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​ = 10 ΩR3​ = 4 Ω+−V1​18 VR2​4 ΩIR2​AR4​5 ΩB

Найдите ток IR2 через R2.

V1 = 18 VR1 = 10 ΩR2 = 4 ΩR3 = 4 ΩR4 = 5 Ω
IR2 = A
2.Последовательные и параллельные резисторыСложная
R1​ = 4 ΩR3​ = 3 ΩR5​ = 25 Ω+−V1​5 VR2​2 ΩAR4​4 ΩBR6​15 Ω

Найдите эквивалентное сопротивление Req, которое видит источник V1.

V1 = 5 VR1 = 4 ΩR2 = 2 ΩR3 = 3 ΩR4 = 4 ΩR5 = 25 ΩR6 = 15 Ω
Req = Ω
3.Метод узловых потенциаловСредняя
R1​ = 20 ΩIR1​R3​ = 8 Ω+−V1​9 VR2​10 ΩAR4​3 ΩBIs​3 A

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

V1 = 9 VIs = 3 AR1 = 20 ΩR2 = 10 ΩR3 = 8 ΩR4 = 3 Ω
IR1 = A
4.Метод узловых потенциаловСложная
R1​ = 10 ΩR3​ = 10 Ω+−V1​10 VR2​3 ΩAR4​30 ΩBIs​?

Источник тока регулируют до тех пор, пока напряжение узла A не станет VA = 4 V. Методом узловых потенциалов найдите ток источника Is (направление как на схеме).

V1 = 10 VR1 = 10 ΩR2 = 3 ΩR3 = 10 ΩR4 = 30 ΩVA = 4 V
Is = A
5.Тевенин и НортонСредняя
R1​ = 8 ΩR3​ = 4 Ω+−V1​12 VR2​10 ΩAab

Найдите сопротивление Тевенина Rth со стороны зажимов a–b.

V1 = 12 VR1 = 8 ΩR2 = 10 ΩR3 = 4 Ω
Rth = Ω
6.Тевенин и НортонСложная
R1​ = 8 ΩR3​ = 20 Ω+−V1​24 VR2​5 ΩAIs​1,5 ABab

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

V1 = 24 VIs = 1,5 AR1 = 8 ΩR2 = 5 ΩR3 = 20 Ω
IN = A
7.Переходные процессы RC и RLСредняя
R = 100 Ωt = 0L22 mHi(t)

Через катушку течёт установившийся ток 3 A. При t = 0 ключ замыкает контур через R, а источник отключается, поэтому ток катушки убывает через R. Найдите ток i в момент t = 1 ms.

i(0) = 3 AR = 100 ΩL = 22 mHt = 1 ms
i = A
8.Переходные процессы RC и RLСложная
+−Vs​15 Vt = 0R = 47 kΩC?+−vC​

Таймер при t = 0 начинает заряжать незаряженный конденсатор через резистор от источника 15 V. Он должен сработать, когда напряжение конденсатора достигнет 11,25 V, ровно через 25 ms после старта. При R = 47 kΩ найдите необходимую ёмкость C.

Vs = 15 VVth = 11,25 VT = 25 msR = 47 kΩ
C = µF
9.Полное сопротивление и комплексные амплитудыСредняя
10 V60 HzR = 30 ΩL = 50 mHC = 22 µF

Последовательная цепь RLC подключена к сети 10 V (действующее значение), 60 Hz. Найдите угол сдвига фаз φ полного сопротивления в градусах (положительный, когда ток отстаёт от напряжения).

V = 10 V (rms)f = 60 HzR = 30 ΩL = 50 mHC = 22 µF
φ = °
10.Полное сопротивление и комплексные амплитудыСложная
12 V1000 HzR = 50 ΩL = 50 mHC = 47 µF+−VC​

Последовательная цепь RLC подключена к сети 12 V (действующее значение), 1000 Hz. Найдите действующее значение напряжения VC на конденсаторе.

