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​ = 4 ΩR3​ = 8 Ω+−V1​18 VR2​4 ΩAR4​15 ΩB

Найдите эквивалентное сопротивление Req, которое видит источник V1.

V1 = 18 VR1 = 4 ΩR2 = 4 ΩR3 = 8 ΩR4 = 15 Ω
Req = Ω
2.Последовательные и параллельные резисторыСложная
R1​ = 25 ΩIR1​R3​ = 3 ΩR5​ = 10 Ω+−V1​9 VR2​8 ΩAR4​10 ΩBR6​8 Ω

Найдите ток IR1, отдаваемый источником и текущий через R1.

V1 = 9 VR1 = 25 ΩR2 = 8 ΩR3 = 3 ΩR4 = 10 ΩR5 = 10 ΩR6 = 8 Ω
IR1 = A
3.Метод узловых потенциаловСредняя
R1​ = 4 ΩR3​ = 15 ΩIR3​+−V1​15 VR2​12 ΩAR4​4 ΩBIs​5 A

Используйте метод узловых потенциалов, чтобы найти ток IR3 через R3 в направлении стрелки.

V1 = 15 VIs = 5 AR1 = 4 ΩR2 = 12 ΩR3 = 15 ΩR4 = 4 Ω
IR3 = A
4.Метод узловых потенциаловСложная
R1​ = 2 Ω−+Vs​ = 5 VIx​+−V1​10 VR2​25 ΩAR3​30 ΩBIs​2,5 A

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.

V1 = 10 VIs = 2,5 AVs = 5 VR1 = 2 ΩR2 = 25 ΩR3 = 30 Ω
Ix = A
5.Тевенин и НортонСредняя
R1​ = 20 ΩR3​ = 4 Ω+−V1​24 VR2​20 ΩAab

Найдите напряжение Тевенина Vth со стороны зажимов a–b.

V1 = 24 VR1 = 20 ΩR2 = 20 ΩR3 = 4 Ω
Vth = V
6.Тевенин и НортонСложная
R1​ = 30 ΩR3​ = 6 Ω+−V1​12 VR2​15 ΩAIs​2,5 ABab

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

V1 = 12 VIs = 2,5 AR1 = 30 ΩR2 = 15 ΩR3 = 6 Ω
IN = A
7.Переходные процессы RC и RLСредняя
+−Vs​12 Vt = 0R1​ = 3,3 kΩR2​ = 6,8 kΩC68 µF+−vC​

Источник Vₛ заряжает конденсатор через R₁, а R₂ подключён параллельно C. Конденсатор разряжен, когда ключ замыкается в момент t = 0. Найдите напряжение на конденсаторе vC в момент t = 300 ms.

Vs = 12 VR1 = 3,3 kΩR2 = 6,8 kΩC = 68 µFt = 300 ms
vC = V
8.Переходные процессы RC и RLСложная
+−Vs​20 Vразмыкается при t = 0R1​ = 4,7 kΩR2​ = 2,2 kΩC47 µF+−vC​

Ключ был замкнут долгое время, поэтому цепь находится в установившемся режиме. При t = 0 ключ размыкается. Найдите напряжение на конденсаторе vC в момент t = 300 ms.

Vs = 20 VR1 = 4,7 kΩR2 = 2,2 kΩC = 47 µFt = 300 ms
vC = V
9.Полное сопротивление и комплексные амплитудыСредняя
120 V60 HzR = 80 ΩL = 100 mHC = 47 µFI

Последовательная цепь RLC подключена к сети 120 V (действующее значение), 60 Hz. Найдите действующее значение тока I.

V = 120 V (rms)f = 60 HzR = 80 ΩL = 100 mHC = 47 µF
I = A
10.Полное сопротивление и комплексные амплитудыСложная
12 V60 HzR = 25 ΩL = 150 mHC = 100 µF

Последовательная цепь RLC подключена к сети 12 V (действующее значение), 60 Hz. Найдите резонансную частоту f0 цепи.

V = 12 V (rms)f = 60 HzR = 25 ΩL = 150 mHC = 100 µF
f0 = Hz
11.Мощность переменного тока и коэффициент мощностиСредняя
P = 11 kWQSφ

Однофазный двигатель потребляет 11 kW при коэффициенте мощности 0,6 (индуктивном) от сети 400 V. Найдите ток линии I.

P = 11 kWpf = 0,6V = 400 V
I = A
12.Мощность переменного тока и коэффициент мощностиСложная
P1​ = 46 kWQ1​S1​φ

Однофазный трансформатор 150 kVA питает нагрузку 46 kW при коэффициенте мощности 0,7 (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 = 150 kVAP1 = 46 kWpf1 = 0,7
ΔP = kW
13.Трёхфазная мощностьСредняя
ABCVL​ = 208 VZ = 24 + j18 Ωна фазу

Симметричная нагрузка, соединённая треугольником, с полным сопротивлением 24 + j18 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 = 24 + j18 Ω на фазу
P = kW
14.Трёхфазная мощностьСложная
P = 60 kWφ1​S1​Q2​QC​ = ?

