Найдите сопротивление Тевенина Rth со стороны зажимов a–b.
V1 = 6 VR1 = 15 ΩR2 = 3 ΩR3 = 8 Ω
Rth = Ω
6.Тевенин и НортонСложная
Найдите ток Нортона IN: ток, текущий от a к b, если зажимы замкнуть накоротко.
V1 = 15 VIs = 6 AR1 = 2 ΩR2 = 20 ΩR3 = 12 Ω
IN = A
7.Переходные процессы RC и RLСредняя
Через катушку течёт установившийся ток 2 A. При t = 0 ключ замыкает контур через R, а источник отключается, поэтому ток катушки убывает через R. За какое время ток уменьшится до 0,5 A? Найдите t.
i(0) = 2 AR = 50 ΩL = 100 mH
t = ms
8.Переходные процессы RC и RLСложная
Ключ, шунтирующий R2, был разомкнут долгое время, поэтому ток катушки установившийся. При t = 0 ключ замыкается и закорачивает R2. Через какое время после t = 0 ток катушки достигнет 0,667 A? Найдите t.
Vs = 10 VR1 = 10 ΩR2 = 20 ΩL = 22 mH
t = ms
9.Полное сопротивление и комплексные амплитудыСредняя
Последовательный RLC-контур с L = 1 mH должен резонировать на частоте 2000 Hz. Найдите необходимую ёмкость C.
f0 = 2000 HzL = 1 mH
C = µF
10.Полное сопротивление и комплексные амплитудыСложная
Последовательный RLC-контур питается от источника 10 V (действующее значение), частота которого равна резонансной частоте контура. Найдите действующее напряжение VL на катушке.
V = 10 V (rms)R = 10 ΩL = 20 mHC = 2,2 µF
VL = V
11.Мощность переменного тока и коэффициент мощностиСредняя
Нагрузка с полным сопротивлением Z = 20 + j15 Ω подключена к однофазной сети 230 V (действующее значение). Найдите потребляемую ею активную мощность P.
V = 230 VZ = 20 + j15 Ω
P = W
12.Мощность переменного тока и коэффициент мощностиСложная
Однофазная нагрузка потребляет 3 kW при коэффициенте мощности 0,75 (индуктивном) от сети 230 V, 60 Hz. Параллельно нагрузке подключён конденсатор 47 µF. Найдите новый ток линии I.
P = 3 kWpf1 = 0,75V = 230 Vf = 60 HzC = 47 µF
I = A
13.Трёхфазная мощностьСредняя
Симметричная трёхфазная нагрузка потребляет линейный ток 150 A от сети с линейным напряжением 415 V. Коэффициент мощности 0,85 (отстающий). Найдите полную активную мощность P, потребляемую нагрузкой, в kW.
VL = 415 VIL = 150 Acos φ = 0,85
P = kW
14.Трёхфазная мощностьСложная
Симметричная трёхфазная нагрузка потребляет 80 kW при коэффициенте мощности 0,7 (отстающий) от сети 415 V (линейное), 50 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 = 80 kWpf1 = 0,7pf2 = 0,98VL = 415 Vf = 50 Hz
Cph = µF
15.ТрансформаторыСредняя
Однофазный трансформатор 250 kVA, 480/240 V работает при номинальной нагрузке. Считайте его идеальным. Найдите ток IHV в обмотке высшего напряжения.
S = 250 kVAV1 = 480 VV2 = 240 V
IHV = A
16.ТрансформаторыСложная
Однофазный трансформатор 150 kVA имеет потери в стали 600 W. При номинальной нагрузке и коэффициенте мощности 0,8 (отстающий) его КПД равен 96%. Найдите потери в меди при номинальной нагрузке Pcu,fl в ваттах.
S = 150 kVAPcore = 600 Wpf = 0,8η = 96%
Pcu,fl = W
3Растворы
1.Последовательные и параллельные резисторы
Ответ: IR1 = 1,133 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.
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 + 4 = 14 Ω
R2 ∥ 14 = 15·14/(15+14) = 7,241 Ω
Req = R1 + 7,241 = 6 + 7,241 = 13,24 Ω
Ток источника
Источник видит только Req, поэтому закон Ома даёт ток, который он отдаёт. Этот ток течёт через R₁.
IR1 = V1/Req = 15/13,24 = 1,133 A
Ответ
IR1 = 1,133 A
2.Последовательные и параллельные резисторы
Ответ: IR1 = 0,8931 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.
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 = 3 + 20 = 23 Ω
R4 ∥ 23 = 11,98 Ω
R3 + 11,98 = 17,98 Ω
R2 ∥ 17,98 = 7,197 Ω
Req = R1 + 7,197 = 4 + 7,197 = 11,2 Ω
Ток источника
Источник видит только Req, поэтому закон Ома даёт ток, который он отдаёт. Этот ток течёт через R₁.
IR1 = V1/Req = 10/11,2 = 0,8931 A
Ответ
IR1 = 0,8931 A
3.Метод узловых потенциалов
Ответ: IR3 = −2,209 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.
