Основы электротехники: шпаргалка-пакет

Листы формул, ключевые шаги методов по каждой теме и тренировочные задачи (16) с полными решениями в конце.

Новые задачиНазад к курсу

В окне печати выберите «Сохранить как PDF», чтобы сохранить копию на своём устройстве.

1Формулы и методы

Последовательные и параллельные резисторы

Последовательное соединение резисторов
Req = R1 + R2 + …
Параллельное соединение резисторов
1/Req = 1/R1 + 1/R2 + …
Два параллельно
Req = R1R2 / (R1 + R2)
Закон Ома
V = I·R
Мощность
P = V·I = I²R = V²/R

Метод

  1. Начните с конца цепи, наиболее удалённого от зажимов.
  2. Последовательные резисторы складывайте, а параллельные объединяйте по формуле 1/R = 1/R₁ + 1/R₂ + …
  3. После каждого шага перерисовывайте схему.
  4. Повторяйте, пока между зажимами не останется один резистор.

Метод узловых потенциалов

Закон токов Кирхгофа
ΣIin = ΣIout
Ток ветви
I = (Va − Vb)/R
Опорный узел
Vground = 0

Метод

  1. Выберите опорный узел (землю) и обозначьте потенциалы остальных узлов.
  2. Запишите первый закон Кирхгофа для каждого неизвестного узла: сумма токов, вытекающих по ветвям, равна сумме втекающих.
  3. Выразите ток каждой ветви как (Va − Vb)/R.
  4. Решите систему уравнений, затем найдите нужные токи.

Тевенин и Нортон

Напряжение Тевенина
Vth = Vopen circuit
Сопротивление Тевенина
Rth: все источники отключены, со стороны a–b
Ток Нортона
IN = Vth/Rth
Ток нагрузки
IL = Vth/(Rth + RL)
Передача максимальной мощности
RL = Rth, Pmax = Vth²/(4Rth)

Метод

  1. Отключите нагрузку и обозначьте два зажима a и b.
  2. Найдите напряжение холостого хода между a и b: это Vth.
  3. Отключите все независимые источники и найдите сопротивление со стороны a–b: это Rth.
  4. Верните нагрузку в эквивалентную схему: Vth последовательно с Rth.
  5. Для эквивалента Нортона преобразуйте: IN = Vth/Rth, с RN = Rth параллельно.

Переходные процессы RC и RL

Постоянная времени
τ = RC | τ = L/R
Отклик
x(t) = x(∞) + [x(0) − x(∞)]·e−t/τ
Конденсатор на постоянном токе
разрыв; vC не может измениться скачком
Катушка на постоянном токе
короткое замыкание; iL не может измениться скачком
Установившийся режим
t ≈ 5τ

Метод

  1. Найдите начальное значение сразу после коммутации: напряжение на конденсаторе и ток в катушке не могут изменяться скачком.
  2. Найдите установившееся значение спустя долгое время после коммутации: конденсатор ведёт себя как разрыв, катушка — как короткое замыкание.
  3. Найдите постоянную времени: τ = RC или τ = L/R, где берётся сопротивление со стороны конденсатора или катушки.
  4. Используйте x(t) = x(∞) + [x(0) − x(∞)]·e−t/τ.

Полное сопротивление и комплексные амплитуды

Полные сопротивления
ZR = R, ZL = jωL, ZC = 1/(jωC)
Угловая частота
ω = 2πf
Модуль и угол
|Z| = √(R² + X²), φ = atan(X/R)
Закон Ома в комплексной форме
V = I·Z

Метод

  1. Переведите частоту: ω = 2πf.
  2. Найдите каждое реактивное сопротивление: XL = ωL и XC = 1/(ωC).
  3. Складывайте сопротивления как у резисторов, с Z = R + jX.
  4. Найдите модуль |Z| = √(R² + X²) и угол φ = atan(X/R), затем примените закон Ома для комплексных амплитуд.

