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​ = 2 ΩR3​ = 3 Ω+−V1​9 VR2​2 ΩIR2​AR4​3 ΩB

Найдите ток IR2 через R2.

V1 = 9 VR1 = 2 ΩR2 = 2 ΩR3 = 3 ΩR4 = 3 Ω
IR2 = A
2.Последовательные и параллельные резисторыСложная
R1​ = 30 ΩIR1​R3​ = 2 ΩR5​ = 12 Ω+−V1​30 VR2​8 ΩAR4​3 ΩBR6​20 Ω

Найдите ток IR1, отдаваемый источником и текущий через R1.

V1 = 30 VR1 = 30 ΩR2 = 8 ΩR3 = 2 ΩR4 = 3 ΩR5 = 12 ΩR6 = 20 Ω
IR1 = A
3.Метод узловых потенциаловСредняя
R1​ = 6 ΩR3​ = 12 Ω+−V1​9 VR2​3 ΩAR4​3 ΩBIs​2,5 A

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

V1 = 9 VIs = 2,5 AR1 = 6 ΩR2 = 3 ΩR3 = 12 ΩR4 = 3 Ω
VB = V
4.Метод узловых потенциаловСложная
R1​ = 25 ΩR2​ = 2 ΩR4​ = 8 ΩIR4​+−V1​5 VR3​10 ΩAR5​4 ΩBIs​2 A+−V2​5 V

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

V1 = 5 VIs = 2 AV2 = 5 VR1 = 25 ΩR2 = 2 ΩR3 = 10 ΩR4 = 8 ΩR5 = 4 Ω
IR4 = A
5.Тевенин и НортонСредняя
R1​ = 6 ΩR3​ = 20 Ω+−V1​30 VR2​12 ΩAab

Найдите сопротивление Тевенина Rth со стороны зажимов a–b.

V1 = 30 VR1 = 6 ΩR2 = 12 ΩR3 = 20 Ω
Rth = Ω
6.Тевенин и НортонСложная
R1​ = 30 ΩR3​ = 30 Ω+−V1​24 VR2​4 ΩAIs​2,5 ABRL​6 ΩIL​

К a–b подключена нагрузка RL = 6 Ω. С помощью эквивалента Тевенина найдите мощность PL, передаваемую в нагрузку.

V1 = 24 VIs = 2,5 AR1 = 30 ΩR2 = 4 ΩR3 = 30 ΩRL = 6 Ω
PL = W
7.Переходные процессы RC и RLСредняя
+−Vs​15 Vt = 0R1​ = 2,2 kΩR2​ = 1 kΩC100 µF+−vC​

Источник Vₛ заряжает конденсатор через R₁, а R₂ подключён параллельно C. Конденсатор разряжен, когда ключ замыкается в момент t = 0. Найдите напряжение на конденсаторе vC в момент t = 50 ms.

Vs = 15 VR1 = 2,2 kΩR2 = 1 kΩC = 100 µFt = 50 ms
vC = V
8.Переходные процессы RC и RLСложная
+−Vs​5 Vt = 0R = 6,8 kΩC68 µF+−vC​vC​(0) = 18 V

Непосредственно перед замыканием ключа в момент t = 0 конденсатор заряжен до 18 V с указанной полярностью. Найдите напряжение на конденсаторе vC в момент t = 500 ms.

Vs = 5 VR = 6,8 kΩC = 68 µFvC(0) = 18 Vt = 500 ms
vC = V
9.Полное сопротивление и комплексные амплитудыСредняя
120 V500 HzR = 25 ΩL = 150 mHC = 22 µFI

Последовательная цепь RLC подключена к сети 120 V (действующее значение), 500 Hz. Найдите действующее значение тока I.

V = 120 V (rms)f = 500 HzR = 25 ΩL = 150 mHC = 22 µF
I = A
10.Полное сопротивление и комплексные амплитудыСложная
120 V60 HzR = 20 ΩL = 50 mHC = 22 µF

Последовательная цепь RLC подключена к сети 120 V (действующее значение), 60 Hz. Найдите резонансную частоту f0 цепи.

V = 120 V (rms)f = 60 HzR = 20 ΩL = 50 mHC = 22 µF
f0 = Hz
11.Мощность переменного тока и коэффициент мощностиСредняя
240 VZ5 + j12 ΩI

Нагрузка с полным сопротивлением Z = 5 + j12 Ω подключена к однофазной сети 240 V (действующее значение). Найдите полную мощность S.

V = 240 VZ = 5 + j12 Ω
S = VA
12.Мощность переменного тока и коэффициент мощностиСложная
240 V50 Hzнагрузка18 kW, 0,8C220 µFI = ?

Однофазная нагрузка потребляет 18 kW при коэффициенте мощности 0,8 (индуктивном) от сети 240 V, 50 Hz. Параллельно нагрузке подключён конденсатор 220 µF. Найдите новый ток линии I.

