Вывод + источника напряжения Vₛ между A и B находится у B, поэтому он задаёт VB − VA = Vₛ. Методом узловых потенциалов с супер-узлом найдите ток Ix через источник напряжения от A к B, как показано стрелкой.
Is = 3 AVs = 3 VR1 = 6 ΩR2 = 20 Ω
Ix = A
4.Метод узловых потенциаловСложная
Используйте метод узловых потенциалов, чтобы найти узловое напряжение VA (относительно земли).
Найдите сопротивление Тевенина Rth со стороны зажимов a–b.
V1 = 10 VR1 = 10 ΩR2 = 2 ΩR3 = 6 Ω
Rth = Ω
6.Тевенин и НортонСложная
Найдите напряжение Тевенина Vth со стороны зажимов a–b.
V1 = 12 VIs = 3 AR1 = 10 ΩR2 = 4 ΩR3 = 20 Ω
Vth = V
7.Переходные процессы RC и RLСредняя
До замыкания ключа в момент t = 0 тока через катушку нет. Найдите энергию W(∞), запасённую в катушке после установления режима, в mJ.
Vs = 12 VR = 20 ΩL = 22 mH
W(∞) = mJ
8.Переходные процессы RC и RLСложная
Непосредственно перед замыканием ключа в момент t = 0 конденсатор заряжен до 24 V с указанной полярностью. Найдите напряжение на конденсаторе vC в момент t = 200 ms.
Vs = 20 VR = 4,7 kΩC = 68 µFvC(0) = 24 Vt = 200 ms
vC = V
9.Полное сопротивление и комплексные амплитудыСредняя
Последовательная цепь RLC подключена к сети 24 V (действующее значение), 60 Hz. Найдите коэффициент мощности cos φ цепи.
V = 24 V (rms)f = 60 HzR = 100 ΩL = 250 mHC = 10 µF
cos φ =
10.Полное сопротивление и комплексные амплитудыСложная
Последовательная цепь RLC подключена к сети 120 V (действующее значение), 200 Hz. Найдите резонансную частоту f0 цепи.
V = 120 V (rms)f = 200 HzR = 40 ΩL = 20 mHC = 47 µF
f0 = Hz
11.Мощность переменного тока и коэффициент мощностиСредняя
Однофазный двигатель потребляет 32 kW при коэффициенте мощности 0,8 (индуктивном) от сети 400 V. Найдите реактивную мощность Q, которую он потребляет.
P = 32 kWpf = 0,8V = 400 V
Q = kvar
12.Мощность переменного тока и коэффициент мощностиСложная
Источник 50 V (действующее значение), 60 Hz имеет внутреннее сопротивление Zs = 4 + j10 Ω. Полное сопротивление нагрузки ZL можно выбирать произвольно. Найдите наибольшую активную мощность Pmax, которую можно передать нагрузке.
Vs = 50 V (rms)f = 60 HzZs = 4 + j10 Ω
Pmax = W
13.Трёхфазная мощностьСредняя
Симметричная нагрузка, соединённая звездой, с полным сопротивлением 16 + j12 Ω на фазу подключена к симметричной трёхфазной сети с линейным напряжением 208 V. Найдите полную активную мощность P, потребляемую нагрузкой, в kW.
VL = 208 VZ = 16 + j12 Ω на фазу
P = kW
14.Трёхфазная мощностьСложная
Симметричная трёхфазная нагрузка потребляет 200 kW при коэффициенте мощности 0,72 (отстающий) от сети 480 V (линейное), 50 Hz. Трёхфазная конденсаторная батарея, включённая параллельно нагрузке, должна повысить общий коэффициент мощности до 0,92 (отстающий). Активная мощность не меняется. Конденсаторы соединены треугольником. Найдите ёмкость Cph каждого конденсатора в µF.
P = 200 kWpf1 = 0,72pf2 = 0,92VL = 480 Vf = 50 Hz
Cph = µF
15.ТрансформаторыСредняя
Усилитель с выходным сопротивлением 160 Ω питает громкоговоритель 10 Ω через идеальный трансформатор. Для передачи максимальной мощности громкоговоритель должен выглядеть со стороны усилителя как 160 Ω. Найдите коэффициент трансформации a = N₁/N₂.
Rs = 160 ΩRL = 10 Ω
a =
16.ТрансформаторыСложная
Однофазный трансформатор 75 kVA имеет потери в стали 375 W. При номинальной нагрузке и коэффициенте мощности 0,85 (отстающий) его КПД равен 98,2%. Найдите потери в меди при номинальной нагрузке Pcu,fl в ваттах.
S = 75 kVAPcore = 375 Wpf = 0,85η = 98,2%
Pcu,fl = W
3Растворы
1.Последовательные и параллельные резисторы
Ответ: IR2 = 0,3539 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.
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 = 2 + 5 = 7 Ω
R2 ∥ 7 = 8·7/(8+7) = 3,733 Ω
Req = R1 + 3,733 = 20 + 3,733 = 23,73 Ω
Ток источника
Источник видит только Req, поэтому закон Ома даёт ток, который он отдаёт. Этот ток течёт через R₁.
IR1 = V1/Req = 18/23,73 = 0,7584 A
Ток через R₂
Вычтите падение на R₁, чтобы получить напряжение в узле A, то есть напряжение на R₂.
VA = V1 − IR1·R1 = 18 − 0,7584·20 = 2,831 V
IR2 = VA/R2 = 2,831/8 = 0,3539 A
Ответ
IR2 = 0,3539 A
2.Последовательные и параллельные резисторы
Ответ: Req = 13,45 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 = 25 + 30 = 55 Ω
R4 ∥ 55 = 17,19 Ω
R3 + 17,19 = 25,19 Ω
R2 ∥ 25,19 = 3,452 Ω
Req = R1 + 3,452 = 10 + 3,452 = 13,45 Ω
Ответ
Req = 13,45 Ω
3.Метод узловых потенциалов
Ответ: Ix = 0,8077 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.
