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​ = 10 ΩR3​ = 10 Ω+−V1​15 VR2​3 ΩIR2​AR4​10 ΩB

Найдите ток IR2 через R2.

V1 = 15 VR1 = 10 ΩR2 = 3 ΩR3 = 10 ΩR4 = 10 Ω
IR2 = A
2.Последовательные и параллельные резисторыСложная
R1​ = 10 ΩR3​ = 8 ΩR5​ = 8 Ω+−V1​36 VR2​3 ΩAR4​6 ΩBR6​25 Ω

Найдите эквивалентное сопротивление Req, которое видит источник V1.

V1 = 36 VR1 = 10 ΩR2 = 3 ΩR3 = 8 ΩR4 = 6 ΩR5 = 8 ΩR6 = 25 Ω
Req = Ω
3.Метод узловых потенциаловСредняя
R1​ = 5 ΩR3​ = 15 Ω+−V1​6 VR2​6 ΩAR4​3 ΩBIs​5 A

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

V1 = 6 VIs = 5 AR1 = 5 ΩR2 = 6 ΩR3 = 15 ΩR4 = 3 Ω
VB = V
4.Метод узловых потенциаловСложная
R1​ = 30 ΩR3​ = 15 Ω+−V1​12 VR2​10 ΩAR4​15 ΩBIs​?

Источник тока регулируют до тех пор, пока напряжение узла A не станет VA = 10,5 V. Методом узловых потенциалов найдите ток источника Is (направление как на схеме).

V1 = 12 VR1 = 30 ΩR2 = 10 ΩR3 = 15 ΩR4 = 15 ΩVA = 10,5 V
Is = A
5.Тевенин и НортонСредняя
R1​ = 4 ΩR3​ = 20 Ω+−V1​9 VR2​6 ΩARL​20 ΩIL​B

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

V1 = 9 VR1 = 4 ΩR2 = 6 ΩR3 = 20 ΩRL = 20 Ω
IL = A
6.Тевенин и НортонСложная
R1​ = 30 ΩR3​ = 20 Ω+−V1​12 VR2​12 ΩAIs​1,5 ABab

Найдите напряжение Тевенина Vth со стороны зажимов a–b.

V1 = 12 VIs = 1,5 AR1 = 30 ΩR2 = 12 ΩR3 = 20 Ω
Vth = V
7.Переходные процессы RC и RLСредняя
R = 100 Ωt = 0L47 mHi(t)

Через катушку течёт установившийся ток 1,5 A. При t = 0 ключ замыкает контур через R, а источник отключается, поэтому ток катушки убывает через R. Найдите ток i в момент t = 1 ms.

i(0) = 1,5 AR = 100 ΩL = 47 mHt = 1 ms
i = A
8.Переходные процессы RC и RLСложная
+−Vs​6 VR1​ = 10 ΩR2​ = 33 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. Найдите ток катушки i при t = 5 ms.

Vs = 6 VR1 = 10 ΩR2 = 33 ΩL = 22 mHt = 5 ms
i = A
9.Полное сопротивление и комплексные амплитудыСредняя
230 V100 HzR = 10 ΩL = 250 mHC = 100 µFI

Последовательная цепь RLC подключена к сети 230 V (действующее значение), 100 Hz. Найдите действующее значение тока I.

V = 230 V (rms)f = 100 HzR = 10 ΩL = 250 mHC = 100 µF
I = A
10.Полное сопротивление и комплексные амплитудыСложная
5 Vf0​R = 2 ΩL = 5 mHC = 4,7 µF

Последовательный RLC-контур питается от источника 5 V (действующее значение), частота которого равна резонансной частоте контура. Найдите действующее напряжение VL на катушке.

V = 5 V (rms)R = 2 ΩL = 5 mHC = 4,7 µF
VL = V
11.Мощность переменного тока и коэффициент мощностиСредняя
400 V15 kW, 0,8525 kW, 0,85I

К однофазной сети 400 V параллельно подключены две нагрузки: нагрузка 5 kW при коэффициенте мощности 0,85 (индуктивном) и нагрузка 5 kW при коэффициенте мощности 0,85 (индуктивном). Найдите общий коэффициент мощности cos φ со стороны сети.

V = 400 VP1 = 5 kW, pf1 = 0,85 отстающийP2 = 5 kW, pf2 = 0,85 отстающий
cos φ =
12.Мощность переменного тока и коэффициент мощностиСложная
P = 25 kWQ1​S1​φ1​QC​

Однофазная нагрузка потребляет 25 kW при коэффициенте мощности 0,7 (индуктивном) от сети 240 V, 50 Hz. Параллельно подключённый конденсатор повышает коэффициент мощности до 0,98. Найдите реактивную мощность QC, которую должен поставлять конденсатор.

