Ромб — это источник тока, управляемый напряжением, который направляет ток 0,25·VA (в A при VA в V) вверх в узел B. Методом узловых потенциалов найдите ток IR4 через R4 в направлении стрелки.
Найдите напряжение Тевенина Vth со стороны зажимов a–b.
V1 = 24 VR1 = 10 ΩR2 = 10 ΩR3 = 12 Ω
Vth = V
6.Тевенин и НортонСложная
К a–b подключена нагрузка RL = 5 Ω. Замените остальную цепь эквивалентом Тевенина и найдите ток нагрузки IL.
V1 = 6 VIs = 3 AR1 = 4 ΩR2 = 8 ΩR3 = 3 ΩRL = 5 Ω
IL = A
7.Переходные процессы RC и RLСредняя
До замыкания ключа в момент t = 0 тока через катушку нет. Найдите энергию W, запасённую в катушке при t = 15 ms, в mJ.
Vs = 10 VR = 5 ΩL = 47 mHt = 15 ms
W = mJ
8.Переходные процессы RC и RLСложная
Ключ был замкнут долгое время, поэтому цепь находится в установившемся режиме. При t = 0 ключ размыкается. Найдите напряжение на конденсаторе vC в момент t = 100 ms.
Vs = 24 VR1 = 4,7 kΩR2 = 2,2 kΩC = 68 µFt = 100 ms
vC = V
9.Полное сопротивление и комплексные амплитудыСредняя
Резистор и конденсатор включены параллельно в сеть 24 V (действующее значение), 200 Hz. Найдите угол сдвига фаз φ полного сопротивления в градусах (положительный, когда ток отстаёт от напряжения).
V = 24 V (rms)f = 200 HzR = 50 ΩC = 10 µF
φ = °
10.Полное сопротивление и комплексные амплитудыСложная
Последовательный RLC-контур имеет R = 20 Ω, L = 10 mH и C = 0,022 µF. Найдите его добротность Q при резонансе.
R = 20 ΩL = 10 mHC = 0,022 µF
Q =
11.Мощность переменного тока и коэффициент мощностиСредняя
Нагрузка с полным сопротивлением Z = 5 + j12 Ω подключена к однофазной сети 230 V (действующее значение). Найдите полную мощность S.
V = 230 VZ = 5 + j12 Ω
S = VA
12.Мощность переменного тока и коэффициент мощностиСложная
Однофазная нагрузка потребляет 11 kW при коэффициенте мощности 0,75 (индуктивном) от сети 240 V, 50 Hz. Параллельно нагрузке подключён конденсатор 100 µF. Найдите новый коэффициент мощности cos φ со стороны сети.
P = 11 kWpf1 = 0,75V = 240 Vf = 50 HzC = 100 µF
cos φ =
13.Трёхфазная мощностьСредняя
Симметричная трёхфазная нагрузка потребляет линейный ток 10 A от сети с линейным напряжением 690 V. Коэффициент мощности 0,92 (отстающий). Найдите полную активную мощность P, потребляемую нагрузкой, в kW.
VL = 690 VIL = 10 Acos φ = 0,92
P = kW
14.Трёхфазная мощностьСложная
Симметричная трёхфазная нагрузка потребляет 75 kW при коэффициенте мощности 0,8 (отстающий) от сети 690 V (линейное), 50 Hz. Трёхфазная конденсаторная батарея, включённая параллельно нагрузке, должна повысить общий коэффициент мощности до 0,95 (отстающий). Активная мощность не меняется. Конденсаторы соединены треугольником. Найдите ёмкость Cph каждого конденсатора в µF.
P = 75 kWpf1 = 0,8pf2 = 0,95VL = 690 Vf = 50 Hz
Cph = µF
15.ТрансформаторыСредняя
К вторичной обмотке идеального трансформатора с коэффициентом трансформации N₁:N₂ = 8:1 подключён резистор 2 Ω. Найдите сопротивление R1′ со стороны первичной обмотки.
N1:N2 = 8:1RL = 2 Ω
R1′ = Ω
16.ТрансформаторыСложная
Однофазный трансформатор 50 kVA имеет потери в стали 300 W. При номинальной нагрузке и коэффициенте мощности 0,8 (отстающий) его КПД равен 97,5%. Найдите потери в меди при номинальной нагрузке Pcu,fl в ваттах.
S = 50 kVAPcore = 300 Wpf = 0,8η = 97,5%
Pcu,fl = W
3Растворы
1.Последовательные и параллельные резисторы
Ответ: Req = 25,91 Ω
Последовательное и параллельное соединение: последовательно через каждый резистор течёт один и тот же ток и R = R₁ + R₂ + …. Параллельно на каждом резисторе одно и то же напряжение и 1/R = 1/R₁ + 1/R₂ + …. Лестничную цепь упрощают по одной паре, пока не останется одно эквивалентное сопротивление.
