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​ = 20 ΩIR1​R3​ = 2 Ω+−V1​18 VR2​10 ΩAR4​2 ΩB

Найдите ток IR1, отдаваемый источником и текущий через R1.

V1 = 18 VR1 = 20 ΩR2 = 10 ΩR3 = 2 ΩR4 = 2 Ω
IR1 = A
2.Последовательные и параллельные резисторыСложная
R1​ = 8 ΩR3​ = 5 ΩR5​ = 2 Ω+−V1​10 VR2​3 ΩIR2​AR4​2 ΩBR6​12 Ω

Найдите ток IR2 через R2.

V1 = 10 VR1 = 8 ΩR2 = 3 ΩR3 = 5 ΩR4 = 2 ΩR5 = 2 ΩR6 = 12 Ω
IR2 = A
3.Метод узловых потенциаловСредняя
R1​ = 5 ΩR3​ = 20 Ω+−V1​12 VR2​3 ΩAR4​5 ΩBIs​2 A

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

V1 = 12 VIs = 2 AR1 = 5 ΩR2 = 3 ΩR3 = 20 ΩR4 = 5 Ω
VB = V
4.Метод узловых потенциаловСложная
R1​ = 6 ΩR3​ = 8 Ω+−V1​15 VR2​5 ΩAR4​6 ΩBIs​?

Источник тока регулируют до тех пор, пока напряжение узла A не станет VA = 9,5 V. Методом узловых потенциалов найдите ток источника Is (направление как на схеме).

V1 = 15 VR1 = 6 ΩR2 = 5 ΩR3 = 8 ΩR4 = 6 ΩVA = 9,5 V
Is = A
5.Тевенин и НортонСредняя
R1​ = 2 ΩR3​ = 10 Ω+−V1​6 VR2​6 ΩAab

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

V1 = 6 VR1 = 2 ΩR2 = 6 ΩR3 = 10 Ω
IN = A
6.Тевенин и НортонСложная
R1​ = 10 ΩR3​ = 6 Ω+−V1​24 VR2​10 ΩAIs​1 ABRL​30 ΩIL​

К a–b подключена нагрузка RL = 30 Ω. Замените остальную цепь эквивалентом Тевенина и найдите ток нагрузки IL.

V1 = 24 VIs = 1 AR1 = 10 ΩR2 = 10 ΩR3 = 6 ΩRL = 30 Ω
IL = A
7.Переходные процессы RC и RLСредняя
+−Vs​24 Vt = 0R = 20 ΩL68 mHi(t)

До замыкания ключа в момент t = 0 тока через катушку нет. Через какое время после замыкания ключа ток достигнет 75% конечного значения? Найдите t.

Vs = 24 VR = 20 ΩL = 68 mH
t = ms
8.Переходные процессы RC и RLСложная
+−Vs​24 Vt = 0R = 10 kΩC22 µF+−vC​vC​(0) = 15 V

Непосредственно перед замыканием ключа в момент t = 0 конденсатор заряжен до 15 V с указанной полярностью. Через какое время vC достигнет 21,3 V? Найдите t.

Vs = 24 VR = 10 kΩC = 22 µFvC(0) = 15 V
t = ms
9.Полное сопротивление и комплексные амплитудыСредняя
12 V100 HzR = 30 ΩL = 250 mHC = 10 µF

Последовательная цепь RLC подключена к сети 12 V (действующее значение), 100 Hz. Найдите угол сдвига фаз φ полного сопротивления в градусах (положительный, когда ток отстаёт от напряжения).

V = 12 V (rms)f = 100 HzR = 30 ΩL = 250 mHC = 10 µF
φ = °
10.Полное сопротивление и комплексные амплитудыСложная
24 V200 HzR = 30 ΩL = 50 mHC = 4,7 µF

Последовательная цепь RLC подключена к сети 24 V (действующее значение), 200 Hz. Найдите резонансную частоту f0 цепи.

V = 24 V (rms)f = 200 HzR = 30 ΩL = 50 mHC = 4,7 µF
f0 = Hz
11.Мощность переменного тока и коэффициент мощностиСредняя
240 VZ16 + j12 ΩI

Нагрузка с полным сопротивлением Z = 16 + j12 Ω подключена к однофазной сети 240 V (действующее значение). Найдите полную мощность S.

V = 240 VZ = 16 + j12 Ω
S = VA
12.Мощность переменного тока и коэффициент мощностиСложная
P1​ = 45 kWQ1​S1​φ

Однофазный трансформатор 150 kVA питает нагрузку 45 kW при коэффициенте мощности 0,6 (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 = 45 kWpf1 = 0,6
ΔP = kW
13.Трёхфазная мощностьСредняя
ABCVL​ = 690 VIL​ = ?M75 kW, η = 92%cos φ = 0,9

Трёхфазный асинхронный двигатель при полной нагрузке развивает механическую мощность 75 kW. При этой нагрузке его КПД равен 92%, а коэффициент мощности 0,9 (отстающий). Линейное напряжение сети 690 V. Найдите линейный ток IL.

