Podstawy elektrotechniki: zestaw na powtórkę

Wzory, najważniejsze kroki metod dla każdego tematu i 16 zadań do ćwiczenia, z pełnymi rozwiązaniami na końcu.

Nowe zadaniaWróć do przedmiotu

W oknie drukowania wybierz „Zapisz jako PDF”, aby zachować kopię na swoim urządzeniu.

1Wzory i metody

Rezystory szeregowo i równolegle

Rezystory połączone szeregowo
Req = R1 + R2 + …
Rezystory połączone równolegle
1/Req = 1/R1 + 1/R2 + …
Dwa równolegle
Req = R1R2 / (R1 + R2)
Prawo Ohma
V = I·R
Moc
P = V·I = I²R = V²/R

Metoda

  1. Zacznij od końca sieci najdalszego od zacisków.
  2. Rezystory szeregowe łącz, dodając je, a równoległe ze wzoru 1/R = 1/R₁ + 1/R₂ + …
  3. Po każdym kroku narysuj obwód od nowa.
  4. Powtarzaj, aż między zaciskami zostanie jeden rezystor.

Metoda potencjałów węzłowych

Prądowe prawo Kirchhoffa
ΣIin = ΣIout
Prąd gałęzi
I = (Va − Vb)/R
Węzeł odniesienia
Vground = 0

Metoda

  1. Wybierz węzeł odniesienia (masę) i oznacz potencjały pozostałych węzłów.
  2. Napisz prądowe prawo Kirchhoffa dla każdego nieznanego węzła: prądy wypływające przez każdą gałąź są równe prądom wpływającym.
  3. Wyraź każdy prąd gałęziowy jako (Va − Vb)/R.
  4. Rozwiąż układ równań, a potem wyznacz potrzebne prądy.

Thévenin i Norton

Napięcie Thévenina
Vth = Vopen circuit
Rezystancja Thévenina
Rth: wszystkie źródła wyłączone, widziana z a–b
Prąd Nortona
IN = Vth/Rth
Prąd obciążenia
IL = Vth/(Rth + RL)
Maksymalne przekazywanie mocy
RL = Rth, Pmax = Vth²/(4Rth)

Metoda

  1. Odłącz obciążenie i oznacz dwa zaciski a i b.
  2. Wyznacz napięcie stanu jałowego między a i b: to jest Vth.
  3. Wyłącz wszystkie niezależne źródła i wyznacz rezystancję widzianą z a–b: to jest Rth.
  4. Podłącz obciążenie z powrotem do obwodu zastępczego: Vth szeregowo z Rth.
  5. Dla obwodu zastępczego Nortona przelicz: IN = Vth/Rth, z RN = Rth równolegle.

Stany nieustalone RC i RL

Stała czasowa
τ = RC | τ = L/R
Odpowiedź układu
x(t) = x(∞) + [x(0) − x(∞)]·e−t/τ
Kondensator przy prądzie stałym
rozwarcie; vC nie może zmienić się skokowo
Cewka przy prądzie stałym
zwarcie; iL nie może zmienić się skokowo
Stan ustalony
t ≈ 5τ

Metoda

  1. Wyznacz wartość początkową tuż po przełączeniu: napięcie na kondensatorze i prąd cewki nie mogą zmienić się skokowo.
  2. Wyznacz wartość końcową długo po przełączeniu: kondensator zachowuje się jak rozwarcie, a cewka jak zwarcie.
  3. Wyznacz stałą czasową: τ = RC lub τ = L/R, z rezystancją widzianą przez kondensator lub cewkę.
  4. Użyj x(t) = x(∞) + [x(0) − x(∞)]·e−t/τ.