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/8 + (VA − 6)/15 + (VA − VB)/6 = 0
0,3583·VA − 0,1667·VB = 0,4
ЗТК в узле B
Токи, вытекающие из B через резисторы, равны току, который источники подают в B.
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 = 15 V, V2 = 5 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/30 + (VA − 15)/3 + (VA − VB)/5 = 0
0,5667·VA − 0,2·VB = 5
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/3 + (VB − VA)/5 + (VB − 5)/12 = (−2,5)
−0,2·VA + 0,6167·VB = −2,083
Решите
Δ = (0,5667)(0,6167) − (−0,2)(−0,2) = 0,3094
VA = Δ1/Δ = 2,667/0,3094 = 8,618 V
VB = Δ2/Δ = −0,1806/0,3094 = −0,5835 V
Ответ
IR1 = (V1 − VA)/R1 = (15 − 8,618)/3 = 2,127 A
5.Тевенин и Нортон
Ответ: Rth = 10,5 Ω
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 = 15·3/(15+3) = 2,5 Ω
Rth = (R1 ∥ R2) + R3 = 2,5 + 8 = 10,5 Ω
6.Тевенин и Нортон
Ответ: IN = 6,987 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 = 2·20/(2+20) = 1,818 Ω
Rth = (R1 ∥ R2) + R3 = 1,818 + 12 = 13,82 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) = 13,64 + 6·1,818 = 24,55 V
Vth = VB = VA + Is·R3 = 24,55 + 6·12 = 96,55 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 = 96,55/13,82 = 6,987 A
7.Переходные процессы RC и RL
Ответ: t = 2,773 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 / 50 Ω = 2 ms
Выразите время
0,5 = 2·e−t/τ → t = τ·ln(2/0,5)
t = 2·ln(4) = 2,773 ms
Ответ
t = 2,773 ms
8.Переходные процессы RC и RL
Ответ: t = 1,527 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
До t = 0 в контур входят оба резистора; после этого замкнутый ключ шунтирует R₂.
i(0) = 10/(10 + 20) = 0,3333 A
i(∞) = 10/10 = 1 A
τ = L/R = 22/10 = 2,2 ms
i(t) = 1 + (0,3333 − 1)·e−t/τ
Выразите время
e−t/τ = (0,667 − 1)/(0,3333 − 1) = 0,4995
t = 2,2·ln(2,002) = 1,527 ms
Ответ
t = 1,527 ms
9.Полное сопротивление и комплексные амплитуды
Ответ: C = 6,333 µF
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|.
Условие резонанса
При резонансе индуктивное и ёмкостное сопротивления компенсируют друг друга: ωL = 1/(ωC).
ω₀ = 2π·2000 = 12566 rad/s
C = 1/(ω₀²·L) = 1/(12566²·0,001) = 6,333 µF
Ответ
C = 6,333 µF
10.Полное сопротивление и комплексные амплитуды
Ответ: VL = 95,35 V
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 реактивные сопротивления компенсируются, поэтому полное сопротивление равно просто R.
ω₀ = 1/√(LC) = 1/√(0,02·2,2·10⁻⁶) = 4767 rad/s
I = V/R = 10/10 = 1 A
Напряжение на катушке
XL = ω₀L = 4767·0,02 = 95,35 Ω
VL = I·XL = 1·95,35 = 95,35 V
Ответ
VL = 95,35 V
Это в Q = 9,535 раз больше напряжения источника.
11.Мощность переменного тока и коэффициент мощности
Ответ: P = 1693 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.
Ток
|Z| = √(20² + 15²) = 25 Ω
I = V/|Z| = 230/25 = 9,2 A
Активная мощность
P = I²·R = 9,2²·20 = 1693 W
Ответ
P = 1693 W
12.Мощность переменного тока и коэффициент мощности
Ответ: I = 15,01 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.
Реактивная мощность до и после
Активная мощность P не меняется; меняется только реактивная мощность из сети.
Q1 = 3·tan(arccos 0,75) = 2,646 kvar
QC = V²·2πf·C = 230²·2π·60·47·10⁻⁶ = 937,3 var = 0,9373 kvar
Q2 = 2,646 − 0,9373 = 1,708 kvar
Новая полная мощность
S2 = √(3² + 1,708²) = 3,452 kVA
Новый ток линии
I = S2/V = 3452/230 = 15,01 A
Ответ
I = 15,01 A
13.Трёхфазная мощность
Ответ: P = 91,65 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 = √3·415·150 = 107,8 kVA
Активная мощность
P = S·cos φ = 107,8·0,85 = 91,65 kW
Ответ
P = 91,65 kW
14.Трёхфазная мощность
Ответ: Cph = 402,7 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 = 80·tan(acos 0,7) = 80·1,02 = 81,62 kvar
Q2 = 80·tan(acos 0,98) = 80·0,2031 = 16,24 kvar
Реактивная мощность конденсаторов
QC = Q1 − Q2 = 65,37 kvar
Ёмкость на фазу
В батарее, соединённой треугольником, каждый конденсатор включён между двумя линейными проводами.
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 = 250000/480 = 520,8 A
Ответ
IHV = 520,8 A
16.Трансформаторы
Ответ: Pcu,fl = 4400 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.