Образуем супер-узел
Через источник напряжения между A и B течёт неизвестный ток, поэтому ЗТК нельзя записать отдельно для A или B. Объедините A, B и источник в один супер-узел: втекающий в него ток равен вытекающему.
VB = VA + Vs = VA + 3
VA/R1 + VB/R2 = Is
Решите
VA/6 + (VA + 3)/20 = 3
VA = (3 − 3/20)/(1/6 + 1/20) = 13,15 V
VB = 13,15 + 3 = 16,15 V
Ток через источник напряжения
Всё, что проходит через источник от A к B, уходит из узла B через R₂.
Ix = VB/R2 = 16,15/20 = 0,8077 A
Ответ
Ix = 0,8077 A
Отрицательный результат означает, что в действительности ток течёт против стрелки.
4.Метод узловых потенциалов
Ответ: VA = 5,629 V
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 = 12 V, V2 = −10 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/10 + (VA − 12)/2 + (VA − VB)/4 = 0
0,85·VA − 0,25·VB = 6
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/30 + (VB − VA)/4 + (VB − (−10))/4 = (−1,5)
−0,25·VA + 0,5333·VB = −4
Решите
Δ = (0,85)(0,5333) − (−0,25)(−0,25) = 0,3908
VA = Δ1/Δ = 2,2/0,3908 = 5,629 V
VB = Δ2/Δ = −1,9/0,3908 = −4,861 V
Ответ
VA = 5,629 V
5.Тевенин и Нортон
Ответ: Rth = 7,667 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.
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 = 10·2/(10+2) = 1,667 Ω
Rth = (R1 ∥ R2) + R3 = 1,667 + 6 = 7,667 Ω
6.Тевенин и Нортон
Ответ: Vth = 72 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.
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 = 10·4/(10+4) = 2,857 Ω
Rth = (R1 ∥ R2) + R3 = 2,857 + 20 = 22,86 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) = 3,429 + 3·2,857 = 12 V
Vth = VB = VA + Is·R3 = 12 + 3·20 = 72 V
7.Переходные процессы RC и RL
Ответ: W(∞) = 3,96 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 = 22 mH / 20 Ω = 1,1 ms
i(∞) = Vs/R = 12/20 = 0,6 A
Запасённая энергия
W(∞) = ½·L·i(∞)² = ½·22·0,6² = 3,96 mJ
Ответ
W(∞) = 3,96 mJ
8.Переходные процессы RC и RL
Ответ: vC = 22,14 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) = 24 V, vC(∞) = Vs = 20 V
τ = R·C = 4,7 kΩ · 68 µF = 319,6 ms
vC(t) = 20 + (24 − 20)·e−t/τ
Напряжение в заданный момент
vC(200) = 20 + (4)·e−200/319,6 = 22,14 V
Ответ
vC = 22,14 V
9.Полное сопротивление и комплексные амплитуды
Ответ: cos φ = 0,5048
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
XL = 94,25 Ω, XC = 265,3 Ω
Полное сопротивление
|Z| = √(100² + (−171)²) = 198,1 Ω
Коэффициент мощности
cos φ = R/|Z| = 100/198,1 = 0,5048
Цепь ёмкостная, поэтому коэффициент мощности опережающий.
Ответ
cos φ = 0,5048
10.Полное сопротивление и комплексные амплитуды
Ответ: f0 = 164,2 Hz
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|.
Резонанс
При резонансе индуктивное и ёмкостное сопротивления компенсируют друг друга: ωL = 1/(ωC). Частота сети не важна.
11.Мощность переменного тока и коэффициент мощности
Ответ: Q = 24 kvar
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.
Угол
φ = arccos(0,8) = 36,87°, tan φ = 0,75
Реактивная мощность
Q = P·tan φ = 32·0,75 = 24 kvar
Ответ
Q = 24 kvar
12.Мощность переменного тока и коэффициент мощности
Ответ: Pmax = 156,3 W
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.
Сопряжённое согласование
Реактивное сопротивление нагрузки компенсирует реактивное сопротивление источника, а активное сопротивление нагрузки равно активному сопротивлению источника.
ZL = Zs* = 4 − j10 Ω
Наибольшая мощность
I = Vs/(2Rs) = 50/8 = 6,25 A
Pmax = I²·RL = Vs²/(4Rs) = 50²/(4·4) = 156,3 W
Ответ
Pmax = 156,3 W
13.Трёхфазная мощность
Ответ: P = 1,731 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 = 208/√3 = 120,1 V
Фазный ток
|Z| = √(16² + 12²) = 20 Ω
Iph = 120,1/20 = 6,004 A
Полная активная мощность
Активную мощность потребляет только активная составляющая каждого сопротивления.
P = 3·Iph²·R = 3·6,004²·16 = 1,731 kW
Ответ
P = 1,731 kW
Проверка: cos φ = R/|Z| = 0,8, и √3·VL·IL·cos φ даёт ту же мощность.
14.Трёхфазная мощность
Ответ: Cph = 495,4 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 = 200·tan(acos 0,72) = 200·0,9639 = 192,8 kvar
Q2 = 200·tan(acos 0,92) = 200·0,426 = 85,2 kvar
Реактивная мощность конденсаторов
QC = Q1 − Q2 = 107,6 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.
Согласуйте приведённую нагрузку
a²·10 = 160
a = √(160/10) = √16 = 4
Ответ
a = 4
16.Трансформаторы
Ответ: Pcu,fl = 793,5 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.