Impedancja i wskazy AC

Impedancje
ZR = R, ZL = jωL, ZC = 1/(jωC)
Pulsacja
ω = 2πf
Moduł i kąt
|Z| = √(R² + X²), φ = atan(X/R)
Prawo Ohma dla wskazów
V = I·Z

Metoda

  1. Przelicz częstotliwość: ω = 2πf.
  2. Wyznacz każdą reaktancję: XL = ωL i XC = 1/(ωC).
  3. Dodawaj impedancje jak rezystory, z Z = R + jX.
  4. Wyznacz moduł |Z| = √(R² + X²) i kąt φ = atan(X/R), a potem zastosuj prawo Ohma dla wskazów.

Moc AC i współczynnik mocy

Moc czynna
P = V·I·cos φ
Moc bierna
Q = V·I·sin φ
Moc pozorna
S = V·I = √(P² + Q²)
Współczynnik mocy
pf = cos φ = P/S
Kondensator kompensacyjny
QC = P(tan φ1 − tan φ2), C = QC/(ωV²)

Moc w układach trójfazowych

Połączenie w gwiazdę (Y)
VL = √3·Vph, IL = Iph
Połączenie w trójkąt (Δ)
VL = Vph, IL = √3·Iph
Całkowita moc czynna
P = √3·VL·IL·cos φ = 3·Iph²·R
Moc pozorna i bierna
S = √3·VL·IL, Q = P·tan φ
Kondensatory do kompensacji
QC = P(tan φ1 − tan φ2), C = QC/(3ωV²)
Napięcie na każdym kondensatorze
Δ: VL Y: VL/√3
Moc pobierana przez silnik
Pin = Pout/η

Transformatory

Przekładnia zwojowa
a = N1/N2 = V1/V2
Stosunek prądów
I1/I2 = N2/N1 = 1/a
Prąd znamionowy
I = S/V
Impedancja sprowadzona
Z1′ = a²·ZL
Straty w miedzi przy obciążeniu częściowym
Pcu = x²·Pcu,fl
Sprawność
η = x·S·pf/(x·S·pf + Pcore + x²·Pcu,fl)
Sprawność maksymalna
x = √(Pcore/Pcu,fl)

2Zadania do ćwiczenia

1.Rezystory szeregowo i równolegleŚredni
R1​ = 10 ΩIR1​R3​ = 3 Ω+−V1​10 VR2​5 ΩAR4​5 ΩB

Wyznacz prąd IR1 dostarczany przez źródło, płynący przez R1.

V1 = 10 VR1 = 10 ΩR2 = 5 ΩR3 = 3 ΩR4 = 5 Ω
IR1 = A
2.Rezystory szeregowo i równolegleTrudny
R1​ = 30 ΩIR1​R3​ = 25 ΩR5​ = 10 Ω+−V1​6 VR2​2 ΩAR4​2 ΩBR6​3 Ω

Wyznacz prąd IR1 dostarczany przez źródło, płynący przez R1.

V1 = 6 VR1 = 30 ΩR2 = 2 ΩR3 = 25 ΩR4 = 2 ΩR5 = 10 ΩR6 = 3 Ω
IR1 = A
3.Metoda potencjałów węzłowychŚredni
R1​10 Ω+−V1​30 VR2​10 Ω−+V2​15 VI2​R3​8 Ω+−V3​12 VA

Między węzłem A a masą są włączone trzy gałęzie, jak na rysunku. Użyj metody potencjałów węzłowych, aby wyznaczyć prąd I2 w gałęzi 2, płynący w górę do węzła A zgodnie ze strzałką.

V1 = 30 VR1 = 10 ΩV2 = 15 VR2 = 10 ΩV3 = 12 VR3 = 8 Ω
I2 = A
4.Metoda potencjałów węzłowychTrudny
R1​ = 12 ΩR3​ = 20 Ω+−V1​9 VR2​30 ΩAR4​10 ΩB0,25·VA​

Romb to źródło prądu sterowane napięciem, które wpycha prąd 0,25·VA (w A, przy VA w V) w górę do węzła B. Użyj metody potencjałów węzłowych, aby wyznaczyć potencjał węzła VA (mierzony względem masy).

