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​ = 20 ΩR3​ = 3 Ω+−V1​6 VR2​6 ΩIR2​AR4​5 ΩB

Найдите ток IR2 через R2.

V1 = 6 VR1 = 20 ΩR2 = 6 ΩR3 = 3 ΩR4 = 5 Ω
IR2 = A
2.Последовательные и параллельные резисторыСложная
R1​ = 8 ΩR3​ = 12 ΩR5​ = 30 Ω+−V1​9 VR2​15 ΩIR2​AR4​8 ΩBR6​10 Ω

Найдите ток IR2 через R2.

V1 = 9 VR1 = 8 ΩR2 = 15 ΩR3 = 12 ΩR4 = 8 ΩR5 = 30 ΩR6 = 10 Ω
IR2 = A
3.Метод узловых потенциаловСредняя
R1​ = 8 ΩIR1​R3​ = 5 Ω+−V1​24 VR2​8 ΩAR4​5 ΩBIs​2 A

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

V1 = 24 VIs = 2 AR1 = 8 ΩR2 = 8 ΩR3 = 5 ΩR4 = 5 Ω
IR1 = A
4.Метод узловых потенциаловСложная
R1​ = 20 ΩR2​ = 30 ΩR4​ = 5 ΩIR4​+−V1​30 VR3​15 ΩAR5​20 ΩBIs​1 A−+V2​6 V

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

V1 = 30 VIs = 1 AV2 = 6 VR1 = 20 ΩR2 = 30 ΩR3 = 15 ΩR4 = 5 ΩR5 = 20 Ω
IR4 = A
5.Тевенин и НортонСредняя
R1​ = 3 ΩR3​ = 5 Ω+−V1​30 VR2​8 ΩAab

Найдите напряжение Тевенина Vth со стороны зажимов a–b.

V1 = 30 VR1 = 3 ΩR2 = 8 ΩR3 = 5 Ω
Vth = V
6.Тевенин и НортонСложная
R1​ = 20 ΩR3​ = 2 Ω+−V1​36 VR2​2 ΩAIs​1 ABab

Найдите напряжение Тевенина Vth со стороны зажимов a–b.

V1 = 36 VIs = 1 AR1 = 20 ΩR2 = 2 ΩR3 = 2 Ω
Vth = V
7.Переходные процессы RC и RLСредняя
R = 10 Ωt = 0L22 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 напряжение vR на R при t = 5 ms.

i(0) = 2,5 AR = 10 ΩL = 22 mHt = 5 ms
vR = V
8.Переходные процессы RC и RLСложная
+−Vs​5 Vt = 0R = 22 kΩC?+−vC​

Таймер при t = 0 начинает заряжать незаряженный конденсатор через резистор от источника 5 V. Он должен сработать, когда напряжение конденсатора достигнет 4 V, ровно через 500 ms после старта. При R = 22 kΩ найдите необходимую ёмкость C.

Vs = 5 VVth = 4 VT = 500 msR = 22 kΩ
C = µF
9.Полное сопротивление и комплексные амплитудыСредняя
Vf0​ = 5000 HzRL = ?C = 1 µF

Последовательный RLC-контур с C = 1 µF должен резонировать на частоте 5000 Hz. Найдите необходимую индуктивность L.

f0 = 5000 HzC = 1 µF
L = mH
10.Полное сопротивление и комплексные амплитудыСложная
24 V50 HzR1​ = 30 ΩR2​ = 80 ΩC = 22 µFI

Резистор R1 включён последовательно с параллельным соединением R2 и конденсатора C в сеть 24 V (действующее значение), 50 Hz. Найдите действующее значение тока I.

V = 24 V (rms)f = 50 HzR1 = 30 ΩR2 = 80 ΩC = 22 µF
I = A
11.Мощность переменного тока и коэффициент мощностиСредняя
P = 40 kWQ = ?Sφ

Однофазный двигатель потребляет 40 kW при коэффициенте мощности 0,75 (индуктивном) от сети 230 V. Найдите реактивную мощность Q, которую он потребляет.

P = 40 kWpf = 0,75V = 230 V
Q = kvar
12.Мощность переменного тока и коэффициент мощностиСложная
P = 45 kWQ1​S1​φ1​QC​

Однофазная нагрузка потребляет 45 kW при коэффициенте мощности 0,65 (индуктивном) от сети 240 V, 50 Hz. Параллельно подключённый конденсатор повышает коэффициент мощности до 0,92. Найдите новый ток линии Inew.

P = 45 kWpf1 = 0,65pf2 = 0,92V = 240 Vf = 50 Hz
Inew = A
13.Трёхфазная мощностьСредняя
ABCVL​ = 415 VZ = 12 + j16 Ωна фазу

Симметричная нагрузка, соединённая треугольником, с полным сопротивлением 12 + j16 Ω на фазу подключена к симметричной трёхфазной сети с линейным напряжением 415 V. Найдите полную активную мощность P, потребляемую нагрузкой, в kW.

