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​ = 4 Ω+−V1​6 VR2​15 ΩIR2​AR4​10 ΩB

Найдите ток IR2 через R2.

V1 = 6 VR1 = 3 ΩR2 = 15 ΩR3 = 4 ΩR4 = 10 Ω
IR2 = A
2.Последовательные и параллельные резисторыСложная
R1​ = 4 ΩIR1​R3​ = 4 ΩR5​ = 20 Ω+−V1​10 VR2​30 ΩAR4​25 ΩBR6​25 Ω

Найдите ток IR1, отдаваемый источником и текущий через R1.

V1 = 10 VR1 = 4 ΩR2 = 30 ΩR3 = 4 ΩR4 = 25 ΩR5 = 20 ΩR6 = 25 Ω
IR1 = A
3.Метод узловых потенциаловСредняя
R1​ = 3 ΩR3​ = 15 Ω+−V1​12 VR2​8 ΩAR4​10 ΩBIs​2,5 A

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

V1 = 12 VIs = 2,5 AR1 = 3 ΩR2 = 8 ΩR3 = 15 ΩR4 = 10 Ω
VB = V
4.Метод узловых потенциаловСложная
R1​ = 10 ΩIR1​R2​ = 10 ΩR4​ = 25 Ω+−V1​10 VR3​15 ΩAR5​20 ΩBIs​4 A−+V2​6 V

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

V1 = 10 VIs = 4 AV2 = 6 VR1 = 10 ΩR2 = 10 ΩR3 = 15 ΩR4 = 25 ΩR5 = 20 Ω
IR1 = A
5.Тевенин и НортонСредняя
R1​ = 5 ΩR3​ = 20 Ω+−V1​6 VR2​8 ΩAab

Найдите напряжение Тевенина Vth со стороны зажимов a–b.

V1 = 6 VR1 = 5 ΩR2 = 8 ΩR3 = 20 Ω
Vth = V
6.Тевенин и НортонСложная
R1​ = 30 ΩR3​ = 2 Ω+−V1​24 VR2​25 ΩAIs​2,5 ABab

Найдите напряжение Тевенина Vth со стороны зажимов a–b.

V1 = 24 VIs = 2,5 AR1 = 30 ΩR2 = 25 ΩR3 = 2 Ω
Vth = V
7.Переходные процессы RC и RLСредняя
R = 20 Ωt = 0L68 mHi(t)

Через катушку течёт установившийся ток 2,5 A. При t = 0 ключ замыкает контур через R, а источник отключается, поэтому ток катушки убывает через R. Найдите ток i в момент t = 10 ms.

i(0) = 2,5 AR = 20 ΩL = 68 mHt = 10 ms
i = A
8.Переходные процессы RC и RLСложная
+−Vs​9 VR1​ = 5 ΩR2​ = 33 Ωзамыкается при t = 0L150 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 1,175 A? Найдите t.

Vs = 9 VR1 = 5 ΩR2 = 33 ΩL = 150 mH
t = ms
9.Полное сопротивление и комплексные амплитудыСредняя
Vf0​ = 2000 HzRL = ?C = 0,22 µF

Последовательный RLC-контур с C = 0,22 µF должен резонировать на частоте 2000 Hz. Найдите необходимую индуктивность L.

f0 = 2000 HzC = 0,22 µF
L = mH
10.Полное сопротивление и комплексные амплитудыСложная
230 V100 HzR = 100 ΩL = 150 mHC = 100 µF

Последовательная цепь RLC подключена к сети 230 V (действующее значение), 100 Hz. Найдите резонансную частоту f0 цепи.

V = 230 V (rms)f = 100 HzR = 100 ΩL = 150 mHC = 100 µF
f0 = Hz
11.Мощность переменного тока и коэффициент мощностиСредняя
120 VZ9 + j12 ΩI

Нагрузка с полным сопротивлением Z = 9 + j12 Ω подключена к однофазной сети 120 V (действующее значение). Найдите потребляемую ею активную мощность P.

V = 120 VZ = 9 + j12 Ω
P = W
12.Мощность переменного тока и коэффициент мощностиСложная
P = 20 kWQ1​S1​φ1​QC​

Однофазная нагрузка потребляет 20 kW при коэффициенте мощности 0,6 (индуктивном) от сети 230 V, 60 Hz. Параллельно подключённый конденсатор повышает коэффициент мощности до 0,95. Найдите необходимую ёмкость C.

P = 20 kWpf1 = 0,6pf2 = 0,95V = 230 Vf = 60 Hz
C = µF
13.Трёхфазная мощностьСредняя
ABCVL​ = 208 VNZ = 24 + j18 Ωна фазу

Симметричная нагрузка, соединённая звездой, с полным сопротивлением 24 + j18 Ω на фазу подключена к симметричной трёхфазной сети с линейным напряжением 208 V. Найдите полную активную мощность P, потребляемую нагрузкой, в kW.

