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​ = 4 ΩR3​ = 15 Ω+−V1​15 VR2​6 ΩAR4​2 ΩB

Найдите эквивалентное сопротивление Req, которое видит источник V1.

V1 = 15 VR1 = 4 ΩR2 = 6 ΩR3 = 15 ΩR4 = 2 Ω
Req = Ω
2.Последовательные и параллельные резисторыСложная
R1​ = 4 ΩIR1​R3​ = 25 ΩR5​ = 20 Ω+−V1​18 VR2​8 ΩAR4​25 ΩBR6​8 Ω

Найдите ток IR1, отдаваемый источником и текущий через R1.

V1 = 18 VR1 = 4 ΩR2 = 8 ΩR3 = 25 ΩR4 = 25 ΩR5 = 20 ΩR6 = 8 Ω
IR1 = A
3.Метод узловых потенциаловСредняя
R1​ = 5 ΩR3​ = 12 Ω+−V1​6 VR2​3 ΩAR4​8 ΩBIs​5 A

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

V1 = 6 VIs = 5 AR1 = 5 ΩR2 = 3 ΩR3 = 12 ΩR4 = 8 Ω
VA = V
4.Метод узловых потенциаловСложная
R1​ = 6 ΩIR1​R2​ = 2 ΩR4​ = 6 Ω+−V1​18 VR3​15 ΩAR5​6 ΩBIs​4 A+−V2​10 V

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

V1 = 18 VIs = 4 AV2 = 10 VR1 = 6 ΩR2 = 2 ΩR3 = 15 ΩR4 = 6 ΩR5 = 6 Ω
IR1 = A
5.Тевенин и НортонСредняя
R1​ = 4 ΩR3​ = 20 Ω+−V1​30 VR2​15 ΩAab

Найдите сопротивление Тевенина Rth со стороны зажимов a–b.

V1 = 30 VR1 = 4 ΩR2 = 15 ΩR3 = 20 Ω
Rth = Ω
6.Тевенин и НортонСложная
R1​ = 20 ΩR3​ = 4 Ω+−V1​15 VR2​5 ΩAIs​6 ABRL​2 ΩIL​

К a–b подключена нагрузка RL = 2 Ω. Замените остальную цепь эквивалентом Тевенина и найдите ток нагрузки IL.

V1 = 15 VIs = 6 AR1 = 20 ΩR2 = 5 ΩR3 = 4 ΩRL = 2 Ω
IL = A
7.Переходные процессы RC и RLСредняя
+−Vs​9 Vt = 0R = 22 ΩL100 mHi(t)

До замыкания ключа в момент t = 0 тока через катушку нет. Найдите напряжение vL на катушке в момент t = 5 ms.

Vs = 9 VR = 22 ΩL = 100 mHt = 5 ms
vL = V
8.Переходные процессы RC и RLСложная
+−Vs​12 Vразмыкается при t = 0R1​ = 3,3 kΩR2​ = 3,3 kΩC68 µF+−vC​

Ключ был замкнут долгое время, поэтому цепь находится в установившемся режиме. При t = 0 ключ размыкается. Найдите напряжение на конденсаторе vC в момент t = 150 ms.

Vs = 12 VR1 = 3,3 kΩR2 = 3,3 kΩC = 68 µFt = 150 ms
vC = V
9.Полное сопротивление и комплексные амплитудыСредняя
24 V1000 HzR = 50 ΩL = 50 mHC = 22 µF

Последовательная цепь RLC подключена к сети 24 V (действующее значение), 1000 Hz. Найдите угол сдвига фаз φ полного сопротивления в градусах (положительный, когда ток отстаёт от напряжения).

V = 24 V (rms)f = 1000 HzR = 50 ΩL = 50 mHC = 22 µF
φ = °
10.Полное сопротивление и комплексные амплитудыСложная
120 V50 HzR = 50 ΩL = 50 mHC = 47 µF+−VC​

Последовательная цепь RLC подключена к сети 120 V (действующее значение), 50 Hz. Найдите действующее значение напряжения VC на конденсаторе.

V = 120 V (rms)f = 50 HzR = 50 ΩL = 50 mHC = 47 µF
VC = V
11.Мощность переменного тока и коэффициент мощностиСредняя
240 VR + jXP = 2940 W17,5 A

Индуктивная нагрузка потребляет 17,5 A и 2940 W от однофазной сети 240 V (действующее значение). Представьте её как сопротивление R, соединённое последовательно с реактивным сопротивлением X. Найдите R.

V = 240 VI = 17,5 AP = 2940 W
R = Ω
12.Мощность переменного тока и коэффициент мощностиСложная
P1​ = 30 kWQ1​S1​φ

Однофазный трансформатор 75 kVA питает нагрузку 30 kW при коэффициенте мощности 0,75 (индуктивном). Какую дополнительную активную мощность ΔP можно добавить в виде активной нагрузки (коэффициент мощности 1), прежде чем трансформатор достигнет своей номинальной мощности в kVA?

