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​ = 3 ΩR3​ = 5 Ω+−V1​18 VR2​3 ΩIR2​AR4​6 ΩB

Найдите ток IR2 через R2.

V1 = 18 VR1 = 3 ΩR2 = 3 ΩR3 = 5 ΩR4 = 6 Ω
IR2 = A
2.Последовательные и параллельные резисторыСложная
R1​ = 15 ΩR3​ = 6 ΩR5​ = 25 Ω+−V1​18 VR2​8 ΩAR4​25 ΩBR6​2 Ω

Найдите эквивалентное сопротивление Req, которое видит источник V1.

V1 = 18 VR1 = 15 ΩR2 = 8 ΩR3 = 6 ΩR4 = 25 ΩR5 = 25 ΩR6 = 2 Ω
Req = Ω
3.Метод узловых потенциаловСредняя
−+Vs​ = 9 VIs​1,5 AAR1​8 ΩR2​5 ΩB

Вывод + источника напряжения Vₛ между A и B находится у B, поэтому он задаёт VB − VA = Vₛ. Методом узловых потенциалов с супер-узлом найдите узловое напряжение VB (относительно земли).

Is = 1,5 AVs = 9 VR1 = 8 ΩR2 = 5 Ω
VB = V
4.Метод узловых потенциаловСложная
R1​ = 30 ΩR2​ = 15 ΩR4​ = 5 ΩIR4​+−V1​18 VR3​10 ΩAR5​25 ΩBIs​1 A+−V2​18 V

Используйте метод узловых потенциалов, чтобы найти ток IR4 через R4 в направлении стрелки.

V1 = 18 VIs = 1 AV2 = 18 VR1 = 30 ΩR2 = 15 ΩR3 = 10 ΩR4 = 5 ΩR5 = 25 Ω
IR4 = A
5.Тевенин и НортонСредняя
R1​ = 4 ΩR3​ = 2 Ω+−V1​30 VR2​8 ΩARL​20 ΩIL​B

К a–b подключена нагрузка RL = 20 Ω. Замените остальную цепь эквивалентом Тевенина и найдите ток нагрузки IL.

V1 = 30 VR1 = 4 ΩR2 = 8 ΩR3 = 2 ΩRL = 20 Ω
IL = A
6.Тевенин и НортонСложная
R1​ = 2 ΩR3​ = 30 Ω+−V1​10 VR2​6 ΩAIs​2,5 ABab

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

V1 = 10 VIs = 2,5 AR1 = 2 ΩR2 = 6 ΩR3 = 30 Ω
IN = A
7.Переходные процессы RC и RLСредняя
+−Vs​9 Vt = 0R = 20 ΩL100 mHi(t)

До замыкания ключа в момент t = 0 тока через катушку нет. Найдите энергию W, запасённую в катушке при t = 5 ms, в mJ.

Vs = 9 VR = 20 ΩL = 100 mHt = 5 ms
W = mJ
8.Переходные процессы RC и RLСложная
+−Vs​15 Vt = 0R = ?C1 µF+−vC​

Таймер при t = 0 начинает заряжать незаряженный конденсатор через резистор от источника 15 V. Он должен сработать, когда напряжение конденсатора достигнет 9 V, ровно через 20 ms после старта. При C = 1 µF найдите необходимое сопротивление R.

Vs = 15 VVth = 9 VT = 20 msC = 1 µF
R = kΩ
9.Полное сопротивление и комплексные амплитудыСредняя
50 V60 HzR = 100 ΩL = 100 mHC = 47 µFI

Последовательная цепь RLC подключена к сети 50 V (действующее значение), 60 Hz. Найдите действующее значение тока I.

V = 50 V (rms)f = 60 HzR = 100 ΩL = 100 mHC = 47 µF
I = A
10.Полное сопротивление и комплексные амплитудыСложная
12 V500 HzR1​ = 25 ΩR2​ = 60 ΩC = 10 µF

Резистор R1 включён последовательно с параллельным соединением R2 и конденсатора C в сеть 12 V (действующее значение), 500 Hz. Найдите модуль полного сопротивления |Z|.

V = 12 V (rms)f = 500 HzR1 = 25 ΩR2 = 60 ΩC = 10 µF
|Z| = Ω
11.Мощность переменного тока и коэффициент мощностиСредняя
P = 34 kWQ = ?Sφ

Однофазный двигатель потребляет 34 kW при коэффициенте мощности 0,65 (индуктивном) от сети 400 V. Найдите реактивную мощность Q, которую он потребляет.

P = 34 kWpf = 0,65V = 400 V
Q = kvar
12.Мощность переменного тока и коэффициент мощностиСложная
P = 35 kWQ1​S1​φ1​QC​

Однофазная нагрузка потребляет 35 kW при коэффициенте мощности 0,8 (индуктивном) от сети 230 V, 60 Hz. Параллельно подключённый конденсатор повышает коэффициент мощности до 0,9. Найдите необходимую ёмкость C.