VL = 415 VZ = 12 + j16 Ω на фазу
P = kW
14.Трёхфазная мощностьСложная
P = 60 kWφ1​S1​Q2​QC​

Симметричная трёхфазная нагрузка потребляет 60 kW при коэффициенте мощности 0,8 (отстающий) от сети 690 V (линейное), 60 Hz. Трёхфазная конденсаторная батарея, включённая параллельно нагрузке, должна повысить общий коэффициент мощности до 0,95 (отстающий). Активная мощность не меняется. Конденсаторы соединены звездой. Найдите ёмкость Cph каждого конденсатора в µF.

P = 60 kWpf1 = 0,8pf2 = 0,95VL = 690 Vf = 60 Hz
Cph = µF
15.ТрансформаторыСредняя
8 ΩN1​N2​512 Ω

Усилитель с выходным сопротивлением 512 Ω питает громкоговоритель 8 Ω через идеальный трансформатор. Для передачи максимальной мощности громкоговоритель должен выглядеть со стороны усилителя как 512 Ω. Найдите коэффициент трансформации a = N₁/N₂.

Rs = 512 ΩRL = 8 Ω
a =
16.ТрансформаторыСложная
pf 0,8500 kVA, 25% нагрузка

Однофазный трансформатор 500 kVA имеет потери в стали 2500 W и потери в меди 10000 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 = 500 kVAPcore = 2500 WPcu,fl = 10000 Wx = 0,25pf = 0,8
Ploss = W

3Растворы

1.Последовательные и параллельные резисторы

Ответ: IR2 = 0,1463 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​ = 20 ΩR3​ = 3 Ω+−V1​6 VR2​6 ΩAR4​5 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 + 5 = 8 Ω
R2 ∥ 8 = 6·8/(6+8) = 3,429 Ω
Req = R1 + 3,429 = 20 + 3,429 = 23,43 Ω

Ток источника

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

IR1 = V1/Req = 6/23,43 = 0,2561 A

Ток через R₂

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

VA = V1 − IR1·R1 = 6 − 0,2561·20 = 0,878 V
IR2 = VA/R2 = 0,878/6 = 0,1463 A

Ответ

IR2 = 0,1463 A
2.Последовательные и параллельные резисторы

Ответ: IR2 = 0,3058 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​ = 8 ΩR3​ = 12 ΩR5​ = 30 Ω+−V1​9 VR2​15 ΩAR4​8 ΩBR6​10 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 = 30 + 10 = 40 Ω
R4 ∥ 40 = 6,667 Ω
R3 + 6,667 = 18,67 Ω
R2 ∥ 18,67 = 8,317 Ω
Req = R1 + 8,317 = 8 + 8,317 = 16,32 Ω

Ток источника

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

IR1 = V1/Req = 9/16,32 = 0,5516 A

Ток через R₂

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

VA = V1 − IR1·R1 = 9 − 0,5516·8 = 4,587 V
IR2 = VA/R2 = 4,587/15 = 0,3058 A

Ответ

IR2 = 0,3058 A
3.Метод узловых потенциалов

Ответ: IR1 = 1,571 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​ = 8 ΩR3​ = 5 Ω+−V1​24 VR2​8 ΩAR4​5 ΩBIs​2 A

Определите узлы

Земля — нижний провод. Известные узловые напряжения берутся прямо из источников (V1 = 24 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 − 24)/8 + (VA − VB)/5 = 0
0,45·VA − 0,2·VB = 3

ЗТК в узле B

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

VB/R4 + (VB − VA)/R3 = Is
VB/5 + (VB − VA)/5 = 2
−0,2·VA + 0,4·VB = 2

Решите

Δ = (0,45)(0,4) − (−0,2)(−0,2) = 0,14
VA = Δ1/Δ = 1,6/0,14 = 11,43 V
VB = Δ2/Δ = 1,5/0,14 = 10,71 V

Ответ

IR1 = (V1 − VA)/R1 = (24 − 11,43)/8 = 1,571 A
4.Метод узловых потенциалов

Ответ: IR4 = 1,297 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​ = 20 ΩR2​ = 30 ΩR4​ = 5 Ω+−V1​30 VR3​15 ΩAR5​20 ΩBIs​1 A−+V2​6 V

Определите узлы

Земля — нижний провод. Известные узловые напряжения берутся прямо из источников (V1 = 30 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 − 30)/20 + (VA − VB)/30 = 0
0,15·VA − 0,03333·VB = 1,5

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)/30 + (VB − (−6))/5 = 1
−0,03333·VA + 0,2833·VB = −0,2

Решите

Δ = (0,15)(0,2833) − (−0,03333)(−0,03333) = 0,04139
VA = Δ1/Δ = 0,4183/0,04139 = 10,11 V
VB = Δ2/Δ = 0,02/0,04139 = 0,4832 V