V1 = 9 VR1 = 12 ΩR2 = 30 ΩR3 = 20 ΩR4 = 10 Ωg = 0,25 A/V
VA = V
5.Thévenin i NortonŚredni
R1​ = 12 ΩR3​ = 8 Ω+−V1​9 VR2​15 ΩAab

Wyznacz rezystancję Thévenina Rth widzianą z zacisków a–b.

V1 = 9 VR1 = 12 ΩR2 = 15 ΩR3 = 8 Ω
Rth = Ω
6.Thévenin i NortonTrudny
R1​ = 12 ΩR3​ = 25 Ω+−V1​6 VR2​2 ΩAIs​1 ABRL​6 ΩIL​

Między a–b podłączono obciążenie RL = 6 Ω. Użyj układu zastępczego Thévenina, aby wyznaczyć moc PL dostarczaną do obciążenia.

V1 = 6 VIs = 1 AR1 = 12 ΩR2 = 2 ΩR3 = 25 ΩRL = 6 Ω
PL = W
7.Stany nieustalone RC i RLŚredni
R = 20 Ωt = 0L33 mHi(t)

Przez cewkę płynie ustalony prąd 2,5 A. W t = 0 łącznik zamyka obwód przez R, a źródło zostaje odłączone, więc prąd cewki zanika przez R. Wyznacz napięcie vR na R w chwili t = 2 ms.

i(0) = 2,5 AR = 20 ΩL = 33 mHt = 2 ms
vR = V
8.Stany nieustalone RC i RLTrudny
+−Vs​15 Vt = 0R = 4,7 kΩC33 µF+−vC​vC​(0) = 6 V

Tuż przed zamknięciem łącznika w t = 0 kondensator ma 6 V o zaznaczonej biegunowości. Po jakim czasie vC osiągnie 11,4 V? Wyznacz t.

Vs = 15 VR = 4,7 kΩC = 33 µFvC(0) = 6 V
t = ms
9.Impedancja i wskazy ACŚredni
120 V100 HzR = 15 ΩL = 50 mHC = 22 µF

Szeregowy obwód RLC jest podłączony do zasilania 120 V (skuteczne), 100 Hz. Wyznacz kąt fazowy φ impedancji w stopniach (dodatni, gdy prąd opóźnia się względem napięcia).

V = 120 V (rms)f = 100 HzR = 15 ΩL = 50 mHC = 22 µF
φ = °
10.Impedancja i wskazy ACTrudny
24 V50 HzR = 80 ΩL = 150 mHC = 47 µFI

Szeregowy obwód RLC jest podłączony do zasilania 24 V (skuteczne), 50 Hz. Wyznacz wartość skuteczną prądu I.

V = 24 V (rms)f = 50 HzR = 80 ΩL = 150 mHC = 47 µF
I = A
11.Moc AC i współczynnik mocyŚredni
P = 15 kWQ = ?Sφ

Silnik jednofazowy pobiera 15 kW przy współczynniku mocy 0,6 (indukcyjnym) z zasilania 400 V. Wyznacz moc bierną Q, którą pobiera.

P = 15 kWpf = 0,6V = 400 V
Q = kvar
12.Moc AC i współczynnik mocyTrudny
P1​ = 44 kWQ1​S1​φ

Transformator jednofazowy 75 kVA zasila odbiornik 44 kW przy współczynniku mocy 0,75 (indukcyjnym). Ile dodatkowej mocy czynnej ΔP można dołączyć jako odbiornik rezystancyjny (współczynnik mocy równy 1), zanim transformator osiągnie swoją moc znamionową w kVA?

Smax = 75 kVAP1 = 44 kWpf1 = 0,75
ΔP = kW
13.Moc w układach trójfazowychŚredni
ABCVL​ = 400 VIL​ = 40 Acos φ = 0,8indukcyjny

Symetryczny odbiornik trójfazowy pobiera prąd przewodowy 40 A ze źródła o napięciu przewodowym 400 V. Współczynnik mocy wynosi 0,8 (indukcyjny). Wyznacz całkowitą moc czynną P pobieraną przez odbiornik w kW.

