Через катушку течёт установившийся ток 3 A. При t = 0 ключ замыкает контур через R, а источник отключается, поэтому ток катушки убывает через R. За какое время ток уменьшится до 0,75 A? Найдите t.
i(0) = 3 AR = 15 ΩL = 100 mH
t = ms
8.Переходные процессы RC и RLСложная
Непосредственно перед замыканием ключа в момент t = 0 конденсатор заряжен до 15 V с указанной полярностью. Найдите напряжение на конденсаторе vC в момент t = 150 ms.
Vs = 12 VR = 4,7 kΩC = 68 µFvC(0) = 15 Vt = 150 ms
vC = V
9.Полное сопротивление и комплексные амплитудыСредняя
Последовательная цепь RLC подключена к сети 120 V (действующее значение), 60 Hz. Найдите активную мощность P, потребляемую от источника.
V = 120 V (rms)f = 60 HzR = 25 ΩL = 20 mHC = 47 µF
P = W
10.Полное сопротивление и комплексные амплитудыСложная
Последовательный RLC-контур имеет R = 100 Ω, L = 50 mH и C = 0,022 µF. Найдите его полосу пропускания B (ширину полосы между частотами половинной мощности) в Hz.
R = 100 ΩL = 50 mHC = 0,022 µF
B = Hz
11.Мощность переменного тока и коэффициент мощностиСредняя
Однофазный двигатель потребляет 37 kW при коэффициенте мощности 0,85 (индуктивном) от сети 230 V. Найдите ток линии I.
P = 37 kWpf = 0,85V = 230 V
I = A
12.Мощность переменного тока и коэффициент мощностиСложная
Источник 100 V (действующее значение), 50 Hz имеет внутреннее сопротивление Zs = 10 + j6 Ω. Полное сопротивление нагрузки ZL можно выбирать произвольно. Найдите наибольшую активную мощность Pmax, которую можно передать нагрузке.
Vs = 100 V (rms)f = 50 HzZs = 10 + j6 Ω
Pmax = W
13.Трёхфазная мощностьСредняя
Трёхфазный асинхронный двигатель при полной нагрузке развивает механическую мощность 30 kW. При этой нагрузке его КПД равен 92%, а коэффициент мощности 0,85 (отстающий). Линейное напряжение сети 690 V. Найдите линейный ток IL.
Pout = 30 kWη = 92%cos φ = 0,85VL = 690 V
IL = A
14.Трёхфазная мощностьСложная
Симметричная трёхфазная нагрузка потребляет 200 kW при коэффициенте мощности 0,65 (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. Найдите полную реактивную мощность QC, которую должна выдавать конденсаторная батарея, в kvar.
P = 200 kWpf1 = 0,65pf2 = 0,95VL = 690 Vf = 50 Hz
QC = kvar
15.ТрансформаторыСредняя
Однофазный трансформатор 500 kVA, 480/240 V работает при номинальной нагрузке. Считайте его идеальным. Найдите ток IHV в обмотке высшего напряжения.
S = 500 kVAV1 = 480 VV2 = 240 V
IHV = A
16.ТрансформаторыСложная
Однофазный трансформатор 100 kVA имеет потери в стали 600 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 = 100 kVAPcore = 600 Wpf = 0,85η = 98,2%
Pcu,fl = W
3Растворы
1.Последовательные и параллельные резисторы
Ответ: Req = 19,24 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 = 6 + 3 = 9 Ω
R2 ∥ 9 = 8·9/(8+9) = 4,235 Ω
Req = R1 + 4,235 = 15 + 4,235 = 19,24 Ω
Ответ
Req = 19,24 Ω
2.Последовательные и параллельные резисторы
Ответ: Req = 22,76 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 = 10 + 12 = 22 Ω
R4 ∥ 22 = 8,919 Ω
R3 + 8,919 = 33,92 Ω
R2 ∥ 33,92 = 2,756 Ω
Req = R1 + 2,756 = 20 + 2,756 = 22,76 Ω
Ответ
Req = 22,76 Ω
3.Метод узловых потенциалов
Ответ: VA = 1,355 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). 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 − 12)/5 + (VA − VB)/4 = 0
0,575·VA − 0,25·VB = 2,4
ЗТК в узле B
Токи, вытекающие из B через резисторы, равны току, который источники подают в B.