Объединяйте резисторы с дальнего конца
Начните с конца, самого дальнего от источника, и двигайтесь к нему. Резисторы с одинаковым током соединены последовательно; резисторы между одними и теми же двумя узлами — параллельно.
R3 + R4 = 4 + 20 = 24 Ω
R2 ∥ 24 = 20·24/(20+24) = 10,91 Ω
Req = R1 + 10,91 = 15 + 10,91 = 25,91 Ω
Ответ
Req = 25,91 Ω
2.Последовательные и параллельные резисторы
Ответ: Req = 14,71 Ω
Последовательное и параллельное соединение: последовательно через каждый резистор течёт один и тот же ток и R = R₁ + R₂ + …. Параллельно на каждом резисторе одно и то же напряжение и 1/R = 1/R₁ + 1/R₂ + …. Лестничную цепь упрощают по одной паре, пока не останется одно эквивалентное сопротивление.
Объединяйте резисторы с дальнего конца
Начните с конца, самого дальнего от источника, и двигайтесь к нему. Резисторы с одинаковым током соединены последовательно; резисторы между одними и теми же двумя узлами — параллельно.
R5 + R6 = 20 + 3 = 23 Ω
R4 ∥ 23 = 2,654 Ω
R3 + 2,654 = 27,65 Ω
R2 ∥ 27,65 = 2,706 Ω
Req = R1 + 2,706 = 12 + 2,706 = 14,71 Ω
Ответ
Req = 14,71 Ω
3.Метод узловых потенциалов
Ответ: IR3 = 0,5106 A
Метод узловых потенциалов: выберите опорный узел, обозначьте неизвестные узловые напряжения, запишите закон токов Кирхгофа для каждого неизвестного узла с помощью закона Ома (I = ΔV/R) и решите полученные уравнения.
Определите узлы
Земля — нижний провод. Известные узловые напряжения берутся прямо из источников (V1 = 30 V). Неизвестные: VA, VB.
ЗТК в узле A
Токи, вытекающие из A через резисторы, равны току, который источники подают в A.
VA/R2 + (VA − V1)/R1 + (VA − VB)/R3 = 0
VA/8 + (VA − 30)/10 + (VA − VB)/4 = 0
0,475·VA − 0,25·VB = 3
ЗТК в узле B
Токи, вытекающие из B через резисторы, равны току, который источники подают в B.
VB/R4 + (VB − VA)/R3 = Is
VB/2 + (VB − VA)/4 = 4
−0,25·VA + 0,75·VB = 4
Решите
Δ = (0,475)(0,75) − (−0,25)(−0,25) = 0,2937
VA = Δ1/Δ = 3,25/0,2937 = 11,06 V
VB = Δ2/Δ = 2,65/0,2937 = 9,021 V
Ответ
IR3 = (VA − VB)/R3 = (11,06 − 9,021)/4 = 0,5106 A
4.Метод узловых потенциалов
Ответ: IR4 = 5,769 A
Метод узловых потенциалов: выберите опорный узел, обозначьте неизвестные узловые напряжения, запишите закон токов Кирхгофа для каждого неизвестного узла с помощью закона Ома (I = ΔV/R) и решите полученные уравнения.
ЗТК в узле A
Токи, вытекающие из A через резисторы, равны току, который источники направляют в A.
(VA − V1)/R1 + VA/R2 + (VA − VB)/R3 = 0
0,5167·VA − 0,1667·VB = 9
ЗТК в узле B
Зависимый источник направляет ток g·VA в узел B. Рассматривайте его как независимый источник, а затем перенесите член с VA в левую часть.
Теорема Тевенина: любая линейная двухполюсная цепь ведёт себя как один источник напряжения Vth, последовательный с сопротивлением Rth. Теорема Нортона представляет ту же цепь как источник тока IN = Vth/Rth, параллельный Rth.
Найдите Rth со всеми отключёнными источниками
Замените источники напряжения короткими замыканиями, а источники тока — разрывами, затем посмотрите на цепь со стороны a–b.
R1 ∥ R2 = 10·10/(10+10) = 5 Ω
Rth = (R1 ∥ R2) + R3 = 5 + 12 = 17 Ω
Найдите Vth — напряжение холостого хода
Когда a–b разомкнуты, через R₃ ток не течёт, поэтому падения на нём нет и V_b = V_A. R₁ и R₂ образуют делитель напряжения.
Vth = V1·R2/(R1+R2) = 24·10/(10+10) = 12 V
6.Тевенин и Нортон
Ответ: IL = −1,219 A
Теорема Тевенина: любая линейная двухполюсная цепь ведёт себя как один источник напряжения Vth, последовательный с сопротивлением Rth. Теорема Нортона представляет ту же цепь как источник тока IN = Vth/Rth, параллельный Rth.