P = 25 kWpf1 = 0,7pf2 = 0,98V = 240 Vf = 50 Hz
QC = kvar
13.Трёхфазная мощностьСредняя
ABCVL​ = 690 VIL​ = 50 Acos φ = 0,7отстающий

Симметричная трёхфазная нагрузка потребляет линейный ток 50 A от сети с линейным напряжением 690 V. Коэффициент мощности 0,7 (отстающий). Найдите полную активную мощность P, потребляемую нагрузкой, в kW.

VL = 690 VIL = 50 Acos φ = 0,7
P = kW
14.Трёхфазная мощностьСложная
P = 200 kWφ1​S1​Q2​QC​ = ?

Симметричная трёхфазная нагрузка потребляет 200 kW при коэффициенте мощности 0,8 (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. Найдите полную реактивную мощность QC, которую должна выдавать конденсаторная батарея, в kvar.

P = 200 kWpf1 = 0,8pf2 = 0,98VL = 415 Vf = 50 Hz
QC = kvar
15.ТрансформаторыСредняя
4 Ω121

К вторичной обмотке идеального трансформатора с коэффициентом трансформации N₁:N₂ = 12:1 подключён резистор 4 Ω. Найдите сопротивление R1′ со стороны первичной обмотки.

N1:N2 = 12:1RL = 4 Ω
R1′ = Ω
16.ТрансформаторыСложная
pf 0,95500 kVA, 75% нагрузка

Однофазный трансформатор 500 kVA имеет потери в стали 2000 W и потери в меди 8000 W при номинальной нагрузке. Он отдаёт 75% номинальной мощности в kVA при коэффициенте мощности 0,95 (отстающий). Найдите суммарные потери Ploss в ваттах при этой нагрузке.

S = 500 kVAPcore = 2000 WPcu,fl = 8000 Wx = 0,75pf = 0,95
Ploss = W

3Растворы

1.Последовательные и параллельные резисторы

Ответ: IR2 = 1,034 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​ = 10 ΩR3​ = 10 Ω+−V1​15 VR2​3 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 = 10 + 10 = 20 Ω
R2 ∥ 20 = 3·20/(3+20) = 2,609 Ω
Req = R1 + 2,609 = 10 + 2,609 = 12,61 Ω

Ток источника

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

IR1 = V1/Req = 15/12,61 = 1,19 A

Ток через R₂

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

VA = V1 − IR1·R1 = 15 − 1,19·10 = 3,103 V
IR2 = VA/R2 = 3,103/3 = 1,034 A

Ответ

IR2 = 1,034 A
2.Последовательные и параллельные резисторы

Ответ: Req = 12,44 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​ = 10 ΩR3​ = 8 ΩR5​ = 8 Ω+−V1​36 VR2​3 ΩAR4​6 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 = 8 + 25 = 33 Ω
R4 ∥ 33 = 5,077 Ω
R3 + 5,077 = 13,08 Ω
R2 ∥ 13,08 = 2,44 Ω
Req = R1 + 2,44 = 10 + 2,44 = 12,44 Ω

Ответ

Req = 12,44 Ω
3.Метод узловых потенциалов

Ответ: VB = −12,36 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​ = 5 ΩR3​ = 15 Ω+−V1​6 VR2​6 ΩAR4​3 ΩBIs​5 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/6 + (VA − 6)/5 + (VA − VB)/15 = 0
0,4333·VA − 0,06667·VB = 1,2

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)/15 = (−5)
−0,06667·VA + 0,4·VB = −5

Решите

Δ = (0,4333)(0,4) − (−0,06667)(−0,06667) = 0,1689
VA = Δ1/Δ = 0,1467/0,1689 = 0,8684 V
VB = Δ2/Δ = −2,087/0,1689 = −12,36 V

Ответ

VB = −12,36 V
4.Метод узловых потенциалов

Ответ: Is = 2,7 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.

ЗТК в узле A

VA известно, поэтому это уравнение даёт VB.

(VA − V1)/R1 + VA/R2 + (VA − VB)/R3 = 0
(10,5 − 12)/30 + 10,5/10 = (VB − 10,5)/15
1 = (VB − 10,5)/15 → VB = 25,5 V

ЗТК в узле B

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

Is = (VB − VA)/R3 + VB/R4 = (25,5 − 10,5)/15 + 25,5/15 = 2,7 A

Ответ

Is = 2,7 A
5.Тевенин и Нортон

Ответ: IL = 0,1274 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​ = 20 ΩКЗR2​6 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 = 4·6/(4+6) = 2,4 Ω
Rth = (R1 ∥ R2) + R3 = 2,4 + 20 = 22,4 Ω
R1​ = 4 ΩR3​ = 20 Ω+−V1​9 VR2​6 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) = 9·6/(4+6) = 5,4 V
Rth​ = 22,4 Ω+−Vth​5,4 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) = 5,4/(22,4 + 20) = 0,1274 A
6.Тевенин и Нортон