VL = 400 VIL = 40 Acos φ = 0,8
P = kW
14.Moc w układach trójfazowychTrudny
P = 80 kWφ1​S1​Q2​QC​

Symetryczny odbiornik trójfazowy pobiera 80 kW przy współczynniku mocy 0,8 (indukcyjnym) z sieci 415 V (napięcie przewodowe), 60 Hz. Trójfazowa bateria kondensatorów połączona równolegle z odbiornikiem ma podnieść wypadkowy współczynnik mocy do 0,9 (indukcyjnego). Moc czynna się nie zmienia. Kondensatory są połączone w trójkąt. Wyznacz pojemność Cph każdego kondensatora w µF.

P = 80 kWpf1 = 0,8pf2 = 0,9VL = 415 Vf = 60 Hz
Cph = µF
15.TransformatoryŚredni
RL​ = 40 Ω41960 VV2​I1​ = ?I2​

Do uzwojenia pierwotnego idealnego transformatora o przekładni N₁:N₂ = 4:1 przyłożono napięcie 960 V. Do uzwojenia wtórnego dołączono rezystor 40 Ω. Wyznacz prąd pierwotny I1.

N1:N2 = 4:1V1 = 960 VRL = 40 Ω
I1 = A
16.TransformatoryTrudny
200 kVA

Jednofazowy transformator 200 kVA ma straty w rdzeniu 800 W i straty w miedzi 2000 W przy obciążeniu znamionowym. Przy jakim obciążeniu Sη,max, w kVA, jego sprawność jest najwyższa?

S = 200 kVAPcore = 800 WPcu,fl = 2000 W
Sη,max = kVA

3Roztwory

1.Rezystory szeregowo i równolegle

Odpowiedź: IR1 = 0,7647 A

Połączenia szeregowe i równoległe: szeregowo przez każdy rezystor płynie ten sam prąd i R = R₁ + R₂ + …. Równolegle każdy rezystor ma to samo napięcie i 1/R = 1/R₁ + 1/R₂ + …. Sieć drabinkową upraszcza się parami, aż zostanie jedna rezystancja zastępcza.

R1​ = 10 ΩR3​ = 3 Ω+−V1​10 VR2​5 ΩAR4​5 ΩB

Łącz rezystory od najdalszego końca

Zacznij od końca najdalszego od źródła i idź w jego stronę. Rezystory z tym samym prądem są połączone szeregowo; rezystory między tymi samymi dwoma węzłami są połączone równolegle.

R3 + R4 = 3 + 5 = 8 Ω
R2 ∥ 8 = 5·8/(5+8) = 3,077 Ω
Req = R1 + 3,077 = 10 + 3,077 = 13,08 Ω

Prąd ze źródła

Źródło widzi tylko Req, więc prawo Ohma daje prąd, który dostarcza. Ten prąd płynie przez R₁.

IR1 = V1/Req = 10/13,08 = 0,7647 A

Odpowiedź

IR1 = 0,7647 A
2.Rezystory szeregowo i równolegle

Odpowiedź: IR1 = 0,1883 A

Połączenia szeregowe i równoległe: szeregowo przez każdy rezystor płynie ten sam prąd i R = R₁ + R₂ + …. Równolegle każdy rezystor ma to samo napięcie i 1/R = 1/R₁ + 1/R₂ + …. Sieć drabinkową upraszcza się parami, aż zostanie jedna rezystancja zastępcza.

R1​ = 30 ΩR3​ = 25 ΩR5​ = 10 Ω+−V1​6 VR2​2 ΩAR4​2 ΩBR6​3 Ω

Łącz rezystory od najdalszego końca

Zacznij od końca najdalszego od źródła i idź w jego stronę. Rezystory z tym samym prądem są połączone szeregowo; rezystory między tymi samymi dwoma węzłami są połączone równolegle.