P = 18 kWpf1 = 0,8V = 240 Vf = 50 HzC = 220 µF
I = A
13.Трёхфазная мощностьСредняя
ABCVL​ = 480 VIL​ = 80 Acos φ = 0,8отстающий

Симметричная трёхфазная нагрузка потребляет линейный ток 80 A от сети с линейным напряжением 480 V. Коэффициент мощности 0,8 (отстающий). Найдите полную активную мощность P, потребляемую нагрузкой, в kW.

VL = 480 VIL = 80 Acos φ = 0,8
P = kW
14.Трёхфазная мощностьСложная
P = 200 kWφ1​S1​Q2​QC​

Симметричная трёхфазная нагрузка потребляет 200 kW при коэффициенте мощности 0,72 (отстающий) от сети 415 V (линейное), 60 Hz. Трёхфазная конденсаторная батарея, включённая параллельно нагрузке, должна повысить общий коэффициент мощности до 0,92 (отстающий). Активная мощность не меняется. Конденсаторы соединены звездой. Найдите ёмкость Cph каждого конденсатора в µF.

P = 200 kWpf1 = 0,72pf2 = 0,92VL = 415 Vf = 60 Hz
Cph = µF
15.ТрансформаторыСредняя
4 ΩN1​N2​16 Ω

Усилитель с выходным сопротивлением 16 Ω питает громкоговоритель 4 Ω через идеальный трансформатор. Для передачи максимальной мощности громкоговоритель должен выглядеть со стороны усилителя как 16 Ω. Найдите коэффициент трансформации a = N₁/N₂.

Rs = 16 ΩRL = 4 Ω
a =
16.ТрансформаторыСложная
100 kVA

Однофазный трансформатор 100 kVA имеет потери в стали 400 W и потери в меди 600 W при номинальной нагрузке. При какой нагрузке Sη,max, в kVA, его КПД максимален?

S = 100 kVAPcore = 400 WPcu,fl = 600 W
Sη,max = kVA

3Растворы

1.Последовательные и параллельные резисторы

Ответ: IR2 = 1,929 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​ = 2 ΩR3​ = 3 Ω+−V1​9 VR2​2 ΩAR4​3 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 = 3 + 3 = 6 Ω
R2 ∥ 6 = 2·6/(2+6) = 1,5 Ω
Req = R1 + 1,5 = 2 + 1,5 = 3,5 Ω

Ток источника

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

IR1 = V1/Req = 9/3,5 = 2,571 A

Ток через R₂

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

VA = V1 − IR1·R1 = 9 − 2,571·2 = 3,857 V
IR2 = VA/R2 = 3,857/2 = 1,929 A

Ответ

IR2 = 1,929 A
2.Последовательные и параллельные резисторы

Ответ: IR1 = 0,9097 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​ = 30 ΩR3​ = 2 ΩR5​ = 12 Ω+−V1​30 VR2​8 ΩAR4​3 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 = 12 + 20 = 32 Ω
R4 ∥ 32 = 2,743 Ω
R3 + 2,743 = 4,743 Ω
R2 ∥ 4,743 = 2,978 Ω
Req = R1 + 2,978 = 30 + 2,978 = 32,98 Ω

Ток источника

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

IR1 = V1/Req = 30/32,98 = 0,9097 A

Ответ

IR1 = 0,9097 A
3.Метод узловых потенциалов

Ответ: VB = −5,647 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​ = 6 ΩR3​ = 12 Ω+−V1​9 VR2​3 ΩAR4​3 ΩBIs​2,5 A

Определите узлы

Земля — нижний провод. Известные узловые напряжения берутся прямо из источников (V1 = 9 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 − 9)/6 + (VA − VB)/12 = 0
0,5833·VA − 0,08333·VB = 1,5

ЗТК в узле B

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

VB/R4 + (VB − VA)/R3 = Is
VB/3 + (VB − VA)/12 = (−2,5)
−0,08333·VA + 0,4167·VB = −2,5

Решите

Δ = (0,5833)(0,4167) − (−0,08333)(−0,08333) = 0,2361
VA = Δ1/Δ = 0,4167/0,2361 = 1,765 V
VB = Δ2/Δ = −1,333/0,2361 = −5,647 V

Ответ

VB = −5,647 V
4.Метод узловых потенциалов

Ответ: IR4 = 0,09274 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​ = 25 ΩR2​ = 2 ΩR4​ = 8 Ω+−V1​5 VR3​10 ΩAR5​4 ΩBIs​2 A+−V2​5 V

Определите узлы

Земля — нижний провод. Известные узловые напряжения берутся прямо из источников (V1 = 5 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/10 + (VA − 5)/25 + (VA − VB)/2 = 0
0,64·VA − 0,5·VB = 0,2

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/4 + (VB − VA)/2 + (VB − 5)/8 = 2
−0,5·VA + 0,875·VB = 2,625