Мощность переменного тока и коэффициент мощности

Активная мощность
P = V·I·cos φ
Реактивная мощность
Q = V·I·sin φ
Полная мощность
S = V·I = √(P² + Q²)
Коэффициент мощности
pf = cos φ = P/S
Компенсирующий конденсатор
QC = P(tan φ1 − tan φ2), C = QC/(ωV²)

Трёхфазная мощность

Соединение звездой (Y)
VL = √3·Vph, IL = Iph
Соединение треугольником (Δ)
VL = Vph, IL = √3·Iph
Полная активная мощность
P = √3·VL·IL·cos φ = 3·Iph²·R
Полная и реактивная мощность
S = √3·VL·IL, Q = P·tan φ
Компенсирующие конденсаторы
QC = P(tan φ1 − tan φ2), C = QC/(3ωV²)
Напряжение на каждом конденсаторе
Δ: VL Y: VL/√3
Потребляемая мощность двигателя
Pin = Pout/η

Трансформаторы

Коэффициент трансформации
a = N1/N2 = V1/V2
Отношение токов
I1/I2 = N2/N1 = 1/a
Номинальный ток
I = S/V
Приведённое сопротивление
Z1′ = a²·ZL
Потери в меди при неполной нагрузке
Pcu = x²·Pcu,fl
КПД
η = x·S·pf/(x·S·pf + Pcore + x²·Pcu,fl)
Максимальный КПД
x = √(Pcore/Pcu,fl)

2Тренировочные задачи

1.Последовательные и параллельные резисторыСредняя
R1​ = 6 ΩR3​ = 5 Ω+−V1​24 VR2​10 ΩIR2​AR4​4 ΩB

Найдите ток IR2 через R2.

V1 = 24 VR1 = 6 ΩR2 = 10 ΩR3 = 5 ΩR4 = 4 Ω
IR2 = A
2.Последовательные и параллельные резисторыСложная
R1​ = 6 ΩIR1​R3​ = 15 ΩR5​ = 2 Ω+−V1​30 VR2​30 ΩAR4​4 ΩBR6​4 Ω

Найдите ток IR1, отдаваемый источником и текущий через R1.

V1 = 30 VR1 = 6 ΩR2 = 30 ΩR3 = 15 ΩR4 = 4 ΩR5 = 2 ΩR6 = 4 Ω
IR1 = A
3.Метод узловых потенциаловСредняя
R1​ = 4 ΩIR1​R3​ = 3 Ω+−V1​12 VR2​10 ΩAR4​20 ΩBIs​1,5 A

Используйте метод узловых потенциалов, чтобы найти ток IR1 через R1 в направлении стрелки.

V1 = 12 VIs = 1,5 AR1 = 4 ΩR2 = 10 ΩR3 = 3 ΩR4 = 20 Ω
IR1 = A
4.Метод узловых потенциаловСложная
R1​ = 6 ΩR2​ = 10 ΩR4​ = 20 ΩIR4​+−V1​10 VR3​20 ΩAR5​15 ΩBIs​2,5 A+−V2​6 V

Используйте метод узловых потенциалов, чтобы найти ток IR4 через R4 в направлении стрелки.

V1 = 10 VIs = 2,5 AV2 = 6 VR1 = 6 ΩR2 = 10 ΩR3 = 20 ΩR4 = 20 ΩR5 = 15 Ω
IR4 = A
5.Тевенин и НортонСредняя
R1​ = 4 ΩR3​ = 2 Ω+−V1​15 VR2​2 ΩAab

Найдите напряжение Тевенина Vth со стороны зажимов a–b.

V1 = 15 VR1 = 4 ΩR2 = 2 ΩR3 = 2 Ω
Vth = V
6.Тевенин и НортонСложная
R1​ = 3 ΩR3​ = 3 Ω+−V1​10 VR2​8 ΩAIs​5 ABab

Найдите ток Нортона IN: ток, текущий от a к b, если зажимы замкнуть накоротко.