Pout = 75 kWη = 92%cos φ = 0,9VL = 690 V
IL = A
14.Трёхфазная мощностьСложная
P = 150 kWφ1​S1​Q2​QC​

Симметричная трёхфазная нагрузка потребляет 150 kW при коэффициенте мощности 0,8 (отстающий) от сети 690 V (линейное), 60 Hz. Трёхфазная конденсаторная батарея, включённая параллельно нагрузке, должна повысить общий коэффициент мощности до 0,98 (отстающий). Активная мощность не меняется. Конденсаторы соединены звездой. Найдите ёмкость Cph каждого конденсатора в µF.

P = 150 kWpf1 = 0,8pf2 = 0,98VL = 690 Vf = 60 Hz
Cph = µF
15.ТрансформаторыСредняя
8 Ω41

К вторичной обмотке идеального трансформатора с коэффициентом трансформации N₁:N₂ = 4:1 подключён резистор 8 Ω. Найдите сопротивление R1′ со стороны первичной обмотки.

N1:N2 = 4:1RL = 8 Ω
R1′ = Ω
16.ТрансформаторыСложная
pf 0,8250 kVA, η = 98%

Однофазный трансформатор 250 kVA имеет потери в стали 1250 W. При номинальной нагрузке и коэффициенте мощности 0,8 (отстающий) его КПД равен 98%. Найдите потери в меди при номинальной нагрузке Pcu,fl в ваттах.

S = 250 kVAPcore = 1250 Wpf = 0,8η = 98%
Pcu,fl = W

3Растворы

1.Последовательные и параллельные резисторы

Ответ: IR1 = 0,7875 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​ = 20 ΩR3​ = 2 Ω+−V1​18 VR2​10 ΩAR4​2 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 = 2 + 2 = 4 Ω
R2 ∥ 4 = 10·4/(10+4) = 2,857 Ω
Req = R1 + 2,857 = 20 + 2,857 = 22,86 Ω

Ток источника

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

IR1 = V1/Req = 18/22,86 = 0,7875 A

Ответ

IR1 = 0,7875 A
2.Последовательные и параллельные резисторы

Ответ: IR2 = 0,687 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 ΩR5​ = 2 Ω+−V1​10 VR2​3 ΩAR4​2 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 = 2 + 12 = 14 Ω
R4 ∥ 14 = 1,75 Ω
R3 + 1,75 = 6,75 Ω
R2 ∥ 6,75 = 2,077 Ω
Req = R1 + 2,077 = 8 + 2,077 = 10,08 Ω

Ток источника

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

IR1 = V1/Req = 10/10,08 = 0,9924 A

Ток через R₂

Вычтите падение на R₁, чтобы получить напряжение в узле A, то есть напряжение на R₂.

VA = V1 − IR1·R1 = 10 − 0,9924·8 = 2,061 V
IR2 = VA/R2 = 2,061/3 = 0,687 A

Ответ

IR2 = 0,687 A
3.Метод узловых потенциалов

Ответ: VB = 8,977 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​ = 5 ΩR3​ = 20 Ω+−V1​12 VR2​3 ΩAR4​5 ΩBIs​2 A

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/3 + (VA − 12)/5 + (VA − VB)/20 = 0
0,5833·VA − 0,05·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/5 + (VB − VA)/20 = 2
−0,05·VA + 0,25·VB = 2

Решите

Δ = (0,5833)(0,25) − (−0,05)(−0,05) = 0,1433
VA = Δ1/Δ = 0,7/0,1433 = 4,884 V
VB = Δ2/Δ = 1,287/0,1433 = 8,977 V

Ответ

VB = 8,977 V
4.Метод узловых потенциалов

Ответ: Is = 3,878 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.

ЗТК в узле A

VA известно, поэтому это уравнение даёт VB.

(VA − V1)/R1 + VA/R2 + (VA − VB)/R3 = 0
(9,5 − 15)/6 + 9,5/5 = (VB − 9,5)/8
0,9833 = (VB − 9,5)/8 → VB = 17,37 V

ЗТК в узле B

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

Is = (VB − VA)/R3 + VB/R4 = (17,37 − 9,5)/8 + 17,37/6 = 3,878 A

Ответ

Is = 3,878 A
5.Тевенин и Нортон

Ответ: IN = 0,3913 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​ = 2 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 = 2·6/(2+6) = 1,5 Ω
Rth = (R1 ∥ R2) + R3 = 1,5 + 10 = 11,5 Ω
R1​ = 2 ΩR3​ = 10 Ω+−V1​6 VR2​6 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) = 6·6/(2+6) = 4,5 V
IN​0,3913 ARth​11,5 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 = 4,5/11,5 = 0,3913 A
6.Тевенин и Нортон

