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​ = 6 ΩIR1​R3​ = 10 Ω+−V1​15 VR2​15 ΩAR4​4 ΩB

Найдите ток IR1, отдаваемый источником и текущий через R1.

V1 = 15 VR1 = 6 ΩR2 = 15 ΩR3 = 10 ΩR4 = 4 Ω
IR1 = A
2.Последовательные и параллельные резисторыСложная
R1​ = 4 ΩIR1​R3​ = 6 ΩR5​ = 3 Ω+−V1​10 VR2​12 ΩAR4​25 ΩBR6​20 Ω

Найдите ток IR1, отдаваемый источником и текущий через R1.

V1 = 10 VR1 = 4 ΩR2 = 12 ΩR3 = 6 ΩR4 = 25 ΩR5 = 3 ΩR6 = 20 Ω
IR1 = A
3.Метод узловых потенциаловСредняя
R1​ = 15 ΩR3​ = 6 ΩIR3​+−V1​6 VR2​8 ΩAR4​15 ΩBIs​4 A

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

V1 = 6 VIs = 4 AR1 = 15 ΩR2 = 8 ΩR3 = 6 ΩR4 = 15 Ω
IR3 = A
4.Метод узловых потенциаловСложная
R1​ = 3 ΩIR1​R2​ = 5 ΩR4​ = 12 Ω+−V1​15 VR3​30 ΩAR5​3 ΩBIs​2,5 A+−V2​5 V

Используйте метод узловых потенциалов, чтобы найти ток IR1 через R1 в направлении стрелки.

V1 = 15 VIs = 2,5 AV2 = 5 VR1 = 3 ΩR2 = 5 ΩR3 = 30 ΩR4 = 12 ΩR5 = 3 Ω
IR1 = A
5.Тевенин и НортонСредняя
R1​ = 15 ΩR3​ = 8 Ω+−V1​6 VR2​3 ΩAab

Найдите сопротивление Тевенина Rth со стороны зажимов a–b.

V1 = 6 VR1 = 15 ΩR2 = 3 ΩR3 = 8 Ω
Rth = Ω
6.Тевенин и НортонСложная
R1​ = 2 ΩR3​ = 12 Ω+−V1​15 VR2​20 ΩAIs​6 ABab

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
R = 50 Ωt = 0L100 mHi(t)

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
+−Vs​10 VR1​ = 10 ΩR2​ = 20 Ωзамыкается при t = 0L22 mHi(t)

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
Vf0​ = 2000 HzRL = 1 mHC = ?

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
10 Vf0​R = 10 ΩL = 20 mHC = 2,2 µF

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
230 VZ20 + j15 ΩI

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
230 V60 Hzнагрузка3 kW, 0,75C47 µFI = ?

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
ABCVL​ = 415 VIL​ = 150 Acos φ = 0,85отстающий

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
P = 80 kWφ1​S1​Q2​QC​

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
480 V240 VIHV​ = ?ILV​250 kVA

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
pf 0,8150 kVA, η = 96%

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.

R1​ = 6 ΩR3​ = 10 Ω+−V1​15 VR2​15 ΩAR4​4 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 = 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.

R1​ = 4 ΩR3​ = 6 ΩR5​ = 3 Ω+−V1​10 VR2​12 ΩAR4​25 ΩBR6​20 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 = 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.

R1​ = 15 ΩR3​ = 6 Ω+−V1​6 VR2​8 ΩAR4​15 ΩBIs​4 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/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.

VB/R4 + (VB − VA)/R3 = Is
VB/15 + (VB − VA)/6 = 4
−0,1667·VA + 0,2333·VB = 4

Решите

Δ = (0,3583)(0,2333) − (−0,1667)(−0,1667) = 0,05583
VA = Δ1/Δ = 0,76/0,05583 = 13,61 V
VB = Δ2/Δ = 1,5/0,05583 = 26,87 V

Ответ

IR3 = (VA − VB)/R3 = (13,61 − 26,87)/6 = −2,209 A
4.Метод узловых потенциалов

Ответ: IR1 = 2,127 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​ = 5 ΩR4​ = 12 Ω+−V1​15 VR3​30 ΩAR5​3 ΩBIs​2,5 A+−V2​5 V

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.

R1​ = 15 ΩR3​ = 8 ΩКЗR2​3 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 = 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.

R1​ = 2 ΩR3​ = 12 ΩКЗR2​20 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 = 2·20/(2+20) = 1,818 Ω
Rth = (R1 ∥ R2) + R3 = 1,818 + 12 = 13,82 Ω
R1​ = 2 ΩR3​ = 12 Ω+−V1​15 VR2​20 ΩAIs​6 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) = 13,64 + 6·1,818 = 24,55 V
Vth = VB = VA + Is·R3 = 24,55 + 6·12 = 96,55 V
IN​6,987 ARth​13,82 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 = 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.

V = 415 V, ω = 2π·50 = 314,2 rad/s
Cph = (QC/3)/(ω·V²) = 21791/(314,2·415²) = 402,7 µF

Ответ

Cph = 402,7 µF
15.Трансформаторы

Ответ: IHV = 520,8 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 = 250000/480 = 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.

Выходная и потребляемая мощность

Pout = 150·0,8 = 120 kW
Pin = 120000/0,96 = 125000 W

Суммарные потери и потери в меди

Ploss = 125000 − 120000 = 5000 W
Pcu,fl = 5000 − 600 = 4400 W

Ответ

Pcu,fl = 4400 W

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