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​ = 8 ΩIR1​R3​ = 5 Ω+−V1​6 VR2​5 ΩAR4​3 ΩB

Найдите ток IR1, отдаваемый источником и текущий через R1.

V1 = 6 VR1 = 8 ΩR2 = 5 ΩR3 = 5 ΩR4 = 3 Ω
IR1 = A
2.Последовательные и параллельные резисторыСложная
R1​ = 30 ΩR3​ = 8 ΩR5​ = 25 Ω+−V1​30 VR2​2 ΩAR4​6 ΩBR6​3 Ω

Найдите эквивалентное сопротивление Req, которое видит источник V1.

V1 = 30 VR1 = 30 ΩR2 = 2 ΩR3 = 8 ΩR4 = 6 ΩR5 = 25 ΩR6 = 3 Ω
Req = Ω
3.Метод узловых потенциаловСредняя
R1​ = 12 ΩR3​ = 10 ΩIR3​+−V1​6 VR2​6 ΩAR4​10 ΩBIs​5 A

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

V1 = 6 VIs = 5 AR1 = 12 ΩR2 = 6 ΩR3 = 10 ΩR4 = 10 Ω
IR3 = A
4.Метод узловых потенциаловСложная
R1​ = 3 ΩR2​ = 3 ΩIR2​R4​ = 15 Ω+−V1​9 VR3​2 ΩAR5​30 ΩBIs​2,5 A+−V2​6 V

Используйте метод узловых потенциалов, чтобы найти ток IR2 через R2 в направлении стрелки.

V1 = 9 VIs = 2,5 AV2 = 6 VR1 = 3 ΩR2 = 3 ΩR3 = 2 ΩR4 = 15 ΩR5 = 30 Ω
IR2 = A
5.Тевенин и НортонСредняя
R1​ = 12 ΩR3​ = 10 Ω+−V1​10 VR2​15 ΩAab

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

V1 = 10 VR1 = 12 ΩR2 = 15 ΩR3 = 10 Ω
IN = A
6.Тевенин и НортонСложная
R1​ = 20 ΩR3​ = 12 Ω+−V1​15 VR2​6 ΩAIs​4 ABab

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

V1 = 15 VIs = 4 AR1 = 20 ΩR2 = 6 ΩR3 = 12 Ω
IN = A
7.Переходные процессы RC и RLСредняя
+−Vs​9 Vt = 0R = 50 ΩL47 mHi(t)

До замыкания ключа в момент t = 0 тока через катушку нет. Найдите энергию W, запасённую в катушке при t = 1 ms, в mJ.

Vs = 9 VR = 50 ΩL = 47 mHt = 1 ms
W = mJ
8.Переходные процессы RC и RLСложная
+−Vs​24 Vt = 0R = 2,2 kΩC100 µF+−vC​vC​(0) = 30 V

Непосредственно перед замыканием ключа в момент t = 0 конденсатор заряжен до 30 V с указанной полярностью. Через какое время vC достигнет 27,6 V? Найдите t.

Vs = 24 VR = 2,2 kΩC = 100 µFvC(0) = 30 V
t = ms
9.Полное сопротивление и комплексные амплитудыСредняя
10 V100 HzR = 40 ΩL = 20 mHC = 2,2 µFI

Последовательная цепь RLC подключена к сети 10 V (действующее значение), 100 Hz. Найдите действующее значение тока I.

V = 10 V (rms)f = 100 HzR = 40 ΩL = 20 mHC = 2,2 µF
I = A
10.Полное сопротивление и комплексные амплитудыСложная
230 V500 HzR = 40 ΩL = 20 mHC = 10 µF

Последовательная цепь RLC подключена к сети 230 V (действующее значение), 500 Hz. Найдите резонансную частоту f0 цепи.

V = 230 V (rms)f = 500 HzR = 40 ΩL = 20 mHC = 10 µF
f0 = Hz
11.Мощность переменного тока и коэффициент мощностиСредняя
P = 20 kWQSφ

Однофазный двигатель потребляет 20 kW при коэффициенте мощности 0,6 (индуктивном) от сети 240 V. Найдите ток линии I.

P = 20 kWpf = 0,6V = 240 V
I = A
12.Мощность переменного тока и коэффициент мощностиСложная
230 V60 Hzнагрузка17 kW, 0,65C470 µFI

Однофазная нагрузка потребляет 17 kW при коэффициенте мощности 0,65 (индуктивном) от сети 230 V, 60 Hz. Параллельно нагрузке подключён конденсатор 470 µF. Найдите новый коэффициент мощности cos φ со стороны сети.

P = 17 kWpf1 = 0,65V = 230 Vf = 60 HzC = 470 µF
cos φ =
13.Трёхфазная мощностьСредняя
ABCVL​ = 480 VIL​ = 150 Acos φ = 0,85отстающий

Симметричная трёхфазная нагрузка потребляет линейный ток 150 A от сети с линейным напряжением 480 V. Коэффициент мощности 0,85 (отстающий). Найдите полную активную мощность P, потребляемую нагрузкой, в kW.

