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.
Is = 2 AVs = 3 VR1 = 15 ΩR2 = 8 Ω
Ix = A
4.Метод узловых потенциаловСложная
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 = 5 VIs = 4 AVs = 9 VR1 = 20 ΩR2 = 3 ΩR3 = 8 Ω
Ix = A
5.Тевенин и НортонСредняя
Найдите ток Нортона IN: ток, текущий от a к b, если зажимы замкнуть накоротко.
V1 = 9 VR1 = 15 ΩR2 = 4 ΩR3 = 4 Ω
IN = A
6.Тевенин и НортонСложная
К a–b подключена нагрузка RL = 10 Ω. Замените остальную цепь эквивалентом Тевенина и найдите ток нагрузки IL.
До замыкания ключа в момент t = 0 тока через катушку нет. Найдите напряжение vL на катушке в момент t = 15 ms.
Vs = 12 VR = 22 ΩL = 150 mHt = 15 ms
vL = V
8.Переходные процессы RC и RLСложная
Непосредственно перед замыканием ключа в момент t = 0 конденсатор заряжен до 18 V с указанной полярностью. Найдите напряжение на конденсаторе vC в момент t = 20 ms.
Vs = 20 VR = 1 kΩC = 10 µFvC(0) = 18 Vt = 20 ms
vC = V
9.Полное сопротивление и комплексные амплитудыСредняя
Последовательная цепь RLC подключена к сети 100 V (действующее значение), 60 Hz. Найдите активную мощность P, потребляемую от источника.
V = 100 V (rms)f = 60 HzR = 10 ΩL = 250 mHC = 22 µF
P = W
10.Полное сопротивление и комплексные амплитудыСложная
Последовательный RLC-контур имеет R = 2 Ω, L = 10 mH и C = 2,2 µF. Найдите его добротность Q при резонансе.
R = 2 ΩL = 10 mHC = 2,2 µF
Q =
11.Мощность переменного тока и коэффициент мощностиСредняя
Однофазный двигатель потребляет 34 kW при коэффициенте мощности 0,75 (индуктивном) от сети 400 V. Найдите ток линии I.
P = 34 kWpf = 0,75V = 400 V
I = A
12.Мощность переменного тока и коэффициент мощностиСложная
Однофазная нагрузка потребляет 28 kW при коэффициенте мощности 0,8 (индуктивном) от сети 230 V, 60 Hz. Параллельно нагрузке подключён конденсатор 470 µF. Найдите новый коэффициент мощности cos φ со стороны сети.
P = 28 kWpf1 = 0,8V = 230 Vf = 60 HzC = 470 µF
cos φ =
13.Трёхфазная мощностьСредняя
Симметричная трёхфазная нагрузка потребляет линейный ток 10 A от сети с линейным напряжением 690 V. Коэффициент мощности 0,75 (отстающий). Найдите полную активную мощность P, потребляемую нагрузкой, в kW.
VL = 690 VIL = 10 Acos φ = 0,75
P = kW
14.Трёхфазная мощностьСложная
Симметричная трёхфазная нагрузка потребляет 120 kW при коэффициенте мощности 0,78 (отстающий) от сети 415 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 треугольником. Найдите ёмкость Cph каждого конденсатора в µF.
P = 120 kWpf1 = 0,78pf2 = 0,98VL = 415 Vf = 60 Hz
Cph = µF
15.ТрансформаторыСредняя
К первичной обмотке идеального трансформатора с коэффициентом трансформации N₁:N₂ = 4:1 приложено 480 V. К вторичной обмотке подключён резистор 60 Ω. Найдите первичный ток I1.
N1:N2 = 4:1V1 = 480 VRL = 60 Ω
I1 = A
16.ТрансформаторыСложная
Однофазный трансформатор 50 kVA имеет потери в стали 300 W и потери в меди 1200 W при номинальной нагрузке. При какой нагрузке Sη,max, в kVA, его КПД максимален?
S = 50 kVAPcore = 300 WPcu,fl = 1200 W
Sη,max = kVA
3Растворы
1.Последовательные и параллельные резисторы
Ответ: Req = 3,8 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 = 10 + 8 = 18 Ω
R2 ∥ 18 = 2·18/(2+18) = 1,8 Ω
Req = R1 + 1,8 = 2 + 1,8 = 3,8 Ω
Ответ
Req = 3,8 Ω
2.Последовательные и параллельные резисторы
Ответ: Req = 36,86 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 = 2 + 12 = 14 Ω
R4 ∥ 14 = 6,462 Ω
R3 + 6,462 = 9,462 Ω
R2 ∥ 9,462 = 6,864 Ω
Req = R1 + 6,864 = 30 + 6,864 = 36,86 Ω
Ответ
Req = 36,86 Ω
3.Метод узловых потенциалов
Ответ: Ix = 1,435 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 + Vs = VA + 3
VA/R1 + VB/R2 = Is
Решите
VA/15 + (VA + 3)/8 = 2
VA = (2 − 3/8)/(1/15 + 1/8) = 8,478 V
VB = 8,478 + 3 = 11,48 V
Ток через источник напряжения
Всё, что проходит через источник от A к B, уходит из узла B через R₂.