R5 + R6 = 10 + 3 = 13 Ω
R4 ∥ 13 = 1,733 Ω
R3 + 1,733 = 26,73 Ω
R2 ∥ 26,73 = 1,861 Ω
Req = R1 + 1,861 = 30 + 1,861 = 31,86 Ω

Prąd ze źródła

Źródło widzi tylko Req, więc prawo Ohma daje prąd, który dostarcza. Ten prąd płynie przez R₁.

IR1 = V1/Req = 6/31,86 = 0,1883 A

Odpowiedź

IR1 = 0,1883 A
3.Metoda potencjałów węzłowych

Odpowiedź: I2 = −2,423 A

Metoda potencjałów węzłowych: wybierz węzeł odniesienia, oznacz nieznane potencjały węzłów, zapisz prądowe prawo Kirchhoffa w każdym nieznanym węźle z prawa Ohma (I = ΔV/R) i rozwiąż równania.

PPK w węźle A

Przyjmij dolny przewód jako masę. Każda gałąź odprowadza z A prąd (VA − Vk)/Rk, gdzie Vk to napięcie jej źródła (zero dla samego rezystora). Prądy wypływające z A sumują się do zera.

(VA − 30)/10 + (VA − (−15))/10 + (VA − 12)/8 = 0

Wyznacz VA

VA = (30/10 + (−15)/10 + 12/8) / (1/10 + 1/10 + 1/8) = 3/0,325 = 9,231 V

Prąd gałęzi

Strzałka wskazuje w górę wzdłuż gałęzi, do węzła A.

I2 = ((−15) − VA)/R2 = ((−15) − 9,231)/10 = −2,423 A

Odpowiedź

I2 = −2,423 A

Wynik ujemny oznacza, że rzeczywisty prąd płynie przeciwnie do strzałki.

4.Metoda potencjałów węzłowych

Odpowiedź: VA = 11,25 V

Metoda potencjałów węzłowych: wybierz węzeł odniesienia, oznacz nieznane potencjały węzłów, zapisz prądowe prawo Kirchhoffa w każdym nieznanym węźle z prawa Ohma (I = ΔV/R) i rozwiąż równania.

PPK w węźle A

Prądy wypływające z A przez rezystory są równe prądowi wpychanemu do A przez źródła.

(VA − V1)/R1 + VA/R2 + (VA − VB)/R3 = 0
0,1667·VA − 0,05·VB = 0,75

PPK w węźle B

Źródło sterowane wpycha prąd g·VA do węzła B. Potraktuj je jak źródło niezależne, a potem przenieś wyraz z VA na lewą stronę.

(VB − VA)/R3 + VB/R4 = 0,25·VA
−0,3·VA + 0,15·VB = 0

Rozwiąż

Δ = (0,1667)(0,15) − (−0,05)(−0,3) = 0,01
VA = Δ1/Δ = 0,1125/0,01 = 11,25 V
VB = Δ2/Δ = 0,225/0,01 = 22,5 V

Odpowiedź

VA = 11,25 V
5.Thévenin i Norton

Odpowiedź: Rth = 14,67 Ω

Twierdzenie Thévenina: każdy liniowy dwójnik zachowuje się jak jedno źródło napięcia Vth szeregowo z rezystancją Rth. Twierdzenie Nortona przedstawia ten sam układ jako źródło prądu IN = Vth/Rth równolegle z Rth.

R1​ = 12 ΩR3​ = 8 ΩZWARCIER2​15 ΩAabRth​

Wyznacz Rth przy wyłączonych wszystkich źródłach

Zastąp źródła napięcia zwarciami, a źródła prądu rozwarciami, a potem spójrz na obwód od strony a–b.

R1 ∥ R2 = 12·15/(12+15) = 6,667 Ω
Rth = (R1 ∥ R2) + R3 = 6,667 + 8 = 14,67 Ω
6.Thévenin i Norton

Odpowiedź: PL = 3,748 W

Twierdzenie Thévenina: każdy liniowy dwójnik zachowuje się jak jedno źródło napięcia Vth szeregowo z rezystancją Rth. Twierdzenie Nortona przedstawia ten sam układ jako źródło prądu IN = Vth/Rth równolegle z Rth.

