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 VB (diukur daripada bumi).
Is = 5 AVs = 12 VR1 = 4 ΩR2 = 10 Ω
VB = V
4.Analisis nodSukar
Sumber arus dilaraskan sehingga voltan nod pada A ialah VA = 8.5 V. Gunakan analisis nod untuk mencari arus sumber Is (arah seperti yang ditunjukkan).
Cari rintangan Thévenin Rth yang dilihat dari terminal a–b.
V1 = 9 VR1 = 8 ΩR2 = 12 ΩR3 = 15 Ω
Rth = Ω
6.Thévenin & NortonSukar
Cari arus Norton IN: arus yang mengalir dari a ke b jika terminal dilitar pintaskan.
V1 = 36 VIs = 3 AR1 = 15 ΩR2 = 15 ΩR3 = 6 Ω
IN = A
7.Fana RC & RLSederhana
Induktor tidak membawa arus sebelum suis ditutup pada t = 0. Berapa lama selepas suis ditutup arus mencapai 50% daripada nilai akhirnya? Cari t.
Vs = 15 VR = 47 ΩL = 100 mH
t = ms
8.Fana RC & RLSukar
Suis merentasi R2 telah ditutup untuk masa yang lama, maka arus induktor mantap. Pada t = 0 suis dibuka. Cari arus induktor i pada t = 1 ms.
Vs = 10 VR1 = 15 ΩR2 = 47 ΩL = 22 mHt = 1 ms
i = A
9.Impedans AU & fasorSederhana
Litar RLC siri dengan L = 1 mH mesti bergema pada 50 Hz. Cari kemuatan C yang diperlukan.
f0 = 50 HzL = 1 mH
C = µF
10.Impedans AU & fasorSukar
Litar RLC siri digerakkan oleh sumber 12 V (rms) yang frekuensinya ditetapkan pada frekuensi resonans litar. Cari voltan rms VL merentasi induktor.
V = 12 V (rms)R = 5 ΩL = 100 mHC = 4.7 µF
VL = V
11.Kuasa AU & faktor kuasaSederhana
Beban induktif mengambil 19.5 A dan 3510 W daripada bekalan fasa tunggal 240 V (rms). Modelkan ia sebagai rintangan R secara siri dengan reaktans X. Cari R.
V = 240 VI = 19.5 AP = 3510 W
R = Ω
12.Kuasa AU & faktor kuasaSukar
Satu beban fasa tunggal mengambil 35 kW pada faktor kuasa 0.75 ketinggalan daripada bekalan 240 V, 50 Hz. Kapasitor yang disambung secara selari meningkatkan faktor kuasa kepada 0.9. Cari kapasitans C yang diperlukan.
P = 35 kWpf1 = 0.75pf2 = 0.9V = 240 Vf = 50 Hz
C = µF
13.Kuasa tiga fasaSederhana
Satu motor aruhan tiga fasa menghasilkan 7.5 kW kuasa keluaran mekanikal pada beban penuh. Pada beban ini kecekapannya 88% dan faktor kuasanya 0.82 ketinggalan. Bekalan mempunyai voltan antara talian 690 V. Cari arus talian IL.
Pout = 7.5 kWη = 88%cos φ = 0.82VL = 690 V
IL = A
14.Kuasa tiga fasaSukar
Satu beban tiga fasa seimbang mengambil 150 kW pada faktor kuasa 0.7 ketinggalan daripada bekalan 400 V (antara talian), 60 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 Δ. Cari kapasitans Cph setiap kapasitor dalam µF.
P = 150 kWpf1 = 0.7pf2 = 0.98VL = 400 Vf = 60 Hz
Cph = µF
15.PengubahSederhana
Satu perintang 8 Ω disambung merentasi lilitan sekunder pengubah unggul dengan nisbah belitan N₁:N₂ = 12:1. Cari rintangan R1′ yang dilihat dari lilitan primer.
N1:N2 = 12:1RL = 8 Ω
R1′ = Ω
16.PengubahSukar
Satu pengubah fasa tunggal 100 kVA mempunyai kehilangan teras 600 W dan kehilangan kuprum 1800 W pada beban terkadar. Pada beban Sη,max berapakah, dalam kVA, kecekapannya paling tinggi?
S = 100 kVAPcore = 600 WPcu,fl = 1800 W
Sη,max = kVA
3Larutan
1.Perintang bersiri & selari
Jawapan: IR2 = 2.125 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.
R3 + R4 = 12 + 5 = 17 Ω
R2 ∥ 17 = 6·17/(6+17) = 4.435 Ω
Req = R1 + 4.435 = 6 + 4.435 = 10.43 Ω
Arus daripada sumber
Sumber hanya melihat Req, jadi hukum Ohm memberikan arus yang dibekalkannya. Arus itu mengalir melalui R₁.
IR1 = V1/Req = 30/10.43 = 2.875 A
Arus melalui R₂
Tolak susutan merentasi R₁ untuk mendapatkan voltan pada nod A, iaitu voltan merentasi R₂.