Smax = 75 kVAP1 = 30 kWpf1 = 0,75
ΔP = kW
13.Трёхфазная мощностьСредняя
ABCVL​ = 208 VNZ = 20 + j15 Ωна фазу

Симметричная нагрузка, соединённая звездой, с полным сопротивлением 20 + j15 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 = 20 + j15 Ω на фазу
P = kW
14.Трёхфазная мощностьСложная
P = 100 kWφ1​S1​Q2​QC​ = ?

Симметричная трёхфазная нагрузка потребляет 100 kW при коэффициенте мощности 0,78 (отстающий) от сети 480 V (линейное), 50 Hz. Трёхфазная конденсаторная батарея, включённая параллельно нагрузке, должна повысить общий коэффициент мощности до 0,9 (отстающий). Активная мощность не меняется. Найдите полную реактивную мощность QC, которую должна выдавать конденсаторная батарея, в kvar.

P = 100 kWpf1 = 0,78pf2 = 0,9VL = 480 Vf = 50 Hz
QC = kvar
15.ТрансформаторыСредняя
10000 V400 VIHV​ILV​ = ?15 kVA

Однофазный трансформатор 15 kVA, 10000/400 V работает при номинальной нагрузке. Считайте его идеальным. Найдите ток ILV в обмотке низшего напряжения.

S = 15 kVAV1 = 10000 VV2 = 400 V
ILV = A
16.ТрансформаторыСложная
pf 0,8100 kVA, 25% нагрузка

Однофазный трансформатор 100 kVA имеет потери в стали 500 W и потери в меди 1000 W при номинальной нагрузке. Он отдаёт 25% номинальной мощности в kVA при коэффициенте мощности 0,8 (отстающий). Найдите суммарные потери Ploss в ваттах при этой нагрузке.

S = 100 kVAPcore = 500 WPcu,fl = 1000 Wx = 0,25pf = 0,8
Ploss = W

3Растворы

1.Последовательные и параллельные резисторы

Ответ: Req = 8,435 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​ = 4 ΩR3​ = 15 Ω+−V1​15 VR2​6 ΩAR4​2 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 = 15 + 2 = 17 Ω
R2 ∥ 17 = 6·17/(6+17) = 4,435 Ω
Req = R1 + 4,435 = 4 + 4,435 = 8,435 Ω

Ответ

Req = 8,435 Ω
2.Последовательные и параллельные резисторы

Ответ: IR1 = 1,696 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​ = 25 ΩR5​ = 20 Ω+−V1​18 VR2​8 ΩAR4​25 ΩBR6​8 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 + 8 = 28 Ω
R4 ∥ 28 = 13,21 Ω
R3 + 13,21 = 38,21 Ω
R2 ∥ 38,21 = 6,615 Ω
Req = R1 + 6,615 = 4 + 6,615 = 10,61 Ω

Ток источника

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

IR1 = V1/Req = 18/10,61 = 1,696 A

Ответ

IR1 = 1,696 A
3.Метод узловых потенциалов

Ответ: VA = 5,486 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​ = 12 Ω+−V1​6 VR2​3 ΩAR4​8 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/3 + (VA − 6)/5 + (VA − VB)/12 = 0
0,6167·VA − 0,08333·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/8 + (VB − VA)/12 = 5
−0,08333·VA + 0,2083·VB = 5

Решите

Δ = (0,6167)(0,2083) − (−0,08333)(−0,08333) = 0,1215
VA = Δ1/Δ = 0,6667/0,1215 = 5,486 V
VB = Δ2/Δ = 3,183/0,1215 = 26,19 V

Ответ

VA = 5,486 V
4.Метод узловых потенциалов

Ответ: IR1 = 0,5385 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​ = 6 ΩR2​ = 2 ΩR4​ = 6 Ω+−V1​18 VR3​15 ΩAR5​6 ΩBIs​4 A+−V2​10 V

Определите узлы

Земля — нижний провод. Известные узловые напряжения берутся прямо из источников (V1 = 18 V, V2 = 10 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 − 18)/6 + (VA − VB)/2 = 0
0,7333·VA − 0,5·VB = 3

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/6 + (VB − VA)/2 + (VB − 10)/6 = 4
−0,5·VA + 0,8333·VB = 5,667

Решите

Δ = (0,7333)(0,8333) − (−0,5)(−0,5) = 0,3611
VA = Δ1/Δ = 5,333/0,3611 = 14,77 V
VB = Δ2/Δ = 5,656/0,3611 = 15,66 V

Ответ

IR1 = (V1 − VA)/R1 = (18 − 14,77)/6 = 0,5385 A
5.Тевенин и Нортон

Ответ: Rth = 23,16 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​ = 4 ΩR3​ = 20 ΩКЗR2​15 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 = 4·15/(4+15) = 3,158 Ω
Rth = (R1 ∥ R2) + R3 = 3,158 + 20 = 23,16 Ω
6.Тевенин и Нортон

Ответ: IL = 5,1 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​ = 20 ΩR3​ = 4 ΩКЗR2​5 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 = 20·5/(20+5) = 4 Ω
Rth = (R1 ∥ R2) + R3 = 4 + 4 = 8 Ω
R1​ = 20 ΩR3​ = 4 Ω+−V1​15 VR2​5 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) = 3 + 6·4 = 27 V
Vth = VB = VA + Is·R3 = 27 + 6·4 = 51 V
Rth​ = 8 Ω+−Vth​51 VRL​2 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) = 51/(8 + 2) = 5,1 A
7.Переходные процессы RC и RL

Ответ: vL = 2,996 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.