R1​ = 12 ΩR3​ = 25 ΩZWARCIER2​2 ΩAROZWARCIEBabRth​

Wyznacz Rth przy wyłączonych wszystkich źródłach

Zastąp źródła napięcia zwarciami, a źródła prądu rozwarciami, a potem spójrz na obwód od strony a–b.

R1 ∥ R2 = 12·2/(12+2) = 1,714 Ω
Rth = (R1 ∥ R2) + R3 = 1,714 + 25 = 26,71 Ω
R1​ = 12 ΩR3​ = 25 Ω+−V1​6 VR2​2 ΩAIs​1 ABab+−Vth​

Wyznacz Vth, napięcie stanu jałowego

Przy rozwartych a–b jedyną drogą dla Iₛ jest R₃ do węzła A. Wyznacz V_A z superpozycji V₁ i Iₛ, a potem dodaj spadek na R₃.

VA = V1·R2/(R1+R2) + Is·(R1∥R2) = 0,8571 + (−1)·1,714 = −0,8571 V
Vth = VB = VA + Is·R3 = −0,8571 + (−1)·25 = −25,86 V
Rth​ = 26,71 Ω−+Vth​25,86 VRL​6 ΩIL​

Podłącz obciążenie do układu zastępczego Thévenina

Źródło Thévenina i R_th szeregowo zachowują się na a–b dokładnie jak pierwotny obwód, więc obciążenie widzi prostą pętlę szeregową.

IL = Vth/(Rth + RL) = −25,86/(26,71 + 6) = −0,7904 A
PL = IL²·RL = −0,7904²·6 = 3,748 W
7.Stany nieustalone RC i RL

Odpowiedź: vR = 14,88 V

Stany nieustalone pierwszego rzędu: w obwodzie z jednym kondensatorem lub jedną cewką każde napięcie i każdy prąd zmienia się wykładniczo od wartości początkowej do końcowej: x(t) = x(∞) + [x(0) − x(∞)]·e−t/τ, gdzie τ = RC lub τ = L/R. Po około 5τ obwód jest w stanie ustalonym.

Stała czasowa

τ = L/R = 33 mH / 20 Ω = 1,65 ms

Zanik prądu

i(t) = 2,5·e−2/1,65 = 0,7439 A
vR = R·i = 20·0,7439 = 14,88 V

Odpowiedź

vR = 14,88 V
8.Stany nieustalone RC i RL

Odpowiedź: t = 142,1 ms

Stany nieustalone pierwszego rzędu: w obwodzie z jednym kondensatorem lub jedną cewką każde napięcie i każdy prąd zmienia się wykładniczo od wartości początkowej do końcowej: x(t) = x(∞) + [x(0) − x(∞)]·e−t/τ, gdzie τ = RC lub τ = L/R. Po około 5τ obwód jest w stanie ustalonym.

Wartość początkowa, wartość końcowa, stała czasowa

Napięcie na kondensatorze nie może zmienić się skokowo, więc zaczyna od zgromadzonej wartości i dąży do napięcia źródła.

vC(0) = 6 V, vC(∞) = Vs = 15 V
τ = R·C = 4,7 kΩ · 33 µF = 155,1 ms
vC(t) = 15 + (6 − 15)·e−t/τ

Wyznacz czas

11,4 = 15 + (−9)·e−t/τ → e−t/τ = (11,4 − 15)/(6 − 15) = 0,4
t = τ·ln((6 − 15)/(11,4 − 15)) = 155,1·ln(2,5) = 142,1 ms

Odpowiedź

t = 142,1 ms
9.Impedancja i wskazy AC

Odpowiedź: φ = −69,87 °

Obwody AC i wskazy: rezystory, cewki i kondensatory mają impedancje R, jωL i 1/(jωC), gdzie ω = 2πf. Szeregowo impedancje dodaje się jak rezystancje, ale jako liczby zespolone. Wartości skuteczne prądu i napięcia spełniają prawo Ohma z |Z|.