Ответ: Vth = 46,29 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​ = 20 ΩКЗR2​12 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 = 30·12/(30+12) = 8,571 Ω
Rth = (R1 ∥ R2) + R3 = 8,571 + 20 = 28,57 Ω
R1​ = 30 ΩR3​ = 20 Ω+−V1​12 VR2​12 ΩAIs​1,5 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) = 3,429 + 1,5·8,571 = 16,29 V
Vth = VB = VA + Is·R3 = 16,29 + 1,5·20 = 46,29 V
7.Переходные процессы RC и RL

Ответ: i = 0,1787 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 = 47 mH / 100 Ω = 0,47 ms

Убывание тока

i(t) = 1,5·e−1/0,47 = 0,1787 A

Ответ

i = 0,1787 A
8.Переходные процессы RC и RL

Ответ: i = 0,5526 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.

Начальное значение, конечное значение, постоянная времени

До t = 0 в контур входят оба резистора; после этого замкнутый ключ шунтирует R₂.

i(0) = 6/(10 + 33) = 0,1395 A
i(∞) = 6/10 = 0,6 A
τ = L/R = 22/10 = 2,2 ms
i(t) = 0,6 + (0,1395 − 0,6)·e−t/τ

Ток в заданный момент

i(5) = 0,6 + (−0,4605)·e−5/2,2 = 0,5526 A

Ответ

i = 0,5526 A
9.Полное сопротивление и комплексные амплитуды

Ответ: I = 1,625 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·100 = 628,3 rad/s
XL = ωL = 628,3·0,25 = 157,1 Ω
XC = 1/(ωC) = 1/(628,3·100·10⁻⁶) = 15,92 Ω

Полное сопротивление

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

|Z| = √(R² + (XL − XC)²) = √(10² + (141,2)²) = 141,5 Ω

Ток

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

I = V/|Z| = 230/141,5 = 1,625 A

Ответ

I = 1,625 A
10.Полное сопротивление и комплексные амплитуды

Ответ: VL = 81,54 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/√(0,005·4,7·10⁻⁶) = 6523 rad/s
I = V/R = 5/2 = 2,5 A

Напряжение на катушке

XL = ω₀L = 6523·0,005 = 32,62 Ω
VL = I·XL = 2,5·32,62 = 81,54 V

Ответ

VL = 81,54 V

Это в Q = 16,31 раз больше напряжения источника.

11.Мощность переменного тока и коэффициент мощности

Ответ: cos φ = 0,85

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 каждой нагрузки

Индуктивная нагрузка потребляет реактивную мощность (Q > 0); ёмкостная — отдаёт её (Q < 0).

Q1 = 5·tan(arccos 0,85) = 3,099 kvar
Q2 = 5·tan(arccos 0,85) = 3,099 kvar

Суммы

P = 5 + 5 = 10 kW
Q = 3,099 + 3,099 = 6,197 kvar
S = √(10² + 6,197²) = 11,76 kVA

Общий коэффициент мощности

cos φ = P/S = 10/11,76 = 0,85 отстающий

Ответ

cos φ = 0,85
12.Мощность переменного тока и коэффициент мощности

Ответ: QC = 20,43 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.

Реактивная мощность до и после

Активная мощность P не меняется; меняется только реактивная мощность из сети.

Q1 = P·tan φ1 = 25·tan(45,57°) = 25,51 kvar
Q2 = P·tan φ2 = 25·tan(11,48°) = 5,076 kvar
QC = Q1 − Q2 = 20,43 kvar

Ответ

QC = 20,43 kvar
13.Трёхфазная мощность

Ответ: P = 41,83 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 = √3·690·50 = 59,76 kVA

Активная мощность

P = S·cos φ = 59,76·0,7 = 41,83 kW

Ответ

P = 41,83 kW
14.Трёхфазная мощность

Ответ: QC = 109,4 kvar

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 0,8) = 200·0,75 = 150 kvar
Q2 = 200·tan(acos 0,98) = 200·0,2031 = 40,61 kvar

Реактивная мощность конденсаторов

QC = Q1 − Q2 = 109,4 kvar

Ответ

QC = 109,4 kvar
15.Трансформаторы

Ответ: R1′ = 576 Ω

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.

Приведённое сопротивление

Напряжение растёт в a раз, а ток уменьшается в a раз, поэтому отношение V/I растёт в a² раз.

R1′ = a²·RL = 12²·4 = 576 Ω

Ответ

R1′ = 576 Ω
16.Трансформаторы

Ответ: Ploss = 6500 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.

Потери в меди при этой нагрузке

Pcu = x²·Pcu,fl = 0,5625·8000 = 4500 W

Суммарные потери

Потери в стали одинаковы при любой нагрузке.

Ploss = 2000 + 4500 = 6500 W

Ответ

Ploss = 6500 W

КПД при этой нагрузке η = 98,21%.

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