Симметричная трёхфазная нагрузка потребляет 60 kW при коэффициенте мощности 0,65 (отстающий) от сети 400 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 = 60 kWpf1 = 0,65pf2 = 0,9VL = 400 Vf = 50 Hz
QC = kvar
15.ТрансформаторыСредняя
6600 V230 VIHV​ = ?ILV​250 kVA

Однофазный трансформатор 250 kVA, 6600/230 V работает при номинальной нагрузке. Считайте его идеальным. Найдите ток IHV в обмотке высшего напряжения.

S = 250 kVAV1 = 6600 VV2 = 230 V
IHV = A
16.ТрансформаторыСложная
pf 0,850 kVA, η = 98,8%

Однофазный трансформатор 50 kVA имеет потери в стали 300 W. При номинальной нагрузке и коэффициенте мощности 0,8 (отстающий) его КПД равен 98,8%. Найдите потери в меди при номинальной нагрузке Pcu,fl в ваттах.

S = 50 kVAPcore = 300 Wpf = 0,8η = 98,8%
Pcu,fl = W

3Растворы

1.Последовательные и параллельные резисторы

Ответ: Req = 7,407 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​ = 8 Ω+−V1​18 VR2​4 ΩAR4​15 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 = 8 + 15 = 23 Ω
R2 ∥ 23 = 4·23/(4+23) = 3,407 Ω
Req = R1 + 3,407 = 4 + 3,407 = 7,407 Ω

Ответ

Req = 7,407 Ω
2.Последовательные и параллельные резисторы

Ответ: IR1 = 0,3069 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​ = 25 ΩR3​ = 3 ΩR5​ = 10 Ω+−V1​9 VR2​8 ΩAR4​10 ΩBR6​8 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 + 8 = 18 Ω
R4 ∥ 18 = 6,429 Ω
R3 + 6,429 = 9,429 Ω
R2 ∥ 9,429 = 4,328 Ω
Req = R1 + 4,328 = 25 + 4,328 = 29,33 Ω

Ток источника

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

IR1 = V1/Req = 9/29,33 = 0,3069 A

Ответ

IR1 = 0,3069 A
3.Метод узловых потенциалов

Ответ: IR3 = −0,3977 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​ = 15 Ω+−V1​15 VR2​12 ΩAR4​4 ΩBIs​5 A

Определите узлы

Земля — нижний провод. Известные узловые напряжения берутся прямо из источников (V1 = 15 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/12 + (VA − 15)/4 + (VA − VB)/15 = 0
0,4·VA − 0,06667·VB = 3,75

ЗТК в узле B

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

VB/R4 + (VB − VA)/R3 = Is
VB/4 + (VB − VA)/15 = 5
−0,06667·VA + 0,3167·VB = 5

Решите

Δ = (0,4)(0,3167) − (−0,06667)(−0,06667) = 0,1222
VA = Δ1/Δ = 1,521/0,1222 = 12,44 V
VB = Δ2/Δ = 2,25/0,1222 = 18,41 V

Ответ

IR3 = (VA − VB)/R3 = (12,44 − 18,41)/15 = −0,3977 A
4.Метод узловых потенциалов

Ответ: Ix = −1,907 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 + 5
(VA − V1)/R1 + VA/R2 + VB/R3 = Is

Решите

(VA − 10)/2 + VA/25 + (VA + 5)/30 = 2,5
VA·(1/2 + 1/25 + 1/30) = 2,5 + 10/2 − 5/30 = 7,333
VA = 7,333/0,5733 = 12,79 V
VB = 17,79 V

Ток через источник напряжения

ЗТК только для узла A: ток, приходящий через R₁, уходит через R₂ и через источник напряжения.

IR1 = (10 − 12,79)/2 = −1,395 A
Ix = IR1 − VA/R2 = −1,395 − 12,79/25 = −1,907 A

Ответ

Ix = −1,907 A

Отрицательный результат означает, что в действительности ток течёт против стрелки.