Найдите Rth со всеми отключёнными источниками
Замените источники напряжения короткими замыканиями, а источники тока — разрывами, затем посмотрите на цепь со стороны a–b.
R1 ∥ R2 = 4·8/(4+8) = 2,667 Ω
Rth = (R1 ∥ R2) + R3 = 2,667 + 3 = 5,667 Ω
Найдите Vth — напряжение холостого хода
Когда a–b разомкнуты, Iₛ может течь только через R₃ в узел A. Найдите V_A наложением V₁ и Iₛ, затем прибавьте падение на R₃.
VA = V1·R2/(R1+R2) + Is·(R1∥R2) = 4 + (−3)·2,667 = −4 V
Vth = VB = VA + Is·R3 = −4 + (−3)·3 = −13 V
Подключите нагрузку к эквиваленту Тевенина
Источник Тевенина и последовательный R_th ведут себя на a–b точно как исходная цепь, поэтому нагрузка видит простой последовательный контур.
IL = Vth/(Rth + RL) = −13/(5,667 + 5) = −1,219 A
7.Переходные процессы RC и RL
Ответ: W = 59,75 mJ
Переходные процессы первого порядка: в цепи с одним конденсатором или одной катушкой каждое напряжение и каждый ток экспоненциально меняются от начального к конечному значению: x(t) = x(∞) + [x(0) − x(∞)]·e−t/τ, где τ = RC или τ = L/R. Примерно через 5τ цепь выходит на установившийся режим.
Постоянная времени и конечный ток
Спустя долгое время после замыкания катушка ведёт себя как короткое замыкание, поэтому конечный ток определяется только R.
τ = L/R = 47 mH / 5 Ω = 9,4 ms
i(∞) = Vs/R = 10/5 = 2 A
Ток в заданный момент
i(t) = 2·(1 − e−15/9,4) = 1,594 A
Запасённая энергия
W = ½·L·i² = ½·47·1,594² = 59,75 mJ
Ответ
W = 59,75 mJ
8.Переходные процессы RC и RL
Ответ: vC = 3,922 V
Переходные процессы первого порядка: в цепи с одним конденсатором или одной катушкой каждое напряжение и каждый ток экспоненциально меняются от начального к конечному значению: x(t) = x(∞) + [x(0) − x(∞)]·e−t/τ, где τ = RC или τ = L/R. Примерно через 5τ цепь выходит на установившийся режим.
Начальное напряжение конденсатора
В установившемся режиме конденсатор — разрыв, поэтому R₁ и R₂ образуют делитель напряжения. Напряжение конденсатора не может измениться скачком при размыкании ключа.
vC(0) = 24·2,2/(4,7 + 2,2) = 7,652 V
Постоянная времени после размыкания ключа
τ = R2·C = 2,2·68 = 149,6 ms
Разряд
vC(t) = 7,652·e−100/149,6 = 3,922 V
Ответ
vC = 3,922 V
9.Полное сопротивление и комплексные амплитуды
Ответ: φ = −32,14 °
Цепи переменного тока и комплексный метод: резисторы, катушки и конденсаторы имеют полные сопротивления R, jωL и 1/(jωC), где ω = 2πf. При последовательном соединении полные сопротивления складываются как сопротивления, но как комплексные числа. Действующие значения тока и напряжения подчиняются закону Ома с |Z|.
Реактивное сопротивление
XC = 1/(ωC) = 1/(2π·200·10·10⁻⁶) = 79,58 Ω
Токи ветвей
Обе ветви подключены прямо к источнику, поэтому к каждой приложено полное напряжение V.
IR = V/R = 24/50 = 0,48 A
IX = V/XC = 24/79,58 = 0,3016 A
Общий ток
Ток резистора совпадает по фазе с V, а реактивный ток сдвинут на 90°, поэтому они складываются как катеты прямоугольного треугольника.
I = √(IR² + IX²) = √(0,48² + 0,3016²) = 0,5669 A
Угол сдвига фаз
Ток конденсатора опережает V, поэтому общий ток опережает и угол отрицателен.
Цепи переменного тока и комплексный метод: резисторы, катушки и конденсаторы имеют полные сопротивления R, jωL и 1/(jωC), где ω = 2πf. При последовательном соединении полные сопротивления складываются как сопротивления, но как комплексные числа. Действующие значения тока и напряжения подчиняются закону Ома с |Z|.
Резонансная частота
f0 = 1/(2π·√(0,01·0,022·10⁻⁶)) = 10730 Hz
Добротность
Добротность сравнивает реактивное сопротивление при резонансе с активным: Q = ω₀L/R.