Reaktancje

ω = 2πf = 2π·100 = 628,3 rad/s
XL = ωL = 628,3·0,05 = 31,42 Ω
XC = 1/(ωC) = 1/(628,3·22·10⁻⁶) = 72,34 Ω

Impedancja

Szeregowo impedancje dodaje się jak liczby zespolone: Z = R + j(XL − XC).

|Z| = √(R² + (XL − XC)²) = √(15² + (−40,93)²) = 43,59 Ω

Kąt fazowy

φ = arctan((XL − XC)/R) = arctan(−40,93/15) = −69,87°

Odpowiedź

φ = −69,87°
10.Impedancja i wskazy AC

Odpowiedź: I = 0,2905 A

Obwody AC i wskazy: rezystory, cewki i kondensatory mają impedancje R, jωL i 1/(jωC), gdzie ω = 2πf. Szeregowo impedancje dodaje się jak rezystancje, ale jako liczby zespolone. Wartości skuteczne prądu i napięcia spełniają prawo Ohma z |Z|.

Reaktancje

ω = 2πf = 2π·50 = 314,2 rad/s
XL = ωL = 314,2·0,15 = 47,12 Ω
XC = 1/(ωC) = 1/(314,2·47·10⁻⁶) = 67,73 Ω

Impedancja

Szeregowo impedancje dodaje się jak liczby zespolone: Z = R + j(XL − XC).

|Z| = √(R² + (XL − XC)²) = √(80² + (−20,6)²) = 82,61 Ω

Prąd

Przez każdy element obwodu szeregowego płynie ten sam prąd.

I = V/|Z| = 24/82,61 = 0,2905 A

Odpowiedź

I = 0,2905 A
11.Moc AC i współczynnik mocy

Odpowiedź: Q = 20 kvar

Moc w obwodach AC: moc pozorna S = V·I (VA) dzieli się na moc czynną P = S·cos φ (W), która wykonuje pracę użyteczną, i moc bierną Q = S·sin φ (var), która krąży między źródłem a odbiornikiem. Współczynnik mocy to cos φ. Kondensator równoległy dostarcza moc bierną lokalnie, więc prąd linii maleje przy tej samej mocy czynnej.

Kąt

φ = arccos(0,6) = 53,13°, tan φ = 1,333

Moc bierna

Q = P·tan φ = 15·1,333 = 20 kvar

Odpowiedź

Q = 20 kvar
12.Moc AC i współczynnik mocy

Odpowiedź: ΔP = 20,18 kW

Moc w obwodach AC: moc pozorna S = V·I (VA) dzieli się na moc czynną P = S·cos φ (W), która wykonuje pracę użyteczną, i moc bierną Q = S·sin φ (var), która krąży między źródłem a odbiornikiem. Współczynnik mocy to cos φ. Kondensator równoległy dostarcza moc bierną lokalnie, więc prąd linii maleje przy tej samej mocy czynnej.

Moc bierna istniejącego odbiornika

Q1 = 44·tan(arccos 0,75) = 38,8 kvar

Największa łączna moc czynna

Przy pełnym obciążeniu znamionowym S = Smax, a odbiornik rezystancyjny nie zmienia Q.

P = √(Smax² − Q1²) = √(75² − 38,8²) = 64,18 kW

Dodatkowa moc czynna

ΔP = 64,18 − 44 = 20,18 kW

Odpowiedź

ΔP = 20,18 kW
13.Moc w układach trójfazowych

Odpowiedź: P = 22,17 kW

Symetryczne układy trójfazowe: w połączeniu w gwiazdę (Y) napięcie przewodowe jest √3 razy większe od napięcia fazowego, VL = √3·Vph, a prąd przewodowy jest równy prądowi fazowemu. W połączeniu w trójkąt (Δ) napięcie przewodowe jest równe napięciu fazowemu, a prąd przewodowy jest √3 razy większy od prądu fazowego, IL = √3·Iph. Moc całkowita jest trzykrotnością mocy jednej fazy: P = 3·Vph·Iph·cos φ = √3·VL·IL·cos φ.