V = 12 V (rms)f = 1000 HzR = 50 ΩL = 50 mHC = 47 µF
VC = V
11.Мощность переменного тока и коэффициент мощностиСредняя
240 V129 kW, 0,7225 kW, 0,95I

К однофазной сети 240 V параллельно подключены две нагрузки: нагрузка 29 kW при коэффициенте мощности 0,7 (индуктивном) и нагрузка 25 kW при коэффициенте мощности 0,95 (ёмкостном). Найдите общий коэффициент мощности cos φ со стороны сети.

V = 240 VP1 = 29 kW, pf1 = 0,7 отстающийP2 = 25 kW, pf2 = 0,95 опережающий
cos φ =
12.Мощность переменного тока и коэффициент мощностиСложная
P1​ = 11 kWQ1​S1​φ

Однофазный трансформатор 25 kVA питает нагрузку 11 kW при коэффициенте мощности 0,75 (индуктивном). Какую дополнительную активную мощность ΔP можно добавить в виде активной нагрузки (коэффициент мощности 1), прежде чем трансформатор достигнет своей номинальной мощности в kVA?

Smax = 25 kVAP1 = 11 kWpf1 = 0,75
ΔP = kW
13.Трёхфазная мощностьСредняя
ABCVL​ = 415 VNZ = 12 + j16 Ωна фазу

Симметричная нагрузка, соединённая звездой, с полным сопротивлением 12 + j16 Ω на фазу подключена к симметричной трёхфазной сети с линейным напряжением 415 V. Найдите полную активную мощность P, потребляемую нагрузкой, в kW.

VL = 415 VZ = 12 + j16 Ω на фазу
P = kW
14.Трёхфазная мощностьСложная
P = 50 kWφ1​S1​Q2​QC​

Симметричная трёхфазная нагрузка потребляет 50 kW при коэффициенте мощности 0,8 (отстающий) от сети 480 V (линейное), 60 Hz. Трёхфазная конденсаторная батарея, включённая параллельно нагрузке, должна повысить общий коэффициент мощности до 0,95 (отстающий). Активная мощность не меняется. Конденсаторы соединены звездой. Найдите ёмкость Cph каждого конденсатора в µF.

P = 50 kWpf1 = 0,8pf2 = 0,95VL = 480 Vf = 60 Hz
Cph = µF
15.ТрансформаторыСредняя
10000 V400 VIHV​ = ?ILV​500 kVA

Однофазный трансформатор 500 kVA, 10000/400 V работает при номинальной нагрузке. Считайте его идеальным. Найдите ток IHV в обмотке высшего напряжения.

S = 500 kVAV1 = 10000 VV2 = 400 V
IHV = A
16.ТрансформаторыСложная
pf 0,9100 kVA, 25% нагрузка

Однофазный трансформатор 100 kVA имеет потери в стали 400 W и потери в меди 1200 W при номинальной нагрузке. Он отдаёт 25% номинальной мощности в kVA при коэффициенте мощности 0,9 (отстающий). Найдите суммарные потери Ploss в ваттах при этой нагрузке.

S = 100 kVAPcore = 400 WPcu,fl = 1200 Wx = 0,25pf = 0,9
Ploss = W

3Растворы

1.Последовательные и параллельные резисторы

Ответ: IR2 = 0,9759 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​ = 10 ΩR3​ = 4 Ω+−V1​18 VR2​4 ΩAR4​5 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 = 4 + 5 = 9 Ω
R2 ∥ 9 = 4·9/(4+9) = 2,769 Ω
Req = R1 + 2,769 = 10 + 2,769 = 12,77 Ω

Ток источника

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

IR1 = V1/Req = 18/12,77 = 1,41 A

Ток через R₂

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

VA = V1 − IR1·R1 = 18 − 1,41·10 = 3,904 V
IR2 = VA/R2 = 3,904/4 = 0,9759 A

Ответ

IR2 = 0,9759 A
2.Последовательные и параллельные резисторы

Ответ: Req = 5,537 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.