Ix = VB/R2 = 11,48/8 = 1,435 A
Ответ
Ix = 1,435 A
Отрицательный результат означает, что в действительности ток течёт против стрелки.
4.Метод узловых потенциалов
Ответ: Ix = −2,107 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 + 9
(VA − V1)/R1 + VA/R2 + VB/R3 = Is
Решите
(VA − 5)/20 + VA/3 + (VA + 9)/8 = 4
VA·(1/20 + 1/3 + 1/8) = 4 + 5/20 − 9/8 = 3,125
VA = 3,125/0,5083 = 6,148 V
VB = 15,15 V
Ток через источник напряжения
ЗТК только для узла A: ток, приходящий через R₁, уходит через R₂ и через источник напряжения.
IR1 = (5 − 6,148)/20 = −0,05738 A
Ix = IR1 − VA/R2 = −0,05738 − 6,148/3 = −2,107 A
Ответ
Ix = −2,107 A
Отрицательный результат означает, что в действительности ток течёт против стрелки.
5.Тевенин и Нортон
Ответ: IN = 0,2647 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 = 15·4/(15+4) = 3,158 Ω
Rth = (R1 ∥ R2) + R3 = 3,158 + 4 = 7,158 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) = 9·4/(15+4) = 1,895 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 = 1,895/7,158 = 0,2647 A
6.Тевенин и Нортон
Ответ: IL = 2,459 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 = 12·15/(12+15) = 6,667 Ω
Rth = (R1 ∥ R2) + R3 = 6,667 + 8 = 14,67 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) = 16,67 + 3·6,667 = 36,67 V
Vth = VB = VA + Is·R3 = 36,67 + 3·8 = 60,67 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) = 60,67/(14,67 + 10) = 2,459 A
7.Переходные процессы RC и RL
Ответ: vL = 1,33 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 / 22 Ω = 6,818 ms
i(∞) = Vs/R = 12/22 = 0,5455 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 = 12·e−15/6,818 = 1,33 V
Ответ
vL = 1,33 V
8.Переходные процессы RC и RL
Ответ: vC = 19,73 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) = 18 V, vC(∞) = Vs = 20 V
τ = R·C = 1 kΩ · 10 µF = 10 ms
vC(t) = 20 + (18 − 20)·e−t/τ
Напряжение в заданный момент
vC(20) = 20 + (−2)·e−20/10 = 19,73 V
Ответ
vC = 19,73 V
9.Полное сопротивление и комплексные амплитуды
Ответ: P = 126,1 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 = 94,25 Ω, XC = 120,6 Ω
Полное сопротивление
|Z| = √(10² + (−26,32)²) = 28,16 Ω
Активная мощность
Катушки и конденсаторы только запасают и возвращают энергию; всю активную мощность потребляет резистор.
I = 100/28,16 = 3,551 A
P = I²·R = 3,551²·10 = 126,1 W
Ответ
P = 126,1 W
10.Полное сопротивление и комплексные амплитуды
Ответ: Q = 33,71
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·√(0,01·2,2·10⁻⁶)) = 1073 Hz
Добротность
Добротность сравнивает реактивное сопротивление при резонансе с активным: Q = ω₀L/R.
11.Мощность переменного тока и коэффициент мощности
Ответ: I = 113,3 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) = 34000/(400·0,75) = 113,3 A
Ответ
I = 113,3 A
12.Мощность переменного тока и коэффициент мощности
Ответ: cos φ = 0,9235
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 = 28·tan(arccos 0,8) = 21 kvar
QC = V²·2πf·C = 230²·2π·60·470·10⁻⁶ = 9373 var = 9,373 kvar
Q2 = 21 − 9,373 = 11,63 kvar
Новая полная мощность
S2 = √(28² + 11,63²) = 30,32 kVA
Новый коэффициент мощности
cos φ = P/S2 = 28/30,32 = 0,9235
Ответ
cos φ = 0,9235
13.Трёхфазная мощность
Ответ: P = 8,963 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 = √3·690·10 = 11,95 kVA
Активная мощность
P = S·cos φ = 11,95·0,75 = 8,963 kW
Ответ
P = 8,963 kW
14.Трёхфазная мощность
Ответ: Cph = 369,2 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 = 120·tan(acos 0,78) = 120·0,8023 = 96,27 kvar
Q2 = 120·tan(acos 0,98) = 120·0,2031 = 24,37 kvar
Реактивная мощность конденсаторов
QC = Q1 − Q2 = 71,91 kvar
Ёмкость на фазу
В батарее, соединённой треугольником, каждый конденсатор включён между двумя линейными проводами.
V = 415 V, ω = 2π·60 = 377 rad/s
Cph = (QC/3)/(ω·V²) = 23969/(377·415²) = 369,2 µF
Ответ
Cph = 369,2 µF
15.Трансформаторы
Ответ: I1 = 0,5 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 = 480/4 = 120 V
I2 = 120/60 = 2 A
Первичный ток
Идеальный трансформатор не имеет потерь: V₁·I₁ = V₂·I₂.
I1 = I2/4 = 0,5 A
Ответ
I1 = 0,5 A
Проверка: нагрузка со стороны первичной обмотки равна a²·RL = 960 Ω, и 480/960 даёт тот же ток.
16.Трансформаторы
Ответ: Sη,max = 25 kVA
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.