P = 35 kWpf1 = 0,8pf2 = 0,9V = 230 Vf = 60 Hz
C = µF
13.Трёхфазная мощностьСредняя
ABCVL​ = 690 VIL​ = 75 Acos φ = 0,95отстающий

Симметричная трёхфазная нагрузка потребляет линейный ток 75 A от сети с линейным напряжением 690 V. Коэффициент мощности 0,95 (отстающий). Найдите полную активную мощность P, потребляемую нагрузкой, в kW.

VL = 690 VIL = 75 Acos φ = 0,95
P = kW
14.Трёхфазная мощностьСложная
P = 200 kWφ1​S1​Q2​QC​

Симметричная трёхфазная нагрузка потребляет 200 kW при коэффициенте мощности 0,65 (отстающий) от сети 415 V (линейное), 60 Hz. Трёхфазная конденсаторная батарея, включённая параллельно нагрузке, должна повысить общий коэффициент мощности до 0,9 (отстающий). Активная мощность не меняется. Конденсаторы соединены звездой. Найдите ёмкость Cph каждого конденсатора в µF.

P = 200 kWpf1 = 0,65pf2 = 0,9VL = 415 Vf = 60 Hz
Cph = µF
15.ТрансформаторыСредняя
4160 V480 VIHV​ = ?ILV​500 kVA

Однофазный трансформатор 500 kVA, 4160/480 V работает при номинальной нагрузке. Считайте его идеальным. Найдите ток IHV в обмотке высшего напряжения.

S = 500 kVAV1 = 4160 VV2 = 480 V
IHV = A
16.ТрансформаторыСложная
pf 0,85500 kVA, η = 96%

Однофазный трансформатор 500 kVA имеет потери в стали 2000 W. При номинальной нагрузке и коэффициенте мощности 0,85 (отстающий) его КПД равен 96%. Найдите потери в меди при номинальной нагрузке Pcu,fl в ваттах.

S = 500 kVAPcore = 2000 Wpf = 0,85η = 96%
Pcu,fl = W

3Растворы

1.Последовательные и параллельные резисторы

Ответ: IR2 = 2,64 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​ = 3 ΩR3​ = 5 Ω+−V1​18 VR2​3 ΩAR4​6 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 + 6 = 11 Ω
R2 ∥ 11 = 3·11/(3+11) = 2,357 Ω
Req = R1 + 2,357 = 3 + 2,357 = 5,357 Ω

Ток источника

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

IR1 = V1/Req = 18/5,357 = 3,36 A

Ток через R₂

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

VA = V1 − IR1·R1 = 18 − 3,36·3 = 7,92 V
IR2 = VA/R2 = 7,92/3 = 2,64 A

Ответ

IR2 = 2,64 A
2.Последовательные и параллельные резисторы

Ответ: Req = 20,63 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​ = 15 ΩR3​ = 6 ΩR5​ = 25 Ω+−V1​18 VR2​8 ΩAR4​25 ΩBR6​2 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 + 2 = 27 Ω
R4 ∥ 27 = 12,98 Ω
R3 + 12,98 = 18,98 Ω
R2 ∥ 18,98 = 5,628 Ω
Req = R1 + 5,628 = 15 + 5,628 = 20,63 Ω

Ответ

Req = 20,63 Ω
3.Метод узловых потенциалов

Ответ: VB = 8,077 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.

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 + 9
VA/R1 + VB/R2 = Is

Решите

VA/8 + (VA + 9)/5 = 1,5
VA = (1,5 − 9/5)/(1/8 + 1/5) = −0,9231 V
VB = −0,9231 + 9 = 8,077 V

Ответ

VB = 8,077 V
4.Метод узловых потенциалов

Ответ: IR4 = −1,631 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​ = 30 ΩR2​ = 15 ΩR4​ = 5 Ω+−V1​18 VR3​10 ΩAR5​25 ΩBIs​1 A+−V2​18 V

Определите узлы

Земля — нижний провод. Известные узловые напряжения берутся прямо из источников (V1 = 18 V, V2 = 18 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/10 + (VA − 18)/30 + (VA − VB)/15 = 0
0,2·VA − 0,06667·VB = 0,6

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/25 + (VB − VA)/15 + (VB − 18)/5 = (−1)
−0,06667·VA + 0,3067·VB = 2,6

Решите

Δ = (0,2)(0,3067) − (−0,06667)(−0,06667) = 0,05689
VA = Δ1/Δ = 0,3573/0,05689 = 6,281 V
VB = Δ2/Δ = 0,56/0,05689 = 9,844 V

Ответ

IR4 = (VB − V2)/R4 = (9,844 − 18)/5 = −1,631 A
5.Тевенин и Нортон

Ответ: IL = 0,8108 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​ = 4 ΩR3​ = 2 ΩКЗR2​8 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 = 4·8/(4+8) = 2,667 Ω
Rth = (R1 ∥ R2) + R3 = 2,667 + 2 = 4,667 Ω
R1​ = 4 ΩR3​ = 2 Ω+−V1​30 VR2​8 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) = 30·8/(4+8) = 20 V
Rth​ = 4,667 Ω+−Vth​20 VRL​20 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) = 20/(4,667 + 20) = 0,8108 A
6.Тевенин и Нортон