R1​ = 4 ΩR3​ = 3 ΩR5​ = 25 Ω+−V1​5 VR2​2 ΩAR4​4 ΩBR6​15 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 = 25 + 15 = 40 Ω
R4 ∥ 40 = 3,636 Ω
R3 + 3,636 = 6,636 Ω
R2 ∥ 6,636 = 1,537 Ω
Req = R1 + 1,537 = 4 + 1,537 = 5,537 Ω

Ответ

Req = 5,537 Ω
3.Метод узловых потенциалов

Ответ: IR1 = 0,1868 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​ = 20 ΩR3​ = 8 Ω+−V1​9 VR2​10 ΩAR4​3 ΩBIs​3 A

Определите узлы

Земля — нижний провод. Известные узловые напряжения берутся прямо из источников (V1 = 9 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 − 9)/20 + (VA − VB)/8 = 0
0,275·VA − 0,125·VB = 0,45

ЗТК в узле B

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

VB/R4 + (VB − VA)/R3 = Is
VB/3 + (VB − VA)/8 = 3
−0,125·VA + 0,4583·VB = 3

Решите

Δ = (0,275)(0,4583) − (−0,125)(−0,125) = 0,1104
VA = Δ1/Δ = 0,5813/0,1104 = 5,264 V
VB = Δ2/Δ = 0,8813/0,1104 = 7,981 V

Ответ

IR1 = (V1 − VA)/R1 = (9 − 5,264)/20 = 0,1868 A
4.Метод узловых потенциалов

Ответ: Is = 1,111 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

VA известно, поэтому это уравнение даёт VB.

(VA − V1)/R1 + VA/R2 + (VA − VB)/R3 = 0
(4 − 10)/10 + 4/3 = (VB − 4)/10
0,7333 = (VB − 4)/10 → VB = 11,33 V

ЗТК в узле B

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

Is = (VB − VA)/R3 + VB/R4 = (11,33 − 4)/10 + 11,33/30 = 1,111 A

Ответ

Is = 1,111 A
5.Тевенин и Нортон

Ответ: Rth = 8,444 Ω

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​ = 8 ΩR3​ = 4 ΩКЗR2​10 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 = 8·10/(8+10) = 4,444 Ω
Rth = (R1 ∥ R2) + R3 = 4,444 + 4 = 8,444 Ω
6.Тевенин и Нортон

Ответ: IN = 1,9 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​ = 8 ΩR3​ = 20 ΩКЗR2​5 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 = 8·5/(8+5) = 3,077 Ω
Rth = (R1 ∥ R2) + R3 = 3,077 + 20 = 23,08 Ω
R1​ = 8 ΩR3​ = 20 Ω+−V1​24 VR2​5 ΩAIs​1,5 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) = 9,231 + 1,5·3,077 = 13,85 V
Vth = VB = VA + Is·R3 = 13,85 + 1,5·20 = 43,85 V
IN​1,9 ARth​23,08 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 = 43,85/23,08 = 1,9 A
7.Переходные процессы RC и RL

Ответ: i = 0,03185 A

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 = 22 mH / 100 Ω = 0,22 ms

Убывание тока

i(t) = 3·e−1/0,22 = 0,03185 A

Ответ

i = 0,03185 A
8.Переходные процессы RC и RL

Ответ: C = 0,3837 µF

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.

Требуемая постоянная времени

11,25 = 15·(1 − e−25/τ) → τ = 25/ln(15/(15 − 11,25))
τ = 25/1,386 = 18,03 ms

Ёмкость

kΩ умножить на µF даёт миллисекунды.

