061 = 12 + 6.061 = 18.06 Ω
Jawapan
Req = 18.06 Ω
2.Perintang bersiri & selari
Jawapan: Req = 9.867 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.
R5 + R6 = 10 + 3 = 13 Ω
R4 ∥ 13 = 7.879 Ω
R3 + 7.879 = 10.88 Ω
R2 ∥ 10.88 = 3.867 Ω
Req = R1 + 3.867 = 6 + 3.867 = 9.867 Ω
Jawapan
Req = 9.867 Ω
3.Analisis nod
Jawapan: VA = 3.644 V
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.
Sediakan nod
Bumi ialah wayar bawah. Voltan nod yang diketahui datang terus daripada sumber (V1 = 15 V). Yang tidak diketahui: VA, VB.
KCL pada nod A
Arus yang meninggalkan A melalui perintang sama dengan arus yang ditolak masuk ke A oleh sumber.
VA/R2 + (VA − V1)/R1 + (VA − VB)/R3 = 0
VA/2 + (VA − 15)/10 + (VA − VB)/10 = 0
0.7·VA − 0.1·VB = 1.5
KCL pada nod B
Arus yang meninggalkan B melalui perintang sama dengan arus yang ditolak masuk ke B oleh sumber.
VB/R4 + (VB − VA)/R3 = Is
VB/8 + (VB − VA)/10 = 2
−0.1·VA + 0.225·VB = 2
Selesaikan
Δ = (0.7)(0.225) − (−0.1)(−0.1) = 0.1475
VA = Δ1/Δ = 0.5375/0.1475 = 3.644 V
VB = Δ2/Δ = 1.55/0.1475 = 10.51 V
Jawapan
VA = 3.644 V
4.Analisis nod
Jawapan: VA = 15.3 V
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.
Bentuk supernod
Sumber voltan antara A dan B membawa arus yang tidak diketahui, maka HAK tidak boleh ditulis pada A atau B secara berasingan. Kepung A, B dan sumber dalam satu supernod: arus yang memasukinya sama dengan arus yang meninggalkannya.
VB = VA + 8
(VA − V1)/R1 + VA/R2 + VB/R3 = Is
Selesaikan
(VA − 24)/20 + VA/6 + (VA + 8)/6 = 6
VA·(1/20 + 1/6 + 1/6) = 6 + 24/20 − 8/6 = 5.867
VA = 5.867/0.3833 = 15.3 V
VB = 23.3 V
Jawapan
VA = 15.3 V
5.Thévenin & Norton
Jawapan: IL = 0.1765 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 = 15·3/(15+3) = 2.5 Ω
Rth = (R1 ∥ R2) + R3 = 2.5 + 2 = 4.5 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) = 9·3/(15+3) = 1.5 V
Sambungkan beban kepada setara Thévenin
Sumber Thévenin dan R_th secara bersiri berkelakuan sama seperti litar asal pada a–b, jadi beban melihat satu gelung bersiri yang ringkas.
IL = Vth/(Rth + RL) = 1.5/(4.5 + 4) = 0.1765 A
6.Thévenin & Norton
Jawapan: Vth = −3.059 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 = 30·4/(30+4) = 3.529 Ω
Rth = (R1 ∥ R2) + R3 = 3.529 + 4 = 7.529 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) = 0.7059 + (−0.5)·3.529 = −1.059 V
Vth = VB = VA + Is·R3 = −1.059 + (−0.5)·4 = −3.059 V
7.Fana RC & RL
Jawapan: i = 0.1545 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.
Pemalar masa
τ = L/R = 22 mH / 10 Ω = 2.2 ms
Pereputan arus
i(t) = 1.5·e−5/2.2 = 0.1545 A
Jawapan
i = 0.1545 A
8.Fana RC & RL
Jawapan: i = 0.1368 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) = 6/(33 + 33) = 0.09091 A
i(∞) = 6/33 = 0.1818 A
τ = L/R = 47/33 = 1.424 ms
i(t) = 0.1818 + (0.09091 − 0.1818)·e−t/τ
Arus pada masa yang diberi
i(1) = 0.1818 + (−0.09091)·e−1/1.424 = 0.1368 A
Jawapan
i = 0.1368 A
9.Impedans AU & fasor
Jawapan: φ = −74.74 °
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·100 = 628.3 rad/s
XL = ωL = 628.3·0.02 = 12.57 Ω
XC = 1/(ωC) = 1/(628.3·10·10⁻⁶) = 159.2 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|.
Frekuensi salunan
f0 = 1/(2π·√(0.2·10·10⁻⁶)) = 112.5 Hz
Faktor kualiti
Q membandingkan reaktans pada resonans dengan rintangan: Q = ω₀L/R.
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.
Sudut
φ = arccos(0.6) = 53.13°, tan φ = 1.333
Kuasa reaktif
Q = P·tan φ = 1·1.333 = 1.333 kvar
Jawapan
Q = 1.333 kvar
12.Kuasa AU & faktor kuasa
Jawapan: C = 79.58 µF
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.
Padanan konjugat
Reaktans beban membatalkan reaktans sumber, dan rintangan beban sama dengan rintangan sumber.
ZL = Zs* = 4 − j40 Ω
Kapasitans
XC = 40 Ω → C = 1/(2π·50·40) = 79.58 µF
Jawapan
C = 79.58 µF
13.Kuasa tiga fasa
Jawapan: P = 6.912 kW
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.
Voltan fasa
Vph = 480/√3 = 277.1 V
Arus fasa
|Z| = √(12² + 16²) = 20 Ω
Iph = 277.1/20 = 13.86 A
Jumlah kuasa nyata
Hanya bahagian rintangan setiap impedans yang menyerap kuasa nyata.
P = 3·Iph²·R = 3·13.86²·12 = 6.912 kW
Jawapan
P = 6.912 kW
Semak: cos φ = R/|Z| = 0.6, dan √3·VL·IL·cos φ memberikan kuasa yang sama.
14.Kuasa tiga fasa
Jawapan: Cph = 1774 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 = 120·tan(acos 0.65) = 120·1.169 = 140.3 kvar
Q2 = 120·tan(acos 0.92) = 120·0.426 = 51.12 kvar
Kuasa reaktif daripada kapasitor
QC = Q1 − Q2 = 89.18 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.
Rintangan terrujuk
Voltan naik sebanyak a dan arus turun sebanyak a, jadi nisbah V/I naik sebanyak a².
R1′ = a²·RL = 4²·16 = 256 Ω
Jawapan
R1′ = 256 Ω
16.Pengubah
Jawapan: Sη,max = 47.43 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.