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​ = 2 ΩR3​ = 3 Ω+−V1​9 VR2​4 ΩAR4​8 ΩB

Найдите эквивалентное сопротивление Req, которое видит источник V1.

V1 = 9 VR1 = 2 ΩR2 = 4 ΩR3 = 3 ΩR4 = 8 Ω
Req = Ω
2.Последовательные и параллельные резисторыСложная
R1​ = 4 ΩIR1​R3​ = 2 ΩR5​ = 10 Ω+−V1​24 VR2​20 ΩAR4​25 ΩBR6​12 Ω

Найдите ток IR1, отдаваемый источником и текущий через R1.

V1 = 24 VR1 = 4 ΩR2 = 20 ΩR3 = 2 ΩR4 = 25 ΩR5 = 10 ΩR6 = 12 Ω
IR1 = A
3.Метод узловых потенциаловСредняя
R1​ = 10 ΩR3​ = 10 Ω+−V1​6 VR2​5 ΩAR4​2 ΩBIs​3 A

Используйте метод узловых потенциалов, чтобы найти узловое напряжение VA (относительно земли).

V1 = 6 VIs = 3 AR1 = 10 ΩR2 = 5 ΩR3 = 10 ΩR4 = 2 Ω
VA = V
4.Метод узловых потенциаловСложная
R1​ = 10 ΩR3​ = 4 Ω+−V1​18 VR2​30 ΩAR4​2 ΩB0,2·VA​

Ромб — это источник тока, управляемый напряжением, который направляет ток 0,2·VA (в A при VA в V) вверх в узел B. Методом узловых потенциалов найдите узловое напряжение VA (относительно земли).

V1 = 18 VR1 = 10 ΩR2 = 30 ΩR3 = 4 ΩR4 = 2 Ωg = 0,2 A/V
VA = V
5.Тевенин и НортонСредняя
R1​ = 10 ΩR3​ = 10 Ω+−V1​9 VR2​6 ΩAab

Найдите сопротивление Тевенина Rth со стороны зажимов a–b.

V1 = 9 VR1 = 10 ΩR2 = 6 ΩR3 = 10 Ω
Rth = Ω
6.Тевенин и НортонСложная
R1​ = 10 ΩR3​ = 25 Ω+−V1​10 VR2​4 ΩAIs​1 ABRL​25 ΩIL​

К a–b подключена нагрузка RL = 25 Ω. Замените остальную цепь эквивалентом Тевенина и найдите ток нагрузки IL.

V1 = 10 VIs = 1 AR1 = 10 ΩR2 = 4 ΩR3 = 25 ΩRL = 25 Ω
IL = A
7.Переходные процессы RC и RLСредняя
+−Vs​10 Vt = 0R = 47 ΩL150 mHi(t)

До замыкания ключа в момент t = 0 тока через катушку нет. Найдите напряжение vL на катушке в момент t = 5 ms.

Vs = 10 VR = 47 ΩL = 150 mHt = 5 ms
vL = V
8.Переходные процессы RC и RLСложная
+−Vs​12 Vt = 0R = 2,2 kΩC68 µF+−vC​vC​(0) = 20 V

Непосредственно перед замыканием ключа в момент t = 0 конденсатор заряжен до 20 V с указанной полярностью. Найдите напряжение на конденсаторе vC в момент t = 400 ms.

Vs = 12 VR = 2,2 kΩC = 68 µFvC(0) = 20 Vt = 400 ms
vC = V
9.Полное сопротивление и комплексные амплитудыСредняя
120 V200 HzR = 30 ΩL = 250 mHC = 47 µF

Последовательная цепь RLC подключена к сети 120 V (действующее значение), 200 Hz. Найдите угол сдвига фаз φ полного сопротивления в градусах (положительный, когда ток отстаёт от напряжения).

V = 120 V (rms)f = 200 HzR = 30 ΩL = 250 mHC = 47 µF
φ = °
10.Полное сопротивление и комплексные амплитудыСложная
50 V200 HzR1​ = 25 ΩR2​ = 40 ΩC = 47 µF

Резистор R1 включён последовательно с параллельным соединением R2 и конденсатора C в сеть 50 V (действующее значение), 200 Hz. Найдите модуль полного сопротивления |Z|.

V = 50 V (rms)f = 200 HzR1 = 25 ΩR2 = 40 ΩC = 47 µF
|Z| = Ω
11.Мощность переменного тока и коэффициент мощностиСредняя
P = 5 kWQ = ?Sφ

Однофазный двигатель потребляет 5 kW при коэффициенте мощности 0,7 (индуктивном) от сети 240 V. Найдите реактивную мощность Q, которую он потребляет.

P = 5 kWpf = 0,7V = 240 V
Q = kvar
12.Мощность переменного тока и коэффициент мощностиСложная
400 V60 Hzнагрузка24 kW, 0,65C330 µFI

Однофазная нагрузка потребляет 24 kW при коэффициенте мощности 0,65 (индуктивном) от сети 400 V, 60 Hz. Параллельно нагрузке подключён конденсатор 330 µF. Найдите новый коэффициент мощности cos φ со стороны сети.