V1 = 10 VIs = 5 AR1 = 3 ΩR2 = 8 ΩR3 = 3 Ω
IN = A
7.Переходные процессы RC и RLСредняя
R = 47 Ωt = 0L100 mHi(t)

Через катушку течёт установившийся ток 2 A. При t = 0 ключ замыкает контур через R, а источник отключается, поэтому ток катушки убывает через R. За какое время ток уменьшится до 0,5 A? Найдите t.

i(0) = 2 AR = 47 ΩL = 100 mH
t = ms
8.Переходные процессы RC и RLСложная
+−Vs​12 Vt = 0R = 4,7 kΩC22 µF+−vC​vC​(0) = 5 V

Непосредственно перед замыканием ключа в момент t = 0 конденсатор заряжен до 5 V с указанной полярностью. Найдите напряжение на конденсаторе vC в момент t = 120 ms.

Vs = 12 VR = 4,7 kΩC = 22 µFvC(0) = 5 Vt = 120 ms
vC = V
9.Полное сопротивление и комплексные амплитудыСредняя
Vf0​ = 100 HzRL = ?C = 47 µF

Последовательный RLC-контур с C = 47 µF должен резонировать на частоте 100 Hz. Найдите необходимую индуктивность L.

f0 = 100 HzC = 47 µF
L = mH
10.Полное сопротивление и комплексные амплитудыСложная
10 V500 HzR = 100 ΩL = 200 mHC = 4,7 µF+−VC​

Последовательная цепь RLC подключена к сети 10 V (действующее значение), 500 Hz. Найдите действующее значение напряжения VC на конденсаторе.

V = 10 V (rms)f = 500 HzR = 100 ΩL = 200 mHC = 4,7 µF
VC = V
11.Мощность переменного тока и коэффициент мощностиСредняя
400 V127 kW, 0,6229 kW, 0,8I = ?

К однофазной сети 400 V параллельно подключены две нагрузки: нагрузка 27 kW при коэффициенте мощности 0,6 (индуктивном) и нагрузка 29 kW при коэффициенте мощности 0,8 (ёмкостном). Найдите общий ток I, потребляемый от сети.

V = 400 VP1 = 27 kW, pf1 = 0,6 отстающийP2 = 29 kW, pf2 = 0,8 опережающий
I = A
12.Мощность переменного тока и коэффициент мощностиСложная
P = 35 kWQ1​S1​φ1​QC​

Однофазная нагрузка потребляет 35 kW при коэффициенте мощности 0,75 (индуктивном) от сети 240 V, 50 Hz. Параллельно подключённый конденсатор повышает коэффициент мощности до 0,98. Найдите новый ток линии Inew.

P = 35 kWpf1 = 0,75pf2 = 0,98V = 240 Vf = 50 Hz
Inew = A
13.Трёхфазная мощностьСредняя
ABCVL​ = 415 VIL​ = ?M75 kW, η = 93%cos φ = 0,82

Трёхфазный асинхронный двигатель при полной нагрузке развивает механическую мощность 75 kW. При этой нагрузке его КПД равен 93%, а коэффициент мощности 0,82 (отстающий). Линейное напряжение сети 415 V. Найдите линейный ток IL.

Pout = 75 kWη = 93%cos φ = 0,82VL = 415 V
IL = A
14.Трёхфазная мощностьСложная
P = 100 kWφ1​S1​Q2​QC​

Симметричная трёхфазная нагрузка потребляет 100 kW при коэффициенте мощности 0,8 (отстающий) от сети 415 V (линейное), 50 Hz. Трёхфазная конденсаторная батарея, включённая параллельно нагрузке, должна повысить общий коэффициент мощности до 0,9 (отстающий). Активная мощность не меняется. Конденсаторы соединены звездой. Найдите ёмкость Cph каждого конденсатора в µF.