11.Мощность переменного тока и коэффициент мощности
Ответ: S = 4069 VA
Мощность переменного тока: полная мощность S = V·I (VA) складывается из активной мощности P = S·cos φ (W), совершающей полезную работу, и реактивной мощности Q = S·sin φ (var), которая колеблется между источником и нагрузкой. Коэффициент мощности — cos φ. Параллельный конденсатор поставляет реактивную мощность на месте, поэтому ток линии уменьшается при той же активной мощности.
Ток
|Z| = √(5² + 12²) = 13 Ω
I = V/|Z| = 230/13 = 17,69 A
Полная мощность
S = V·I = 230·17,69 = 4069 VA
Ответ
S = 4069 VA
12.Мощность переменного тока и коэффициент мощности
Ответ: cos φ = 0,8125
Мощность переменного тока: полная мощность S = V·I (VA) складывается из активной мощности P = S·cos φ (W), совершающей полезную работу, и реактивной мощности Q = S·sin φ (var), которая колеблется между источником и нагрузкой. Коэффициент мощности — cos φ. Параллельный конденсатор поставляет реактивную мощность на месте, поэтому ток линии уменьшается при той же активной мощности.
Реактивная мощность до и после
Активная мощность P не меняется; меняется только реактивная мощность из сети.
Q1 = 11·tan(arccos 0,75) = 9,701 kvar
QC = V²·2πf·C = 240²·2π·50·100·10⁻⁶ = 1810 var = 1,81 kvar
Q2 = 9,701 − 1,81 = 7,892 kvar
Новая полная мощность
S2 = √(11² + 7,892²) = 13,54 kVA
Новый коэффициент мощности
cos φ = P/S2 = 11/13,54 = 0,8125
Ответ
cos φ = 0,8125
13.Трёхфазная мощность
Ответ: P = 11 kW
Симметричные трёхфазные системы: при соединении звездой (Y) линейное напряжение в √3 раз больше фазного, VL = √3·Vph, а линейный ток равен фазному. При соединении треугольником (Δ) линейное напряжение равно фазному, а линейный ток в √3 раз больше фазного, IL = √3·Iph. Полная мощность в три раза больше мощности одной фазы: P = 3·Vph·Iph·cos φ = √3·VL·IL·cos φ.
Полная мощность
S = √3·VL·IL = √3·690·10 = 11,95 kVA
Активная мощность
P = S·cos φ = 11,95·0,92 = 11 kW
Ответ
P = 11 kW
14.Трёхфазная мощность
Ответ: Cph = 70,42 µF
Симметричные трёхфазные системы: при соединении звездой (Y) линейное напряжение в √3 раз больше фазного, VL = √3·Vph, а линейный ток равен фазному. При соединении треугольником (Δ) линейное напряжение равно фазному, а линейный ток в √3 раз больше фазного, IL = √3·Iph. Полная мощность в три раза больше мощности одной фазы: P = 3·Vph·Iph·cos φ = √3·VL·IL·cos φ. Компенсация реактивной мощности: конденсаторы вырабатывают реактивную мощность на месте, QC = P·(tan φ1 − tan φ2). Каждый из трёх конденсаторов даёт QC/3 = V²·ω·C, где V — напряжение на этом конденсаторе: VL в батарее, соединённой треугольником, VL/√3 — в батарее, соединённой звездой.
Реактивная мощность до и после
Активная мощность не меняется, поэтому каждый коэффициент мощности задаёт реактивную мощность: Q = P·tan φ.
Q1 = 75·tan(acos 0,8) = 75·0,75 = 56,25 kvar
Q2 = 75·tan(acos 0,95) = 75·0,3287 = 24,65 kvar
Реактивная мощность конденсаторов
QC = Q1 − Q2 = 31,6 kvar
Ёмкость на фазу
В батарее, соединённой треугольником, каждый конденсатор включён между двумя линейными проводами.
Идеальный трансформатор: напряжения относятся как числа витков, а токи — обратно: V₁/V₂ = N₁/N₂ = a и I₁/I₂ = N₂/N₁ = 1/a, поэтому входная мощность равна выходной, V₁·I₁ = V₂·I₂. Сопротивление нагрузки Z во вторичной цепи со стороны первичной обмотки выглядит как a²·Z.
Приведённое сопротивление
Напряжение растёт в a раз, а ток уменьшается в a раз, поэтому отношение V/I растёт в a² раз.
R1′ = a²·RL = 8²·2 = 128 Ω
Ответ
R1′ = 128 Ω
16.Трансформаторы
Ответ: Pcu,fl = 725,6 W
Потери в трансформаторе: потери в стали (гистерезис и вихревые токи) зависят от напряжения и одинаковы при любой нагрузке. Потери в меди обмоток пропорциональны квадрату тока, поэтому при доле x от номинальной нагрузки они равны x²·Pcu,fl. КПД η = Pout/(Pout + Pcore + Pcu), где Pout = x·S·pf. КПД максимален при той нагрузке, при которой потери в меди равны потерям в стали.