VL = 480 VIL = 150 Acos φ = 0,85
P = kW
14.Трёхфазная мощностьСложная
P = 250 kWφ1​S1​Q2​QC​

Симметричная трёхфазная нагрузка потребляет 250 kW при коэффициенте мощности 0,75 (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. Конденсаторы соединены звездой. Найдите ёмкость Cph каждого конденсатора в µF.

P = 250 kWpf1 = 0,75pf2 = 0,95VL = 690 Vf = 50 Hz
Cph = µF
15.ТрансформаторыСредняя
8 ΩN1​N2​32 Ω

Усилитель с выходным сопротивлением 32 Ω питает громкоговоритель 8 Ω через идеальный трансформатор. Для передачи максимальной мощности громкоговоритель должен выглядеть со стороны усилителя как 32 Ω. Найдите коэффициент трансформации a = N₁/N₂.

Rs = 32 ΩRL = 8 Ω
a =
16.ТрансформаторыСложная
pf 0,8525 kVA, 75% нагрузка

Однофазный трансформатор 25 kVA имеет потери в стали 125 W и потери в меди 187,5 W при номинальной нагрузке. Он отдаёт 75% номинальной мощности в kVA при коэффициенте мощности 0,85 (отстающий). Найдите суммарные потери Ploss в ваттах при этой нагрузке.

S = 25 kVAPcore = 125 WPcu,fl = 187,5 Wx = 0,75pf = 0,85
Ploss = W

3Растворы

1.Последовательные и параллельные резисторы

Ответ: IR1 = 0,5417 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​ = 8 ΩR3​ = 5 Ω+−V1​6 VR2​5 ΩAR4​3 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 = 5 + 3 = 8 Ω
R2 ∥ 8 = 5·8/(5+8) = 3,077 Ω
Req = R1 + 3,077 = 8 + 3,077 = 11,08 Ω

Ток источника

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

IR1 = V1/Req = 6/11,08 = 0,5417 A

Ответ

IR1 = 0,5417 A
2.Последовательные и параллельные резисторы

Ответ: Req = 31,73 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​ = 30 ΩR3​ = 8 ΩR5​ = 25 Ω+−V1​30 VR2​2 ΩAR4​6 ΩBR6​3 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 + 3 = 28 Ω
R4 ∥ 28 = 4,941 Ω
R3 + 4,941 = 12,94 Ω
R2 ∥ 12,94 = 1,732 Ω
Req = R1 + 1,732 = 30 + 1,732 = 31,73 Ω

Ответ

Req = 31,73 Ω
3.Метод узловых потенциалов

Ответ: IR3 = −2 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​ = 12 ΩR3​ = 10 Ω+−V1​6 VR2​6 ΩAR4​10 ΩBIs​5 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/6 + (VA − 6)/12 + (VA − VB)/10 = 0
0,35·VA − 0,1·VB = 0,5

ЗТК в узле B

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

VB/R4 + (VB − VA)/R3 = Is
VB/10 + (VB − VA)/10 = 5
−0,1·VA + 0,2·VB = 5

Решите

Δ = (0,35)(0,2) − (−0,1)(−0,1) = 0,06
VA = Δ1/Δ = 0,6/0,06 = 10 V
VB = Δ2/Δ = 1,8/0,06 = 30 V

Ответ

IR3 = (VA − VB)/R3 = (10 − 30)/10 = −2 A
4.Метод узловых потенциалов

Ответ: IR2 = −1,789 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​ = 3 ΩR2​ = 3 ΩR4​ = 15 Ω+−V1​9 VR3​2 ΩAR5​30 ΩBIs​2,5 A+−V2​6 V

Определите узлы

Земля — нижний провод. Известные узловые напряжения берутся прямо из источников (V1 = 9 V, V2 = 6 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/2 + (VA − 9)/3 + (VA − VB)/3 = 0
1,167·VA − 0,3333·VB = 3

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)/3 + (VB − 6)/15 = 2,5
−0,3333·VA + 0,4333·VB = 2,9

Решите

Δ = (1,167)(0,4333) − (−0,3333)(−0,3333) = 0,3944
VA = Δ1/Δ = 2,267/0,3944 = 5,746 V
VB = Δ2/Δ = 4,383/0,3944 = 11,11 V

Ответ

IR2 = (VA − VB)/R2 = (5,746 − 11,11)/3 = −1,789 A
5.Тевенин и Нортон

Ответ: IN = 0,3333 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​ = 12 ΩR3​ = 10 ΩКЗR2​15 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 = 12·15/(12+15) = 6,667 Ω
Rth = (R1 ∥ R2) + R3 = 6,667 + 10 = 16,67 Ω
R1​ = 12 ΩR3​ = 10 Ω+−V1​10 VR2​15 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) = 10·15/(12+15) = 5,556 V
IN​0,3333 ARth​16,67 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 = 5,556/16,67 = 0,3333 A
6.Тевенин и Нортон