Moc pozorna

S = √3·VL·IL = √3·400·40 = 27,71 kVA

Moc czynna

P = S·cos φ = 27,71·0,8 = 22,17 kW

Odpowiedź

P = 22,17 kW
14.Moc w układach trójfazowych

Odpowiedź: Cph = 109,1 µF

Symetryczne układy trójfazowe: w połączeniu w gwiazdę (Y) napięcie przewodowe jest √3 razy większe od napięcia fazowego, VL = √3·Vph, a prąd przewodowy jest równy prądowi fazowemu. W połączeniu w trójkąt (Δ) napięcie przewodowe jest równe napięciu fazowemu, a prąd przewodowy jest √3 razy większy od prądu fazowego, IL = √3·Iph. Moc całkowita jest trzykrotnością mocy jednej fazy: P = 3·Vph·Iph·cos φ = √3·VL·IL·cos φ. Kompensacja mocy biernej: kondensatory dostarczają moc bierną lokalnie, QC = P·(tan φ1 − tan φ2). Każdy z trzech kondensatorów dostarcza QC/3 = V²·ω·C, gdzie V to napięcie na tym kondensatorze: VL w baterii połączonej w trójkąt, VL/√3 w baterii połączonej w gwiazdę.

Moc bierna przed i po

Moc czynna się nie zmienia, więc każdy współczynnik mocy wyznacza moc bierną: Q = P·tan φ.

Q1 = 80·tan(acos 0,8) = 80·0,75 = 60 kvar
Q2 = 80·tan(acos 0,9) = 80·0,4843 = 38,75 kvar

Moc bierna z kondensatorów

QC = Q1 − Q2 = 21,25 kvar

Pojemność na fazę

W baterii połączonej w trójkąt każdy kondensator jest włączony między dwa przewody fazowe.

V = 415 V, ω = 2π·60 = 377 rad/s
Cph = (QC/3)/(ω·V²) = 7085/(377·415²) = 109,1 µF

Odpowiedź

Cph = 109,1 µF
15.Transformatory

Odpowiedź: I1 = 1,5 A

Transformator idealny: napięcia mają się do siebie jak liczby zwojów, a prądy odwrotnie: V₁/V₂ = N₁/N₂ = a oraz I₁/I₂ = N₂/N₁ = 1/a, więc moc wejściowa jest równa mocy wyjściowej, V₁·I₁ = V₂·I₂. Impedancja obciążenia Z po stronie wtórnej widziana od strony pierwotnej wynosi a²·Z.

Napięcie i prąd wtórny

V2 = 960/4 = 240 V
I2 = 240/40 = 6 A

Prąd pierwotny

Idealny transformator nie ma strat: V₁·I₁ = V₂·I₂.

I1 = I2/4 = 1,5 A

Odpowiedź

I1 = 1,5 A

Sprawdzenie: obciążenie widziane od strony pierwotnej to a²·RL = 640 Ω, a 960/640 daje ten sam prąd.

16.Transformatory

Odpowiedź: Sη,max = 126,5 kVA

Straty w transformatorze: straty w rdzeniu (histereza i prądy wirowe) zależą od napięcia i są takie same przy każdym obciążeniu. Straty w miedzi uzwojeń zmieniają się z kwadratem prądu, więc przy ułamku x obciążenia znamionowego wynoszą x²·Pcu,fl. Sprawność η = Pout/(Pout + Pcore + Pcu), z Pout = x·S·pf. Sprawność jest najwyższa przy obciążeniu, przy którym straty w miedzi są równe stratom w rdzeniu.

Straty w miedzi równe stratom w rdzeniu

x²·2000 = 800 → x = √(800/2000) = 0,6325

Obciążenie przy maksymalnej sprawności

Sη,max = x·S = 0,6325·200 = 126,5 kVA

Odpowiedź

Sη,max = 126,5 kVA

ExamProblems · examproblems.com/courses/electrical-engineering-fundamentals