P = 100 kWpf1 = 0,8pf2 = 0,9VL = 415 Vf = 50 Hz
Cph = µF
15.ТрансформаторыСредняя
RL​ = 15 Ω41960 VV2​I1​ = ?I2​

К первичной обмотке идеального трансформатора с коэффициентом трансформации N₁:N₂ = 4:1 приложено 960 V. К вторичной обмотке подключён резистор 15 Ω. Найдите первичный ток I1.

N1:N2 = 4:1V1 = 960 VRL = 15 Ω
I1 = A
16.ТрансформаторыСложная
150 kVA

Однофазный трансформатор 150 kVA имеет потери в стали 1200 W и потери в меди 4800 W при номинальной нагрузке. При какой нагрузке Sη,max, в kVA, его КПД максимален?

S = 150 kVAPcore = 1200 WPcu,fl = 4800 W
Sη,max = kVA

3Растворы

1.Последовательные и параллельные резисторы

Ответ: IR2 = 1,059 A

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.

R1​ = 6 ΩR3​ = 5 Ω+−V1​24 VR2​10 ΩAR4​4 ΩB

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 = 5 + 4 = 9 Ω
R2 ∥ 9 = 10·9/(10+9) = 4,737 Ω
Req = R1 + 4,737 = 6 + 4,737 = 10,74 Ω

Ток источника

Источник видит только Req, поэтому закон Ома даёт ток, который он отдаёт. Этот ток течёт через R₁.

IR1 = V1/Req = 24/10,74 = 2,235 A

Ток через R₂

Вычтите падение на R₁, чтобы получить напряжение в узле A, то есть напряжение на R₂.

VA = V1 − IR1·R1 = 24 − 2,235·6 = 10,59 V
IR2 = VA/R2 = 10,59/10 = 1,059 A

Ответ

IR2 = 1,059 A
2.Последовательные и параллельные резисторы

Ответ: IR1 = 1,763 A

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.

R1​ = 6 ΩR3​ = 15 ΩR5​ = 2 Ω+−V1​30 VR2​30 ΩAR4​4 ΩBR6​4 Ω

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 = 2 + 4 = 6 Ω
R4 ∥ 6 = 2,4 Ω
R3 + 2,4 = 17,4 Ω
R2 ∥ 17,4 = 11,01 Ω
Req = R1 + 11,01 = 6 + 11,01 = 17,01 Ω

Ток источника

Источник видит только Req, поэтому закон Ома даёт ток, который он отдаёт. Этот ток течёт через R₁.

IR1 = V1/Req = 30/17,01 = 1,763 A

Ответ

IR1 = 1,763 A
3.Метод узловых потенциалов

Ответ: IR1 = 0,2652 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.

R1​ = 4 ΩR3​ = 3 Ω+−V1​12 VR2​10 ΩAR4​20 ΩBIs​1,5 A

Определите узлы

Земля — нижний провод. Известные узловые напряжения берутся прямо из источников (V1 = 12 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/10 + (VA − 12)/4 + (VA − VB)/3 = 0
0,6833·VA − 0,3333·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/20 + (VB − VA)/3 = 1,5
−0,3333·VA + 0,3833·VB = 1,5

Решите

Δ = (0,6833)(0,3833) − (−0,3333)(−0,3333) = 0,1508
VA = Δ1/Δ = 1,65/0,1508 = 10,94 V
VB = Δ2/Δ = 2,025/0,1508 = 13,43 V

Ответ

IR1 = (V1 − VA)/R1 = (12 − 10,94)/4 = 0,2652 A
4.Метод узловых потенциалов

Ответ: IR4 = −0,7521 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.

R1​ = 6 ΩR2​ = 10 ΩR4​ = 20 Ω+−V1​10 VR3​20 ΩAR5​15 ΩBIs​2,5 A+−V2​6 V

Определите узлы

Земля — нижний провод. Известные узловые напряжения берутся прямо из источников (V1 = 10 V, V2 = 6 V). Неизвестные: VA, VB.