C = τ/R = 18,03/47 = 0,3837 µF

Ответ

C = 0,3837 µF
9.Полное сопротивление и комплексные амплитуды

Ответ: φ = −73,57 °

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·60 = 377 rad/s
XL = ωL = 377·0,05 = 18,85 Ω
XC = 1/(ωC) = 1/(377·22·10⁻⁶) = 120,6 Ω

Полное сопротивление

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

|Z| = √(R² + (XL − XC)²) = √(30² + (−101,7)²) = 106,1 Ω

Угол сдвига фаз

φ = arctan((XL − XC)/R) = arctan(−101,7/30) = −73,57°

Ответ

φ = −73,57°
10.Полное сопротивление и комплексные амплитуды

Ответ: VC = 0,1291 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·1000 = 6283 rad/s
XL = ωL = 6283·0,05 = 314,2 Ω
XC = 1/(ωC) = 1/(6283·47·10⁻⁶) = 3,386 Ω

Полное сопротивление

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

|Z| = √(R² + (XL − XC)²) = √(50² + (310,8)²) = 314,8 Ω

Ток

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

I = V/|Z| = 12/314,8 = 0,03812 A

Напряжение на конденсаторе

VC = I·XC = 0,03812·3,386 = 0,1291 V

Ответ

VC = 0,1291 V
11.Мощность переменного тока и коэффициент мощности

Ответ: cos φ = 0,9298

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 = 29·tan(arccos 0,7) = 29,59 kvar
Q2 = −25·tan(arccos 0,95) = −8,217 kvar

Суммы

P = 29 + 25 = 54 kW
Q = 29,59 + (−8,217) = 21,37 kvar
S = √(54² + 21,37²) = 58,07 kVA

Общий коэффициент мощности

cos φ = P/S = 54/58,07 = 0,9298 отстающий

Ответ

cos φ = 0,9298
12.Мощность переменного тока и коэффициент мощности

Ответ: ΔP = 12,04 kW

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 существующей нагрузки

Q1 = 11·tan(arccos 0,75) = 9,701 kvar

Наибольшая суммарная активная мощность

При полной нагрузке S = Smax, а Q от активной нагрузки не меняется.

P = √(Smax² − Q1²) = √(25² − 9,701²) = 23,04 kW

Дополнительная активная мощность

ΔP = 23,04 − 11 = 12,04 kW

Ответ

ΔP = 12,04 kW
13.Трёхфазная мощность

Ответ: P = 5,167 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.

Фазное напряжение

Vph = 415/√3 = 239,6 V

Фазный ток

|Z| = √(12² + 16²) = 20 Ω
Iph = 239,6/20 = 11,98 A

Полная активная мощность

Активную мощность потребляет только активная составляющая каждого сопротивления.

P = 3·Iph²·R = 3·11,98²·12 = 5,167 kW

Ответ

P = 5,167 kW

Проверка: cos φ = R/|Z| = 0,6, и √3·VL·IL·cos φ даёт ту же мощность.

14.Трёхфазная мощность

Ответ: Cph = 242,5 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 = 50·tan(acos 0,8) = 50·0,75 = 37,5 kvar
Q2 = 50·tan(acos 0,95) = 50·0,3287 = 16,43 kvar

Реактивная мощность конденсаторов

QC = Q1 − Q2 = 21,07 kvar

Ёмкость на фазу

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

V = 480/√3 = 277,1 V, ω = 2π·60 = 377 rad/s
Cph = (QC/3)/(ω·V²) = 7022/(377·277,1²) = 242,5 µF

Ответ

Cph = 242,5 µF
15.Трансформаторы

Ответ: IHV = 50 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.

Номинальный ток

Через обе обмотки передаётся одинаковая полная мощность.

IHV = S/V = 500000/10000 = 50 A

Ответ

IHV = 50 A
16.Трансформаторы

Ответ: Ploss = 475 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.

Потери в меди при этой нагрузке

Pcu = x²·Pcu,fl = 0,0625·1200 = 75 W

Суммарные потери

Потери в стали одинаковы при любой нагрузке.

Ploss = 400 + 75 = 475 W

Ответ

Ploss = 475 W

КПД при этой нагрузке η = 97,93%.

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