Ответ: IN = 2,738 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​ = 30 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 = 2·6/(2+6) = 1,5 Ω
Rth = (R1 ∥ R2) + R3 = 1,5 + 30 = 31,5 Ω
R1​ = 2 ΩR3​ = 30 Ω+−V1​10 VR2​6 ΩAIs​2,5 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) = 7,5 + 2,5·1,5 = 11,25 V
Vth = VB = VA + Is·R3 = 11,25 + 2,5·30 = 86,25 V
IN​2,738 ARth​31,5 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 = 86,25/31,5 = 2,738 A
7.Переходные процессы RC и RL

Ответ: W = 4,046 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 = 100 mH / 20 Ω = 5 ms
i(∞) = Vs/R = 9/20 = 0,45 A

Ток в заданный момент

i(t) = 0,45·(1 − e−5/5) = 0,2845 A

Запасённая энергия

W = ½·L·i² = ½·100·0,2845² = 4,046 mJ

Ответ

W = 4,046 mJ
8.Переходные процессы RC и RL

Ответ: R = 21,83 kΩ

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.

Требуемая постоянная времени

9 = 15·(1 − e−20/τ) → τ = 20/ln(15/(15 − 9))
τ = 20/0,9163 = 21,83 ms

Сопротивление

kΩ умножить на µF даёт миллисекунды.

R = τ/C = 21,83/1 = 21,83 kΩ

Ответ

R = 21,83 kΩ
9.Полное сопротивление и комплексные амплитуды

Ответ: I = 0,4914 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·60 = 377 rad/s
XL = ωL = 377·0,1 = 37,7 Ω
XC = 1/(ωC) = 1/(377·47·10⁻⁶) = 56,44 Ω

Полное сопротивление

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

|Z| = √(R² + (XL − XC)²) = √(100² + (−18,74)²) = 101,7 Ω

Ток

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

I = V/|Z| = 50/101,7 = 0,4914 A

Ответ

I = 0,4914 A
10.Полное сопротивление и комплексные амплитуды

Ответ: |Z| = 45,55 Ω

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|.

Реактивное сопротивление

XC = 1/(2π·500·10·10⁻⁶) = 31,83 Ω

Параллельное соединение

Умножьте числитель и знаменатель на комплексно сопряжённое число, чтобы разделить Zp на действительную и мнимую части.

Zp = R₂·(−jXC)/(R₂ − jXC) = (R₂·XC² − jR₂²·XC)/(R₂² + XC²)
Zp = 13,18 − j24,84 Ω

Полное сопротивление цепи

Z = 25 + 13,18 − j24,84 = 38,18 − j24,84 Ω
|Z| = √(38,18² + 24,84²) = 45,55 Ω

Ответ

|Z| = 45,55 Ω
11.Мощность переменного тока и коэффициент мощности

Ответ: Q = 39,75 kvar

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.

Угол

φ = arccos(0,65) = 49,46°, tan φ = 1,169

Реактивная мощность

Q = P·tan φ = 34·1,169 = 39,75 kvar

Ответ

Q = 39,75 kvar
12.Мощность переменного тока и коэффициент мощности

Ответ: C = 466,3 µF

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 = P·tan φ1 = 35·tan(36,87°) = 26,25 kvar
Q2 = P·tan φ2 = 35·tan(25,84°) = 16,95 kvar
QC = Q1 − Q2 = 9,299 kvar

Ёмкость

Конденсатор, подключённый к сети, поставляет Q = V²·ωC.

C = QC/(2πf·V²) = 9299/(2π·60·230²) = 466,3 µF

Ответ

C = 466,3 µF
13.Трёхфазная мощность

Ответ: P = 85,15 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 = √3·690·75 = 89,63 kVA

Активная мощность

P = S·cos φ = 89,63·0,95 = 85,15 kW

Ответ

P = 85,15 kW
14.Трёхфазная мощность

Ответ: Cph = 2109 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 = 200·tan(acos 0,65) = 200·1,169 = 233,8 kvar
Q2 = 200·tan(acos 0,9) = 200·0,4843 = 96,86 kvar

Реактивная мощность конденсаторов

QC = Q1 − Q2 = 137 kvar

Ёмкость на фазу

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

V = 415/√3 = 239,6 V, ω = 2π·60 = 377 rad/s
Cph = (QC/3)/(ω·V²) = 45654/(377·239,6²) = 2109 µF

Ответ

Cph = 2109 µF
15.Трансформаторы

Ответ: IHV = 120,2 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 = 500000/4160 = 120,2 A

Ответ

IHV = 120,2 A
16.Трансформаторы

Ответ: Pcu,fl = 15708 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 = 500·0,85 = 425 kW
Pin = 425000/0,96 = 442708 W

Суммарные потери и потери в меди

Ploss = 442708 − 425000 = 17708 W
Pcu,fl = 17708 − 2000 = 15708 W

Ответ

Pcu,fl = 15708 W

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