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 / 22 Ω = 4,545 ms
i(∞) = Vs/R = 9/22 = 0,4091 A

Напряжение на катушке

В момент t = 0 всё напряжение питания приложено к катушке; затем оно спадает до нуля.

vL(t) = Vs·e−t/τ = 9·e−5/4,545 = 2,996 V

Ответ

vL = 2,996 V
8.Переходные процессы RC и RL

Ответ: vC = 3,075 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 напряжение конденсатора

В установившемся режиме конденсатор — разрыв, поэтому R₁ и R₂ образуют делитель напряжения. Напряжение конденсатора не может измениться скачком при размыкании ключа.

vC(0) = 12·3,3/(3,3 + 3,3) = 6 V

Постоянная времени после размыкания ключа

τ = R2·C = 3,3·68 = 224,4 ms

Разряд

vC(t) = 6·e−150/224,4 = 3,075 V

Ответ

vC = 3,075 V
9.Полное сопротивление и комплексные амплитуды

Ответ: φ = 80,75 °

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·1000 = 6283 rad/s
XL = ωL = 6283·0,05 = 314,2 Ω
XC = 1/(ωC) = 1/(6283·22·10⁻⁶) = 7,234 Ω

Полное сопротивление

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

|Z| = √(R² + (XL − XC)²) = √(50² + (306,9)²) = 311 Ω

Угол сдвига фаз

φ = arctan((XL − XC)/R) = arctan(306,9/50) = 80,75°

Ответ

φ = 80,75°
10.Полное сопротивление и комплексные амплитуды

Ответ: VC = 112,6 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|.

Реактивные сопротивления

ω = 2πf = 2π·50 = 314,2 rad/s
XL = ωL = 314,2·0,05 = 15,71 Ω
XC = 1/(ωC) = 1/(314,2·47·10⁻⁶) = 67,73 Ω

Полное сопротивление

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

|Z| = √(R² + (XL − XC)²) = √(50² + (−52,02)²) = 72,15 Ω

Ток

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

I = V/|Z| = 120/72,15 = 1,663 A

Напряжение на конденсаторе

VC = I·XC = 1,663·67,73 = 112,6 V

Ответ

VC = 112,6 V
11.Мощность переменного тока и коэффициент мощности

Ответ: R = 9,6 Ω

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.

Сопротивление по активной мощности

R = P/I² = 2940/17,5² = 9,6 Ω

Ответ

R = 9,6 Ω
12.Мощность переменного тока и коэффициент мощности

Ответ: ΔP = 40,18 kW

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 существующей нагрузки

Q1 = 30·tan(arccos 0,75) = 26,46 kvar

Наибольшая суммарная активная мощность

При полной нагрузке S = Smax, а Q от активной нагрузки не меняется.

P = √(Smax² − Q1²) = √(75² − 26,46²) = 70,18 kW

Дополнительная активная мощность

ΔP = 70,18 − 30 = 40,18 kW

Ответ

ΔP = 40,18 kW
13.Трёхфазная мощность

Ответ: P = 1,384 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| = √(20² + 15²) = 25 Ω
Iph = 120,1/25 = 4,804 A

Полная активная мощность

Активную мощность потребляет только активная составляющая каждого сопротивления.

P = 3·Iph²·R = 3·4,804²·20 = 1,384 kW

Ответ

P = 1,384 kW

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

14.Трёхфазная мощность

Ответ: QC = 31,8 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 = 100·tan(acos 0,78) = 100·0,8023 = 80,23 kvar
Q2 = 100·tan(acos 0,9) = 100·0,4843 = 48,43 kvar

Реактивная мощность конденсаторов

QC = Q1 − Q2 = 31,8 kvar

Ответ

QC = 31,8 kvar
15.Трансформаторы

Ответ: ILV = 37,5 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.

ILV = S/V = 15000/400 = 37,5 A

Ответ

ILV = 37,5 A
16.Трансформаторы

Ответ: Ploss = 562,5 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 = 0,0625·1000 = 62,5 W

Суммарные потери

Потери в стали одинаковы при любой нагрузке.

Ploss = 500 + 62,5 = 562,5 W

Ответ

Ploss = 562,5 W

КПД при этой нагрузке η = 97,26%.

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