VL = 208 VZ = 24 + j18 Ω на фазу
P = kW
14.Трёхфазная мощностьСложная
P = 150 kWφ1​S1​Q2​QC​

Симметричная трёхфазная нагрузка потребляет 150 kW при коэффициенте мощности 0,78 (отстающий) от сети 400 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 треугольником. Найдите ёмкость Cph каждого конденсатора в µF.

P = 150 kWpf1 = 0,78pf2 = 0,9VL = 400 Vf = 60 Hz
Cph = µF
15.ТрансформаторыСредняя
RL​ = 24 Ω511150 VV2​I1​ = ?I2​

К первичной обмотке идеального трансформатора с коэффициентом трансформации N₁:N₂ = 5:1 приложено 1150 V. К вторичной обмотке подключён резистор 24 Ω. Найдите первичный ток I1.

N1:N2 = 5:1V1 = 1150 VRL = 24 Ω
I1 = A
16.ТрансформаторыСложная
150 kVA

Однофазный трансформатор 150 kVA имеет потери в стали 900 W и потери в меди 2250 W при номинальной нагрузке. При какой нагрузке Sη,max, в kVA, его КПД максимален?

S = 150 kVAPcore = 900 WPcu,fl = 2250 W
Sη,max = kVA

3Растворы

1.Последовательные и параллельные резисторы

Ответ: IR2 = 0,2828 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​ = 4 Ω+−V1​6 VR2​15 ΩAR4​10 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 = 4 + 10 = 14 Ω
R2 ∥ 14 = 15·14/(15+14) = 7,241 Ω
Req = R1 + 7,241 = 3 + 7,241 = 10,24 Ω

Ток источника

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

IR1 = V1/Req = 6/10,24 = 0,5859 A

Ток через R₂

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

VA = V1 − IR1·R1 = 6 − 0,5859·3 = 4,242 V
IR2 = VA/R2 = 4,242/15 = 0,2828 A

Ответ

IR2 = 0,2828 A
2.Последовательные и параллельные резисторы

Ответ: IR1 = 0,624 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​ = 4 ΩR5​ = 20 Ω+−V1​10 VR2​30 ΩAR4​25 ΩBR6​25 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 = 20 + 25 = 45 Ω
R4 ∥ 45 = 16,07 Ω
R3 + 16,07 = 20,07 Ω
R2 ∥ 20,07 = 12,03 Ω
Req = R1 + 12,03 = 4 + 12,03 = 16,03 Ω

Ток источника

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

IR1 = V1/Req = 10/16,03 = 0,624 A

Ответ

IR1 = 0,624 A
3.Метод узловых потенциалов

Ответ: VB = 19,01 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​ = 3 ΩR3​ = 15 Ω+−V1​12 VR2​8 ΩAR4​10 ΩBIs​2,5 A

Определите узлы

Земля — нижний провод. Известные узловые напряжения берутся прямо из источников (V1 = 12 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 − 12)/3 + (VA − VB)/15 = 0
0,525·VA − 0,06667·VB = 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/10 + (VB − VA)/15 = 2,5
−0,06667·VA + 0,1667·VB = 2,5

Решите

Δ = (0,525)(0,1667) − (−0,06667)(−0,06667) = 0,08306
VA = Δ1/Δ = 0,8333/0,08306 = 10,03 V
VB = Δ2/Δ = 1,579/0,08306 = 19,01 V

Ответ

VB = 19,01 V
4.Метод узловых потенциалов

Ответ: IR1 = −0,3918 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​ = 10 ΩR2​ = 10 ΩR4​ = 25 Ω+−V1​10 VR3​15 ΩAR5​20 ΩBIs​4 A−+V2​6 V

Определите узлы

Земля — нижний провод. Известные узловые напряжения берутся прямо из источников (V1 = 10 V, V2 = −6 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/15 + (VA − 10)/10 + (VA − VB)/10 = 0
0,2667·VA − 0,1·VB = 1

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/20 + (VB − VA)/10 + (VB − (−6))/25 = 4
−0,1·VA + 0,19·VB = 3,76

Решите

Δ = (0,2667)(0,19) − (−0,1)(−0,1) = 0,04067
VA = Δ1/Δ = 0,566/0,04067 = 13,92 V
VB = Δ2/Δ = 1,103/0,04067 = 27,11 V

Ответ

IR1 = (V1 − VA)/R1 = (10 − 13,92)/10 = −0,3918 A
5.Тевенин и Нортон

Ответ: Vth = 3,692 V

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​ = 5 ΩR3​ = 20 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 = 5·8/(5+8) = 3,077 Ω
Rth = (R1 ∥ R2) + R3 = 3,077 + 20 = 23,08 Ω
R1​ = 5 ΩR3​ = 20 Ω+−V1​6 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) = 6·8/(5+8) = 3,692 V
6.Тевенин и Нортон