Ответ: IN = 4,208 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​ = 20 ΩR3​ = 12 ΩКЗR2​6 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 = 20·6/(20+6) = 4,615 Ω
Rth = (R1 ∥ R2) + R3 = 4,615 + 12 = 16,62 Ω
R1​ = 20 ΩR3​ = 12 Ω+−V1​15 VR2​6 ΩAIs​4 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) = 3,462 + 4·4,615 = 21,92 V
Vth = VB = VA + Is·R3 = 21,92 + 4·12 = 69,92 V
IN​4,208 ARth​16,62 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 = 69,92/16,62 = 4,208 A
7.Переходные процессы RC и RL

Ответ: W = 0,3265 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 = 47 mH / 50 Ω = 0,94 ms
i(∞) = Vs/R = 9/50 = 0,18 A

Ток в заданный момент

i(t) = 0,18·(1 − e−1/0,94) = 0,1179 A

Запасённая энергия

W = ½·L·i² = ½·47·0,1179² = 0,3265 mJ

Ответ

W = 0,3265 mJ
8.Переходные процессы RC и RL

Ответ: t = 112,4 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.

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) = 30 V, vC(∞) = Vs = 24 V
τ = R·C = 2,2 kΩ · 100 µF = 220 ms
vC(t) = 24 + (30 − 24)·e−t/τ

Выразите время

27,6 = 24 + (6)·e−t/τ → e−t/τ = (27,6 − 24)/(30 − 24) = 0,6
t = τ·ln((30 − 24)/(27,6 − 24)) = 220·ln(1,667) = 112,4 ms

Ответ

t = 112,4 ms
9.Полное сопротивление и комплексные амплитуды

Ответ: I = 0,01405 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·100 = 628,3 rad/s
XL = ωL = 628,3·0,02 = 12,57 Ω
XC = 1/(ωC) = 1/(628,3·2,2·10⁻⁶) = 723,4 Ω

Полное сопротивление

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

|Z| = √(R² + (XL − XC)²) = √(40² + (−710,9)²) = 712 Ω

Ток

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

I = V/|Z| = 10/712 = 0,01405 A

Ответ

I = 0,01405 A
10.Полное сопротивление и комплексные амплитуды

Ответ: f0 = 355,9 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·√(0,02·10·10⁻⁶)) = 355,9 Hz

Ответ

f0 = 355,9 Hz
11.Мощность переменного тока и коэффициент мощности

Ответ: I = 138,9 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) = 20000/(240·0,6) = 138,9 A

Ответ

I = 138,9 A
12.Мощность переменного тока и коэффициент мощности

Ответ: cos φ = 0,8508

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 = 17·tan(arccos 0,65) = 19,88 kvar
QC = V²·2πf·C = 230²·2π·60·470·10⁻⁶ = 9373 var = 9,373 kvar
Q2 = 19,88 − 9,373 = 10,5 kvar

Новая полная мощность

S2 = √(17² + 10,5²) = 19,98 kVA

Новый коэффициент мощности

cos φ = P/S2 = 17/19,98 = 0,8508

Ответ

cos φ = 0,8508
13.Трёхфазная мощность

Ответ: P = 106 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 = √3·480·150 = 124,7 kVA

Активная мощность

P = S·cos φ = 124,7·0,85 = 106 kW

Ответ

P = 106 kW
14.Трёхфазная мощность

Ответ: Cph = 924,7 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 = 250·tan(acos 0,75) = 250·0,8819 = 220,5 kvar
Q2 = 250·tan(acos 0,95) = 250·0,3287 = 82,17 kvar

Реактивная мощность конденсаторов

QC = Q1 − Q2 = 138,3 kvar

Ёмкость на фазу

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

V = 690/√3 = 398,4 V, ω = 2π·50 = 314,2 rad/s
Cph = (QC/3)/(ω·V²) = 46103/(314,2·398,4²) = 924,7 µF

Ответ

Cph = 924,7 µF
15.Трансформаторы

Ответ: a = 2

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

a²·8 = 32
a = √(32/8) = √4 = 2

Ответ

a = 2
16.Трансформаторы

Ответ: Ploss = 230,5 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.

Потери в меди при этой нагрузке

Pcu = x²·Pcu,fl = 0,5625·187,5 = 105,5 W

Суммарные потери

Потери в стали одинаковы при любой нагрузке.

Ploss = 125 + 105,5 = 230,5 W

Ответ

Ploss = 230,5 W

КПД при этой нагрузке η = 98,57%.

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