P = 24 kWpf1 = 0,65V = 400 Vf = 60 HzC = 330 µF
cos φ =
13.Трёхфазная мощностьСредняя
ABCVL​ = 415 VIL​ = 15 Acos φ = 0,9отстающий

Симметричная трёхфазная нагрузка потребляет линейный ток 15 A от сети с линейным напряжением 415 V. Коэффициент мощности 0,9 (отстающий). Найдите полную активную мощность P, потребляемую нагрузкой, в kW.

VL = 415 VIL = 15 Acos φ = 0,9
P = kW
14.Трёхфазная мощностьСложная
P = 300 kWφ1​S1​Q2​QC​ = ?

Симметричная трёхфазная нагрузка потребляет 300 kW при коэффициенте мощности 0,72 (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. Найдите полную реактивную мощность QC, которую должна выдавать конденсаторная батарея, в kvar.

P = 300 kWpf1 = 0,72pf2 = 0,9VL = 415 Vf = 50 Hz
QC = kvar
15.ТрансформаторыСредняя
RL​ = 24 Ω21240 VV2​I1​ = ?I2​

К первичной обмотке идеального трансформатора с коэффициентом трансформации N₁:N₂ = 2:1 приложено 240 V. К вторичной обмотке подключён резистор 24 Ω. Найдите первичный ток I1.

N1:N2 = 2:1V1 = 240 VRL = 24 Ω
I1 = A
16.ТрансформаторыСложная
pf 0,95250 kVA, 75% нагрузка

Однофазный трансформатор 250 kVA имеет потери в стали 2000 W и потери в меди 6000 W при номинальной нагрузке. Он отдаёт 75% номинальной мощности в kVA при коэффициенте мощности 0,95 (отстающий). Найдите суммарные потери Ploss в ваттах при этой нагрузке.

S = 250 kVAPcore = 2000 WPcu,fl = 6000 Wx = 0,75pf = 0,95
Ploss = W

3Растворы

1.Последовательные и параллельные резисторы

Ответ: Req = 4,933 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​ = 2 ΩR3​ = 3 Ω+−V1​9 VR2​4 ΩAR4​8 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 = 3 + 8 = 11 Ω
R2 ∥ 11 = 4·11/(4+11) = 2,933 Ω
Req = R1 + 2,933 = 2 + 2,933 = 4,933 Ω

Ответ

Req = 4,933 Ω
2.Последовательные и параллельные резисторы

Ответ: IR1 = 1,978 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​ = 4 ΩR3​ = 2 ΩR5​ = 10 Ω+−V1​24 VR2​20 ΩAR4​25 ΩBR6​12 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 = 10 + 12 = 22 Ω
R4 ∥ 22 = 11,7 Ω
R3 + 11,7 = 13,7 Ω
R2 ∥ 13,7 = 8,131 Ω
Req = R1 + 8,131 = 4 + 8,131 = 12,13 Ω

Ток источника

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

IR1 = V1/Req = 24/12,13 = 1,978 A

Ответ

IR1 = 1,978 A
3.Метод узловых потенциалов

Ответ: VA = 0,2609 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.

R1​ = 10 ΩR3​ = 10 Ω+−V1​6 VR2​5 ΩAR4​2 ΩBIs​3 A

Определите узлы

Земля — нижний провод. Известные узловые напряжения берутся прямо из источников (V1 = 6 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/5 + (VA − 6)/10 + (VA − VB)/10 = 0
0,4·VA − 0,1·VB = 0,6

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)/10 = (−3)
−0,1·VA + 0,6·VB = −3

Решите

Δ = (0,4)(0,6) − (−0,1)(−0,1) = 0,23
VA = Δ1/Δ = 0,06/0,23 = 0,2609 V
VB = Δ2/Δ = −1,14/0,23 = −4,957 V

Ответ

VA = 0,2609 V
4.Метод узловых потенциалов

Ответ: VA = 7,714 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.

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
0,3833·VA − 0,25·VB = 1,8

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.

(VB − VA)/R3 + VB/R4 = 0,2·VA
−0,45·VA + 0,75·VB = 0

Решите

Δ = (0,3833)(0,75) − (−0,25)(−0,45) = 0,175
VA = Δ1/Δ = 1,35/0,175 = 7,714 V
VB = Δ2/Δ = 0,81/0,175 = 4,629 V

Ответ

VA = 7,714 V
5.Тевенин и Нортон

Ответ: Rth = 13,75 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​ = 10 ΩR3​ = 10 ΩКЗR2​6 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 = 10·6/(10+6) = 3,75 Ω
Rth = (R1 ∥ R2) + R3 = 3,75 + 10 = 13,75 Ω
6.Тевенин и Нортон

Ответ: IL = 0,5811 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​ = 10 ΩR3​ = 25 ΩКЗR2​4 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 = 10·4/(10+4) = 2,857 Ω
Rth = (R1 ∥ R2) + R3 = 2,857 + 25 = 27,86 Ω
R1​ = 10 ΩR3​ = 25 Ω+−V1​10 VR2​4 ΩAIs​1 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) = 2,857 + 1·2,857 = 5,714 V
Vth = VB = VA + Is·R3 = 5,714 + 1·25 = 30,71 V
Rth​ = 27,86 Ω+−Vth​30,71 VRL​25 ΩIL​

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) = 30,71/(27,86 + 25) = 0,5811 A
7.Переходные процессы RC и RL

Ответ: vL = 2,087 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.