Ответ: IL = 0,561 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​ = 6 ΩКЗR2​10 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 = 10·10/(10+10) = 5 Ω
Rth = (R1 ∥ R2) + R3 = 5 + 6 = 11 Ω
R1​ = 10 ΩR3​ = 6 Ω+−V1​24 VR2​10 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) = 12 + 1·5 = 17 V
Vth = VB = VA + Is·R3 = 17 + 1·6 = 23 V
Rth​ = 11 Ω+−Vth​23 VRL​30 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) = 23/(11 + 30) = 0,561 A
7.Переходные процессы RC и RL

Ответ: t = 4,713 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 и конечный ток

Спустя долгое время после замыкания катушка ведёт себя как короткое замыкание, поэтому конечный ток определяется только R.

τ = L/R = 68 mH / 20 Ω = 3,4 ms
i(∞) = Vs/R = 24/20 = 1,2 A

Выразите время

0,75 = 1 − e−t/τ → t = −τ·ln(1 − 0,75)
t = −3,4·ln(0,25) = 4,713 ms

Ответ

t = 4,713 ms
8.Переходные процессы RC и RL

Ответ: t = 264,9 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) = 15 V, vC(∞) = Vs = 24 V
τ = R·C = 10 kΩ · 22 µF = 220 ms
vC(t) = 24 + (15 − 24)·e−t/τ

Выразите время

21,3 = 24 + (−9)·e−t/τ → e−t/τ = (21,3 − 24)/(15 − 24) = 0,3
t = τ·ln((15 − 24)/(21,3 − 24)) = 220·ln(3,333) = 264,9 ms

Ответ

t = 264,9 ms
9.Полное сопротивление и комплексные амплитуды

Ответ: φ = −3,957 °

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 = 628,3·0,25 = 157,1 Ω
XC = 1/(ωC) = 1/(628,3·10·10⁻⁶) = 159,2 Ω

Полное сопротивление

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

|Z| = √(R² + (XL − XC)²) = √(30² + (−2,075)²) = 30,07 Ω

Угол сдвига фаз

φ = arctan((XL − XC)/R) = arctan(−2,075/30) = −3,957°

Ответ

φ = −3,957°
10.Полное сопротивление и комплексные амплитуды

Ответ: f0 = 328,3 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|.

Резонанс

При резонансе индуктивное и ёмкостное сопротивления компенсируют друг друга: ωL = 1/(ωC). Частота сети не важна.

f0 = 1/(2π√(LC)) = 1/(2π·√(0,05·4,7·10⁻⁶)) = 328,3 Hz

Ответ

f0 = 328,3 Hz
11.Мощность переменного тока и коэффициент мощности

Ответ: S = 2880 VA

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

|Z| = √(16² + 12²) = 20 Ω
I = V/|Z| = 240/20 = 12 A

Полная мощность

S = V·I = 240·12 = 2880 VA

Ответ

S = 2880 VA
12.Мощность переменного тока и коэффициент мощности

Ответ: ΔP = 92,48 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 = 45·tan(arccos 0,6) = 60 kvar

Наибольшая суммарная активная мощность

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

P = √(Smax² − Q1²) = √(150² − 60²) = 137,5 kW

Дополнительная активная мощность

ΔP = 137,5 − 45 = 92,48 kW

Ответ

ΔP = 92,48 kW
13.Трёхфазная мощность

Ответ: IL = 75,79 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 = 75/0,92 = 81,52 kW

Ток линии

IL = Pin/(√3·VL·cos φ) = 81522/(√3·690·0,9) = 75,79 A

Ответ

IL = 75,79 A
14.Трёхфазная мощность

Ответ: Cph = 457,1 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 = 150·tan(acos 0,8) = 150·0,75 = 112,5 kvar
Q2 = 150·tan(acos 0,98) = 150·0,2031 = 30,46 kvar

Реактивная мощность конденсаторов

QC = Q1 − Q2 = 82,04 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·60 = 377 rad/s
Cph = (QC/3)/(ω·V²) = 27347/(377·398,4²) = 457,1 µF

Ответ

Cph = 457,1 µF
15.Трансформаторы

Ответ: R1′ = 128 Ω

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.

Приведённое сопротивление

Напряжение растёт в a раз, а ток уменьшается в a раз, поэтому отношение V/I растёт в a² раз.

R1′ = a²·RL = 4²·8 = 128 Ω

Ответ

R1′ = 128 Ω
16.Трансформаторы

Ответ: Pcu,fl = 2832 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 = 250·0,8 = 200 kW
Pin = 200000/0,98 = 204082 W

Суммарные потери и потери в меди

Ploss = 204082 − 200000 = 4082 W
Pcu,fl = 4082 − 1250 = 2832 W

Ответ

Pcu,fl = 2832 W

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