ЗТК в узле A

Токи, вытекающие из A через резисторы, равны току, который источники подают в A.

VA/R3 + (VA − V1)/R1 + (VA − VB)/R2 = 0
VA/20 + (VA − 10)/6 + (VA − VB)/10 = 0
0,3167·VA − 0,1·VB = 1,667

ЗТК в узле B

Токи, вытекающие из B через резисторы, равны току, который источники подают в B.

VB/R5 + (VB − VA)/R2 + (VB − V2)/R4 = Is
VB/15 + (VB − VA)/10 + (VB − 6)/20 = (−2,5)
−0,1·VA + 0,2167·VB = −2,2

Решите

Δ = (0,3167)(0,2167) − (−0,1)(−0,1) = 0,05861
VA = Δ1/Δ = 0,1411/0,05861 = 2,408 V
VB = Δ2/Δ = −0,53/0,05861 = −9,043 V

Ответ

IR4 = (VB − V2)/R4 = (−9,043 − 6)/20 = −0,7521 A
5.Тевенин и Нортон

Ответ: Vth = 5 V

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.

R1​ = 4 ΩR3​ = 2 ΩКЗR2​2 ΩAabRth​

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 = 4·2/(4+2) = 1,333 Ω
Rth = (R1 ∥ R2) + R3 = 1,333 + 2 = 3,333 Ω
R1​ = 4 ΩR3​ = 2 Ω+−V1​15 VR2​2 ΩAab+−Vth​

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) = 15·2/(4+2) = 5 V
6.Тевенин и Нортон

Ответ: IN = 6,404 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.

R1​ = 3 ΩR3​ = 3 ΩКЗR2​8 ΩAОБРЫВBabRth​

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 = 3·8/(3+8) = 2,182 Ω
Rth = (R1 ∥ R2) + R3 = 2,182 + 3 = 5,182 Ω
R1​ = 3 ΩR3​ = 3 Ω+−V1​10 VR2​8 ΩAIs​5 ABab+−Vth​

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) = 7,273 + 5·2,182 = 18,18 V
Vth = VB = VA + Is·R3 = 18,18 + 5·3 = 33,18 V
IN​6,404 ARth​5,182 Ωab

Эквивалент Нортона

Источник Нортона — та же цепь, представленная как источник тока, параллельный R_th. Его ток — это ток короткого замыкания на a–b.

IN = Vth/Rth = 33,18/5,182 = 6,404 A
7.Переходные процессы RC и RL

Ответ: t = 2,95 ms

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

τ = L/R = 100 mH / 47 Ω = 2,128 ms

Выразите время

0,5 = 2·e−t/τ → t = τ·ln(2/0,5)
t = 2,128·ln(4) = 2,95 ms

Ответ

t = 2,95 ms
8.Переходные процессы RC и RL

Ответ: vC = 9,807 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 значение, конечное значение, постоянная времени

Напряжение на конденсаторе не может измениться скачком, поэтому оно начинается с накопленного значения и стремится к напряжению источника.

vC(0) = 5 V, vC(∞) = Vs = 12 V
τ = R·C = 4,7 kΩ · 22 µF = 103,4 ms
vC(t) = 12 + (5 − 12)·e−t/τ

Напряжение в заданный момент

vC(120) = 12 + (−7)·e−120/103,4 = 9,807 V

Ответ

vC = 9,807 V
9.Полное сопротивление и комплексные амплитуды

Ответ: L = 53,89 mH

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|.

Условие резонанса

При резонансе индуктивное и ёмкостное сопротивления компенсируют друг друга: ωL = 1/(ωC).

ω₀ = 2π·100 = 628,3 rad/s
L = 1/(ω₀²·C) = 1/(628,3²·47·10⁻⁶) = 53,89 mH

Ответ

L = 53,89 mH
10.Полное сопротивление и комплексные амплитуды

Ответ: VC = 1,189 V

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|.