5.Тевенин и Нортон

Ответ: Vth = 12 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​ = 20 ΩR3​ = 4 ΩКЗR2​20 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 = 20·20/(20+20) = 10 Ω
Rth = (R1 ∥ R2) + R3 = 10 + 4 = 14 Ω
R1​ = 20 ΩR3​ = 4 Ω+−V1​24 VR2​20 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) = 24·20/(20+20) = 12 V
6.Тевенин и Нортон

Ответ: IN = 2,75 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​ = 30 ΩR3​ = 6 ΩКЗR2​15 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 = 30·15/(30+15) = 10 Ω
Rth = (R1 ∥ R2) + R3 = 10 + 6 = 16 Ω
R1​ = 30 ΩR3​ = 6 Ω+−V1​12 VR2​15 ΩAIs​2,5 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) = 4 + 2,5·10 = 29 V
Vth = VB = VA + Is·R3 = 29 + 2,5·6 = 44 V
IN​2,75 ARth​16 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 = 44/16 = 2,75 A
7.Переходные процессы RC и RL

Ответ: vC = 6,97 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.

Эквивалентная схема Тевенина со стороны конденсатора

Закоротите источник, чтобы найти Rth; отключите конденсатор, чтобы найти напряжение, до которого он зарядится.

Rth = R1 ∥ R2 = 3,3·6,8/(3,3 + 6,8) = 2,222 kΩ
vC(∞) = 12·6,8/(3,3 + 6,8) = 8,079 V

Постоянная времени

τ = Rth·C = 2,222·68 = 151,1 ms

Кривая заряда

vC(t) = 8,079·(1 − e−300/151,1) = 6,97 V

Ответ

vC = 6,97 V
8.Переходные процессы RC и RL

Ответ: vC = 0,3504 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 напряжение конденсатора

В установившемся режиме конденсатор — разрыв, поэтому R₁ и R₂ образуют делитель напряжения. Напряжение конденсатора не может измениться скачком при размыкании ключа.

vC(0) = 20·2,2/(4,7 + 2,2) = 6,377 V

Постоянная времени после размыкания ключа

τ = R2·C = 2,2·47 = 103,4 ms

Разряд

vC(t) = 6,377·e−300/103,4 = 0,3504 V

Ответ

vC = 0,3504 V
9.Полное сопротивление и комплексные амплитуды

Ответ: I = 1,46 A

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 = 377·0,1 = 37,7 Ω
XC = 1/(ωC) = 1/(377·47·10⁻⁶) = 56,44 Ω

Полное сопротивление

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

|Z| = √(R² + (XL − XC)²) = √(80² + (−18,74)²) = 82,17 Ω

Ток

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

I = V/|Z| = 120/82,17 = 1,46 A

Ответ

I = 1,46 A
10.Полное сопротивление и комплексные амплитуды

Ответ: f0 = 41,09 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.

f0 = 1/(2π√(LC)) = 1/(2π·√(0,15·100·10⁻⁶)) = 41,09 Hz

Ответ

f0 = 41,09 Hz
11.Мощность переменного тока и коэффициент мощности

Ответ: I = 45,83 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) = 11000/(400·0,6) = 45,83 A

Ответ

I = 45,83 A
12.Мощность переменного тока и коэффициент мощности

Ответ: ΔP = 96,47 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 = 46·tan(arccos 0,7) = 46,93 kvar

Наибольшая суммарная активная мощность

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

P = √(Smax² − Q1²) = √(150² − 46,93²) = 142,5 kW

Дополнительная активная мощность

ΔP = 142,5 − 46 = 96,47 kW

Ответ

ΔP = 96,47 kW
13.Трёхфазная мощность

Ответ: P = 3,461 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 = VL = 208 V

Фазный ток

|Z| = √(24² + 18²) = 30 Ω
Iph = 208/30 = 6,933 A

Полная активная мощность

Активную мощность потребляет только активная составляющая каждого сопротивления.

P = 3·Iph²·R = 3·6,933²·24 = 3,461 kW

Ответ

P = 3,461 kW

Проверка: cos φ = R/|Z| = 0,8, и √3·VL·IL·cos φ даёт ту же мощность.

14.Трёхфазная мощность

Ответ: QC = 41,09 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 = 60·tan(acos 0,65) = 60·1,169 = 70,15 kvar
Q2 = 60·tan(acos 0,9) = 60·0,4843 = 29,06 kvar

Реактивная мощность конденсаторов

QC = Q1 − Q2 = 41,09 kvar

Ответ

QC = 41,09 kvar
15.Трансформаторы

Ответ: IHV = 37,88 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 = 250000/6600 = 37,88 A

Ответ

IHV = 37,88 A
16.Трансформаторы

Ответ: Pcu,fl = 185,8 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.

Выходная и потребляемая мощность

Pout = 50·0,8 = 40 kW
Pin = 40000/0,988 = 40486 W

Суммарные потери и потери в меди

Ploss = 40486 − 40000 = 485,8 W
Pcu,fl = 485,8 − 300 = 185,8 W

Ответ

Pcu,fl = 185,8 W

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