Ответ: Vth = −28,18 V

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​ = 2 ΩКЗR2​25 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 = 30·25/(30+25) = 13,64 Ω
Rth = (R1 ∥ R2) + R3 = 13,64 + 2 = 15,64 Ω
R1​ = 30 ΩR3​ = 2 Ω+−V1​24 VR2​25 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) = 10,91 + (−2,5)·13,64 = −23,18 V
Vth = VB = VA + Is·R3 = −23,18 + (−2,5)·2 = −28,18 V
7.Переходные процессы RC и RL

Ответ: i = 0,132 A

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 = 68 mH / 20 Ω = 3,4 ms

Убывание тока

i(t) = 2,5·e−10/3,4 = 0,132 A

Ответ

i = 0,132 A
8.Переходные процессы RC и RL

Ответ: t = 27,5 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) = 9/(5 + 33) = 0,2368 A
i(∞) = 9/5 = 1,8 A
τ = L/R = 150/5 = 30 ms
i(t) = 1,8 + (0,2368 − 1,8)·e−t/τ

Выразите время

e−t/τ = (1,175 − 1,8)/(0,2368 − 1,8) = 0,3998
t = 30·ln(2,501) = 27,5 ms

Ответ

t = 27,5 ms
9.Полное сопротивление и комплексные амплитуды

Ответ: L = 28,78 mH

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
L = 1/(ω₀²·C) = 1/(12566²·0,22·10⁻⁶) = 28,78 mH

Ответ

L = 28,78 mH
10.Полное сопротивление и комплексные амплитуды

Ответ: f0 = 41,09 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·√(0,15·100·10⁻⁶)) = 41,09 Hz

Ответ

f0 = 41,09 Hz
11.Мощность переменного тока и коэффициент мощности

Ответ: P = 576 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| = √(9² + 12²) = 15 Ω
I = V/|Z| = 120/15 = 8 A

Активная мощность

P = I²·R = 8²·9 = 576 W

Ответ

P = 576 W
12.Мощность переменного тока и коэффициент мощности

Ответ: C = 1008 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 = 20·tan(53,13°) = 26,67 kvar
Q2 = P·tan φ2 = 20·tan(18,19°) = 6,574 kvar
QC = Q1 − Q2 = 20,09 kvar

Ёмкость

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

C = QC/(2πf·V²) = 20093/(2π·60·230²) = 1008 µF

Ответ

C = 1008 µF
13.Трёхфазная мощность

Ответ: P = 1,154 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.

Фазное напряжение

Vph = 208/√3 = 120,1 V

Фазный ток

|Z| = √(24² + 18²) = 30 Ω
Iph = 120,1/30 = 4,003 A

Полная активная мощность

Активную мощность потребляет только активная составляющая каждого сопротивления.

P = 3·Iph²·R = 3·4,003²·24 = 1,154 kW

Ответ

P = 1,154 kW

Проверка: cos φ = R/|Z| = 0,8, и √3·VL·IL·cos φ даёт ту же мощность.

14.Трёхфазная мощность

Ответ: Cph = 263,6 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 = 150·tan(acos 0,78) = 150·0,8023 = 120,3 kvar
Q2 = 150·tan(acos 0,9) = 150·0,4843 = 72,65 kvar

Реактивная мощность конденсаторов

QC = Q1 − Q2 = 47,69 kvar

Ёмкость на фазу

В батарее, соединённой треугольником, каждый конденсатор включён между двумя линейными проводами.

V = 400 V, ω = 2π·60 = 377 rad/s
Cph = (QC/3)/(ω·V²) = 15898/(377·400²) = 263,6 µF

Ответ

Cph = 263,6 µF
15.Трансформаторы

Ответ: I1 = 1,917 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 = 1150/5 = 230 V
I2 = 230/24 = 9,583 A

Первичный ток

Идеальный трансформатор не имеет потерь: V₁·I₁ = V₂·I₂.

I1 = I2/5 = 1,917 A

Ответ

I1 = 1,917 A

Проверка: нагрузка со стороны первичной обмотки равна a²·RL = 600 Ω, и 1150/600 даёт тот же ток.

16.Трансформаторы

Ответ: Sη,max = 94,87 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

x²·2250 = 900 → x = √(900/2250) = 0,6325

Нагрузка при максимальном КПД

Sη,max = x·S = 0,6325·150 = 94,87 kVA

Ответ

Sη,max = 94,87 kVA

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