VB/R4 + (VB − VA)/R3 = Is
VB/12 + (VB − VA)/4 = (−2,5)
−0,25·VA + 0,3333·VB = −2,5
Решите
Δ = (0,575)(0,3333) − (−0,25)(−0,25) = 0,1292
VA = Δ1/Δ = 0,175/0,1292 = 1,355 V
VB = Δ2/Δ = −0,8375/0,1292 = −6,484 V
Ответ
VA = 1,355 V
4.Метод узловых потенциалов
Ответ: VA = 14,07 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 = 18 V, V2 = −30 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 − 18)/3 + (VA − VB)/20 = 0
0,4833·VA − 0,05·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/15 + (VB − VA)/20 + (VB − (−30))/12 = 5
−0,05·VA + 0,2·VB = 2,5
Решите
Δ = (0,4833)(0,2) − (−0,05)(−0,05) = 0,09417
VA = Δ1/Δ = 1,325/0,09417 = 14,07 V
VB = Δ2/Δ = 1,508/0,09417 = 16,02 V
Ответ
VA = 14,07 V
5.Тевенин и Нортон
Ответ: IN = 0,9231 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 = 10·20/(10+20) = 6,667 Ω
Rth = (R1 ∥ R2) + R3 = 6,667 + 15 = 21,67 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) = 30·20/(10+20) = 20 V
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 = 20/21,67 = 0,9231 A
6.Тевенин и Нортон
Ответ: PL = 103,8 W
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 = 6·30/(6+30) = 5 Ω
Rth = (R1 ∥ R2) + R3 = 5 + 12 = 17 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) = 5 + 6·5 = 35 V
Vth = VB = VA + Is·R3 = 35 + 6·12 = 107 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) = 107/(17 + 4) = 5,095 A
PL = IL²·RL = 5,095²·4 = 103,8 W
7.Переходные процессы RC и RL
Ответ: t = 9,242 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 / 15 Ω = 6,667 ms
Выразите время
0,75 = 3·e−t/τ → t = τ·ln(3/0,75)
t = 6,667·ln(4) = 9,242 ms
Ответ
t = 9,242 ms
8.Переходные процессы RC и RL
Ответ: vC = 13,88 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) = 15 V, vC(∞) = Vs = 12 V
τ = R·C = 4,7 kΩ · 68 µF = 319,6 ms
vC(t) = 12 + (15 − 12)·e−t/τ
Напряжение в заданный момент
vC(150) = 12 + (3)·e−150/319,6 = 13,88 V
Ответ
vC = 13,88 V
9.Полное сопротивление и комплексные амплитуды
Ответ: P = 119,4 W
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 = 7,54 Ω, XC = 56,44 Ω
Полное сопротивление
|Z| = √(25² + (−48,9)²) = 54,92 Ω
Активная мощность
Катушки и конденсаторы только запасают и возвращают энергию; всю активную мощность потребляет резистор.
I = 120/54,92 = 2,185 A
P = I²·R = 2,185²·25 = 119,4 W
Ответ
P = 119,4 W
10.Полное сопротивление и комплексные амплитуды
Ответ: B = 318,3 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|.
Резонансная частота
f0 = 1/(2π·√(0,05·0,022·10⁻⁶)) = 4799 Hz
Добротность
Добротность сравнивает реактивное сопротивление при резонансе с активным: Q = ω₀L/R.
11.Мощность переменного тока и коэффициент мощности
Ответ: I = 189,3 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.
Ток линии
Работу совершает только активная часть мощности, поэтому разделите на коэффициент мощности.
I = P/(V·cos φ) = 37000/(230·0,85) = 189,3 A
Ответ
I = 189,3 A
12.Мощность переменного тока и коэффициент мощности
Ответ: Pmax = 250 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* = 10 − j6 Ω
Наибольшая мощность
I = Vs/(2Rs) = 100/20 = 5 A
Pmax = I²·RL = Vs²/(4Rs) = 100²/(4·10) = 250 W
Ответ
Pmax = 250 W
13.Трёхфазная мощность
Ответ: IL = 32,1 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 = 30/0,92 = 32,61 kW
Ток линии
IL = Pin/(√3·VL·cos φ) = 32609/(√3·690·0,85) = 32,1 A
Ответ
IL = 32,1 A
14.Трёхфазная мощность
Ответ: QC = 168,1 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 = 200·tan(acos 0,65) = 200·1,169 = 233,8 kvar
Q2 = 200·tan(acos 0,95) = 200·0,3287 = 65,74 kvar
Реактивная мощность конденсаторов
QC = Q1 − Q2 = 168,1 kvar
Ответ
QC = 168,1 kvar
15.Трансформаторы
Ответ: IHV = 1042 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 = 500000/480 = 1042 A
Ответ
IHV = 1042 A
16.Трансформаторы
Ответ: Pcu,fl = 958 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.