Ответ

IR4 = (VB − V2)/R4 = (0,4832 − −6)/5 = 1,297 A
5.Тевенин и Нортон

Ответ: Vth = 21,82 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​ = 3 ΩR3​ = 5 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 = 3·8/(3+8) = 2,182 Ω
Rth = (R1 ∥ R2) + R3 = 2,182 + 5 = 7,182 Ω
R1​ = 3 ΩR3​ = 5 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/(3+8) = 21,82 V
6.Тевенин и Нортон

Ответ: Vth = 7,091 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​ = 20 ΩR3​ = 2 ΩКЗR2​2 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 = 20·2/(20+2) = 1,818 Ω
Rth = (R1 ∥ R2) + R3 = 1,818 + 2 = 3,818 Ω
R1​ = 20 ΩR3​ = 2 Ω+−V1​36 VR2​2 ΩAIs​1 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) = 3,273 + 1·1,818 = 5,091 V
Vth = VB = VA + Is·R3 = 5,091 + 1·2 = 7,091 V
7.Переходные процессы RC и RL

Ответ: vR = 2,576 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

τ = L/R = 22 mH / 10 Ω = 2,2 ms

Убывание тока

i(t) = 2,5·e−5/2,2 = 0,2576 A
vR = R·i = 10·0,2576 = 2,576 V

Ответ

vR = 2,576 V
8.Переходные процессы RC и RL

Ответ: C = 14,12 µF

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

4 = 5·(1 − e−500/τ) → τ = 500/ln(5/(5 − 4))
τ = 500/1,609 = 310,7 ms

Ёмкость

kΩ умножить на µF даёт миллисекунды.

C = τ/R = 310,7/22 = 14,12 µF

Ответ

C = 14,12 µF
9.Полное сопротивление и комплексные амплитуды

Ответ: L = 1,013 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·5000 = 31416 rad/s
L = 1/(ω₀²·C) = 1/(31416²·1·10⁻⁶) = 1,013 mH

Ответ

L = 1,013 mH
10.Полное сопротивление и комплексные амплитуды

Ответ: I = 0,2465 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|.

Реактивное сопротивление

XC = 1/(2π·50·22·10⁻⁶) = 144,7 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 = 61,27 − j33,88 Ω

Полное сопротивление цепи

Z = 30 + 61,27 − j33,88 = 91,27 − j33,88 Ω
|Z| = √(91,27² + 33,88²) = 97,35 Ω

Ток

I = V/|Z| = 24/97,35 = 0,2465 A

Ответ

I = 0,2465 A
11.Мощность переменного тока и коэффициент мощности

Ответ: Q = 35,28 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(0,75) = 41,41°, tan φ = 0,8819

Реактивная мощность

Q = P·tan φ = 40·0,8819 = 35,28 kvar

Ответ

Q = 35,28 kvar
12.Мощность переменного тока и коэффициент мощности

Ответ: Inew = 203,8 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 = P·tan φ1 = 45·tan(49,46°) = 52,61 kvar
Q2 = P·tan φ2 = 45·tan(23,07°) = 19,17 kvar
QC = Q1 − Q2 = 33,44 kvar

Новый ток линии

Inew = P/(V·cos φ2) = 45000/(240·0,92) = 203,8 A

Ответ

Inew = 203,8 A
13.Трёхфазная мощность

Ответ: P = 15,5 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 = VL = 415 V

Фазный ток

|Z| = √(12² + 16²) = 20 Ω
Iph = 415/20 = 20,75 A

Полная активная мощность

Активную мощность потребляет только активная составляющая каждого сопротивления.

P = 3·Iph²·R = 3·20,75²·12 = 15,5 kW

Ответ

P = 15,5 kW

Проверка: cos φ = R/|Z| = 0,6, и √3·VL·IL·cos φ даёт ту же мощность.

14.Трёхфазная мощность

Ответ: Cph = 140,8 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 = 60·tan(acos 0,8) = 60·0,75 = 45 kvar
Q2 = 60·tan(acos 0,95) = 60·0,3287 = 19,72 kvar

Реактивная мощность конденсаторов

QC = Q1 − Q2 = 25,28 kvar

Ёмкость на фазу

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

V = 690/√3 = 398,4 V, ω = 2π·60 = 377 rad/s
Cph = (QC/3)/(ω·V²) = 8426/(377·398,4²) = 140,8 µF

Ответ

Cph = 140,8 µF
15.Трансформаторы

Ответ: a = 8

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

a²·8 = 512
a = √(512/8) = √64 = 8

Ответ

a = 8
16.Трансформаторы

Ответ: Ploss = 3125 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 = 0,0625·10000 = 625 W

Суммарные потери

Потери в стали одинаковы при любой нагрузке.

Ploss = 2500 + 625 = 3125 W

Ответ

Ploss = 3125 W

КПД при этой нагрузке η = 96,97%.

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