VA = V1 − IR1·R1 = 30 − 2.875·6 = 12.75 V
IR2 = VA/R2 = 12.75/6 = 2.125 A
Jawapan
IR2 = 2.125 A
2.Perintang bersiri & selari
Jawapan: Req = 29.45 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 = 2 + 12 = 14 Ω
R4 ∥ 14 = 7.241 Ω
R3 + 7.241 = 17.24 Ω
R2 ∥ 17.24 = 4.451 Ω
Req = R1 + 4.451 = 25 + 4.451 = 29.45 Ω
Jawapan
Req = 29.45 Ω
3.Analisis nod
Jawapan: VB = 22.86 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 + Vs = VA + 12
VA/R1 + VB/R2 = Is
Selesaikan
VA/4 + (VA + 12)/10 = 5
VA = (5 − 12/10)/(1/4 + 1/10) = 10.86 V
VB = 10.86 + 12 = 22.86 V
Jawapan
VB = 22.86 V
4.Analisis nod
Jawapan: Is = 1.838 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
(8.5 − 5)/15 + 8.5/8 = (VB − 8.5)/6
1.296 = (VB − 8.5)/6 → VB = 16.27 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 = (16.27 − 8.5)/6 + 16.27/30 = 1.838 A
Jawapan
Is = 1.838 A
5.Thévenin & Norton
Jawapan: Rth = 19.8 Ω
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 = 8·12/(8+12) = 4.8 Ω
Rth = (R1 ∥ R2) + R3 = 4.8 + 15 = 19.8 Ω
6.Thévenin & Norton
Jawapan: IN = 4.333 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 = 15·15/(15+15) = 7.5 Ω
Rth = (R1 ∥ R2) + R3 = 7.5 + 6 = 13.5 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) = 18 + 3·7.5 = 40.5 V
Vth = VB = VA + Is·R3 = 40.5 + 3·6 = 58.5 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 = 58.5/13.5 = 4.333 A
7.Fana RC & RL
Jawapan: t = 1.475 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 = 100 mH / 47 Ω = 2.128 ms
i(∞) = Vs/R = 15/47 = 0.3191 A
Selesaikan untuk masa
0.5 = 1 − e−t/τ → t = −τ·ln(1 − 0.5)
t = −2.128·ln(0.5) = 1.475 ms
Jawapan
t = 1.475 ms
8.Fana RC & RL
Jawapan: i = 0.1915 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 suis yang tertutup memintaskan R₂; selepas itu R₁ dan R₂ kedua-duanya berada dalam gelung.
i(0) = 10/15 = 0.6667 A
i(∞) = 10/(15 + 47) = 0.1613 A
τ = L/R = 22/62 = 0.3548 ms
i(t) = 0.1613 + (0.6667 − 0.1613)·e−t/τ
Arus pada masa yang diberi
i(1) = 0.1613 + (0.5054)·e−1/0.3548 = 0.1915 A
Jawapan
i = 0.1915 A
9.Impedans AU & fasor
Jawapan: C = 10132 µF
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|.
Syarat resonans
Pada resonans reaktans induktif dan kapasitif saling membatalkan: ωL = 1/(ωC).
ω₀ = 2π·50 = 314.2 rad/s
C = 1/(ω₀²·L) = 1/(314.2²·0.001) = 10132 µF
Jawapan
C = 10132 µF
10.Impedans AU & fasor
Jawapan: VL = 350.1 V
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 resonans reaktans saling membatalkan, maka impedans hanyalah R.
ω₀ = 1/√(LC) = 1/√(0.1·4.7·10⁻⁶) = 1459 rad/s
I = V/R = 12/5 = 2.4 A
Voltan merentasi induktor
XL = ω₀L = 1459·0.1 = 145.9 Ω
VL = I·XL = 2.4·145.9 = 350.1 V
Jawapan
VL = 350.1 V
Ini ialah Q = 29.17 kali voltan bekalan.
11.Kuasa AU & faktor kuasa
Jawapan: R = 9.231 Ω
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.
Rintangan daripada kuasa nyata
R = P/I² = 3510/19.5² = 9.231 Ω
Jawapan
R = 9.231 Ω
12.Kuasa AU & faktor kuasa
Jawapan: C = 769 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.
Kuasa reaktif sebelum dan selepas
Kuasa nyata P tidak berubah; hanya kuasa reaktif yang diambil daripada bekalan berubah.
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 = 7.5/0.88 = 8.523 kW
Arus talian
IL = Pin/(√3·VL·cos φ) = 8523/(√3·690·0.82) = 8.697 A
Jawapan
IL = 8.697 A
14.Kuasa tiga fasa
Jawapan: Cph = 677.4 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 = 150·tan(acos 0.7) = 150·1.02 = 153 kvar
Q2 = 150·tan(acos 0.98) = 150·0.2031 = 30.46 kvar
Kuasa reaktif daripada kapasitor
QC = Q1 − Q2 = 122.6 kvar
Kapasitans setiap fasa
Dalam bank Δ setiap kapasitor disambung antara dua talian.
V = 400 V, ω = 2π·60 = 377 rad/s
Cph = (QC/3)/(ω·V²) = 40857/(377·400²) = 677.4 µF
Jawapan
Cph = 677.4 µF
15.Pengubah
Jawapan: R1′ = 1152 Ω
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 = 12²·8 = 1152 Ω
Jawapan
R1′ = 1152 Ω
16.Pengubah
Jawapan: Sη,max = 57.74 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.