Решите

Δ = (0,64)(0,875) − (−0,5)(−0,5) = 0,31
VA = Δ1/Δ = 1,488/0,31 = 4,798 V
VB = Δ2/Δ = 1,78/0,31 = 5,742 V

Ответ

IR4 = (VB − V2)/R4 = (5,742 − 5)/8 = 0,09274 A
5.Тевенин и Нортон

Ответ: Rth = 24 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​ = 6 ΩR3​ = 20 ΩКЗR2​12 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 = 6·12/(6+12) = 4 Ω
Rth = (R1 ∥ R2) + R3 = 4 + 20 = 24 Ω
6.Тевенин и Нортон

Ответ: PL = 28,83 W

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​ = 30 ΩR3​ = 30 ΩКЗR2​4 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 = 30·4/(30+4) = 3,529 Ω
Rth = (R1 ∥ R2) + R3 = 3,529 + 30 = 33,53 Ω
R1​ = 30 ΩR3​ = 30 Ω+−V1​24 VR2​4 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) = 2,824 + 2,5·3,529 = 11,65 V
Vth = VB = VA + Is·R3 = 11,65 + 2,5·30 = 86,65 V
Rth​ = 33,53 Ω+−Vth​86,65 VRL​6 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) = 86,65/(33,53 + 6) = 2,192 A
PL = IL²·RL = 2,192²·6 = 28,83 W
7.Переходные процессы RC и RL

Ответ: vC = 2,422 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.

Эквивалентная схема Тевенина со стороны конденсатора

Закоротите источник, чтобы найти Rth; отключите конденсатор, чтобы найти напряжение, до которого он зарядится.

Rth = R1 ∥ R2 = 2,2·1/(2,2 + 1) = 0,6875 kΩ
vC(∞) = 15·1/(2,2 + 1) = 4,688 V

Постоянная времени

τ = Rth·C = 0,6875·100 = 68,75 ms

Кривая заряда

vC(t) = 4,688·(1 − e−50/68,75) = 2,422 V

Ответ

vC = 2,422 V
8.Переходные процессы RC и RL

Ответ: vC = 9,409 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 = 5 V
τ = R·C = 6,8 kΩ · 68 µF = 462,4 ms
vC(t) = 5 + (18 − 5)·e−t/τ

Напряжение в заданный момент

vC(500) = 5 + (13)·e−500/462,4 = 9,409 V

Ответ

vC = 9,409 V
9.Полное сопротивление и комплексные амплитуды

Ответ: I = 0,2623 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·500 = 3142 rad/s
XL = ωL = 3142·0,15 = 471,2 Ω
XC = 1/(ωC) = 1/(3142·22·10⁻⁶) = 14,47 Ω

Полное сопротивление

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

|Z| = √(R² + (XL − XC)²) = √(25² + (456,8)²) = 457,5 Ω

Ток

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

I = V/|Z| = 120/457,5 = 0,2623 A

Ответ

I = 0,2623 A
10.Полное сопротивление и комплексные амплитуды

Ответ: f0 = 151,7 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·√(0,05·22·10⁻⁶)) = 151,7 Hz

Ответ

f0 = 151,7 Hz
11.Мощность переменного тока и коэффициент мощности

Ответ: S = 4431 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| = √(5² + 12²) = 13 Ω
I = V/|Z| = 240/13 = 18,46 A

Полная мощность

S = V·I = 240·18,46 = 4431 VA

Ответ

S = 4431 VA
12.Мощность переменного тока и коэффициент мощности

Ответ: I = 84,84 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 = 18·tan(arccos 0,8) = 13,5 kvar
QC = V²·2πf·C = 240²·2π·50·220·10⁻⁶ = 3981 var = 3,981 kvar
Q2 = 13,5 − 3,981 = 9,519 kvar

Новая полная мощность

S2 = √(18² + 9,519²) = 20,36 kVA

Новый ток линии

I = S2/V = 20362/240 = 84,84 A

Ответ

I = 84,84 A
13.Трёхфазная мощность

Ответ: P = 53,21 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 = √3·480·80 = 66,51 kVA

Активная мощность

P = S·cos φ = 66,51·0,8 = 53,21 kW

Ответ

P = 53,21 kW
14.Трёхфазная мощность

Ответ: Cph = 1657 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 0,72) = 200·0,9639 = 192,8 kvar
Q2 = 200·tan(acos 0,92) = 200·0,426 = 85,2 kvar

Реактивная мощность конденсаторов

QC = Q1 − Q2 = 107,6 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) = 35857/(377·239,6²) = 1657 µF

Ответ

Cph = 1657 µF
15.Трансформаторы

Ответ: a = 2

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.

Согласуйте приведённую нагрузку

a²·4 = 16
a = √(16/4) = √4 = 2

Ответ

a = 2
16.Трансформаторы

Ответ: Sη,max = 81,65 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.

Потери в меди равны потерям в стали

x²·600 = 400 → x = √(400/600) = 0,8165

Нагрузка при максимальном КПД

Sη,max = x·S = 0,8165·100 = 81,65 kVA

Ответ

Sη,max = 81,65 kVA

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