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 = 150 mH / 47 Ω = 3,191 ms
i(∞) = Vs/R = 10/47 = 0,2128 A

Напряжение на катушке

В момент t = 0 всё напряжение питания приложено к катушке; затем оно спадает до нуля.

vL(t) = Vs·e−t/τ = 10·e−5/3,191 = 2,087 V

Ответ

vL = 2,087 V
8.Переходные процессы RC и RL

Ответ: vC = 12,55 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) = 20 V, vC(∞) = Vs = 12 V
τ = R·C = 2,2 kΩ · 68 µF = 149,6 ms
vC(t) = 12 + (20 − 12)·e−t/τ

Напряжение в заданный момент

vC(400) = 12 + (8)·e−400/149,6 = 12,55 V

Ответ

vC = 12,55 V
9.Полное сопротивление и комплексные амплитуды

Ответ: φ = 84,24 °

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·200 = 1257 rad/s
XL = ωL = 1257·0,25 = 314,2 Ω
XC = 1/(ωC) = 1/(1257·47·10⁻⁶) = 16,93 Ω

Полное сопротивление

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

|Z| = √(R² + (XL − XC)²) = √(30² + (297,2)²) = 298,7 Ω

Угол сдвига фаз

φ = arctan((XL − XC)/R) = arctan(297,2/30) = 84,24°

Ответ

φ = 84,24°
10.Полное сопротивление и комплексные амплитуды

Ответ: |Z| = 34,23 Ω

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/(2π·200·47·10⁻⁶) = 16,93 Ω

Параллельное соединение

Умножьте числитель и знаменатель на комплексно сопряжённое число, чтобы разделить Zp на действительную и мнимую части.

Zp = R₂·(−jXC)/(R₂ − jXC) = (R₂·XC² − jR₂²·XC)/(R₂² + XC²)
Zp = 6,078 − j14,36 Ω

Полное сопротивление цепи

Z = 25 + 6,078 − j14,36 = 31,08 − j14,36 Ω
|Z| = √(31,08² + 14,36²) = 34,23 Ω

Ответ

|Z| = 34,23 Ω
11.Мощность переменного тока и коэффициент мощности

Ответ: Q = 5,101 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(0,7) = 45,57°, tan φ = 1,02

Реактивная мощность

Q = P·tan φ = 5·1,02 = 5,101 kvar

Ответ

Q = 5,101 kvar
12.Мощность переменного тока и коэффициент мощности

Ответ: cos φ = 0,9468

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 = 24·tan(arccos 0,65) = 28,06 kvar
QC = V²·2πf·C = 400²·2π·60·330·10⁻⁶ = 19905 var = 19,91 kvar
Q2 = 28,06 − 19,91 = 8,154 kvar

Новая полная мощность

S2 = √(24² + 8,154²) = 25,35 kVA

Новый коэффициент мощности

cos φ = P/S2 = 24/25,35 = 0,9468

Ответ

cos φ = 0,9468
13.Трёхфазная мощность

Ответ: P = 9,704 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 = √3·415·15 = 10,78 kVA

Активная мощность

P = S·cos φ = 10,78·0,9 = 9,704 kW

Ответ

P = 9,704 kW
14.Трёхфазная мощность

Ответ: QC = 143,9 kvar

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 = 300·tan(acos 0,72) = 300·0,9639 = 289,2 kvar
Q2 = 300·tan(acos 0,9) = 300·0,4843 = 145,3 kvar

Реактивная мощность конденсаторов

QC = Q1 − Q2 = 143,9 kvar

Ответ

QC = 143,9 kvar
15.Трансформаторы

Ответ: I1 = 2,5 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 = 240/2 = 120 V
I2 = 120/24 = 5 A

Первичный ток

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

I1 = I2/2 = 2,5 A

Ответ

I1 = 2,5 A

Проверка: нагрузка со стороны первичной обмотки равна a²·RL = 96 Ω, и 240/96 даёт тот же ток.

16.Трансформаторы

Ответ: Ploss = 5375 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 = 0,5625·6000 = 3375 W

Суммарные потери

Потери в стали одинаковы при любой нагрузке.

Ploss = 2000 + 3375 = 5375 W

Ответ

Ploss = 5375 W

КПД при этой нагрузке η = 97,07%.

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