Реактивные сопротивления

ω = 2πf = 2π·500 = 3142 rad/s
XL = ωL = 3142·0,2 = 628,3 Ω
XC = 1/(ωC) = 1/(3142·4,7·10⁻⁶) = 67,73 Ω

Полное сопротивление

При последовательном соединении полные сопротивления складываются как комплексные числа: Z = R + j(XL − XC).

|Z| = √(R² + (XL − XC)²) = √(100² + (560,6)²) = 569,4 Ω

Ток

Через каждый элемент последовательной цепи течёт один и тот же ток.

I = V/|Z| = 10/569,4 = 0,01756 A

Напряжение на конденсаторе

VC = I·XC = 0,01756·67,73 = 1,189 V

Ответ

VC = 1,189 V
11.Мощность переменного тока и коэффициент мощности

Ответ: I = 144,5 A

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 каждой нагрузки

Индуктивная нагрузка потребляет реактивную мощность (Q > 0); ёмкостная — отдаёт её (Q < 0).

Q1 = 27·tan(arccos 0,6) = 36 kvar
Q2 = −29·tan(arccos 0,8) = −21,75 kvar

Суммы

P = 27 + 29 = 56 kW
Q = 36 + (−21,75) = 14,25 kvar
S = √(56² + 14,25²) = 57,78 kVA

Общий ток

I = S/V = 57785/400 = 144,5 A

Ответ

I = 144,5 A
12.Мощность переменного тока и коэффициент мощности

Ответ: Inew = 148,8 A

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 = P·tan φ1 = 35·tan(41,41°) = 30,87 kvar
Q2 = P·tan φ2 = 35·tan(11,48°) = 7,107 kvar
QC = Q1 − Q2 = 23,76 kvar

Новый ток линии

Inew = P/(V·cos φ2) = 35000/(240·0,98) = 148,8 A

Ответ

Inew = 148,8 A
13.Трёхфазная мощность

Ответ: IL = 136,8 A

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.

Потребляемая электрическая мощность

Pin = Pout/η = 75/0,93 = 80,65 kW

Ток линии

IL = Pin/(√3·VL·cos φ) = 80645/(√3·415·0,82) = 136,8 A

Ответ

IL = 136,8 A
14.Трёхфазная мощность

Ответ: Cph = 491 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 = 100·tan(acos 0,8) = 100·0,75 = 75 kvar
Q2 = 100·tan(acos 0,9) = 100·0,4843 = 48,43 kvar

Реактивная мощность конденсаторов

QC = Q1 − Q2 = 26,57 kvar

Ёмкость на фазу

В батарее, соединённой звездой, каждый конденсатор включён между линейным проводом и нейтральной точкой.

V = 415/√3 = 239,6 V, ω = 2π·50 = 314,2 rad/s
Cph = (QC/3)/(ω·V²) = 8856/(314,2·239,6²) = 491 µF

Ответ

Cph = 491 µF
15.Трансформаторы

Ответ: I1 = 4 A

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.

Вторичные напряжение и ток

V2 = 960/4 = 240 V
I2 = 240/15 = 16 A

Первичный ток

Идеальный трансформатор не имеет потерь: V₁·I₁ = V₂·I₂.

I1 = I2/4 = 4 A

Ответ

I1 = 4 A

Проверка: нагрузка со стороны первичной обмотки равна a²·RL = 240 Ω, и 960/240 даёт тот же ток.

16.Трансформаторы

Ответ: Sη,max = 75 kVA

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.

Потери в меди равны потерям в стали

x²·4800 = 1200 → x = √(1200/4800) = 0,5

Нагрузка при максимальном КПД

Sη,max = x·S = 0,5·150 = 75 kVA

Ответ

Sη,max = 75 kVA

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