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​ = 12 ΩR3​ = 5 Ω+−V1​10 VR2​15 ΩAR4​6 ΩB

Найдите эквивалентное сопротивление Req, которое видит источник V1.

V1 = 10 VR1 = 12 ΩR2 = 15 ΩR3 = 5 ΩR4 = 6 Ω
Req = Ω
2.Последовательные и параллельные резисторыСложная
R1​ = 2 ΩIR1​R3​ = 4 ΩR5​ = 6 Ω+−V1​6 VR2​5 ΩAR4​4 ΩBR6​15 Ω

Найдите ток IR1, отдаваемый источником и текущий через R1.

V1 = 6 VR1 = 2 ΩR2 = 5 ΩR3 = 4 ΩR4 = 4 ΩR5 = 6 ΩR6 = 15 Ω
IR1 = A
3.Метод узловых потенциаловСредняя
R1​ = 20 ΩR3​ = 20 ΩIR3​+−V1​9 VR2​5 ΩAR4​12 ΩBIs​5 A

Используйте метод узловых потенциалов, чтобы найти ток IR3 через R3 в направлении стрелки.

V1 = 9 VIs = 5 AR1 = 20 ΩR2 = 5 ΩR3 = 20 ΩR4 = 12 Ω
IR3 = A
4.Метод узловых потенциаловСложная
R1​ = 2 ΩIR1​+−Vs​ = 12 V+−V1​5 VR2​20 ΩAR3​5 ΩBIs​4 A

Вывод + источника напряжения Vₛ между A и B находится у A, поэтому он задаёт VA − VB = Vₛ. Методом узловых потенциалов с супер-узлом найдите ток IR1 через R1 в направлении стрелки.

V1 = 5 VIs = 4 AVs = 12 VR1 = 2 ΩR2 = 20 ΩR3 = 5 Ω
IR1 = A
5.Тевенин и НортонСредняя
R1​ = 10 ΩR3​ = 4 Ω+−V1​10 VR2​20 ΩAab

Найдите ток Нортона IN: ток, текущий от a к b, если зажимы замкнуть накоротко.

V1 = 10 VR1 = 10 ΩR2 = 20 ΩR3 = 4 Ω
IN = A
6.Тевенин и НортонСложная
R1​ = 30 ΩR3​ = 4 Ω+−V1​18 VR2​25 ΩAIs​6 ABab

Найдите ток Нортона IN: ток, текущий от a к b, если зажимы замкнуть накоротко.

V1 = 18 VIs = 6 AR1 = 30 ΩR2 = 25 ΩR3 = 4 Ω
IN = A
7.Переходные процессы RC и RLСредняя
+−Vs​15 Vt = 0R = 50 ΩL100 mHi(t)

До замыкания ключа в момент t = 0 тока через катушку нет. Найдите энергию W(∞), запасённую в катушке после установления режима, в mJ.

Vs = 15 VR = 50 ΩL = 100 mH
W(∞) = mJ
8.Переходные процессы RC и RLСложная
+−Vs​15 Vt = 0R = 100 kΩC?+−vC​

Таймер при t = 0 начинает заряжать незаряженный конденсатор через резистор от источника 15 V. Он должен сработать, когда напряжение конденсатора достигнет 11,25 V, ровно через 200 ms после старта. При R = 100 kΩ найдите необходимую ёмкость C.

Vs = 15 VVth = 11,25 VT = 200 msR = 100 kΩ
C = µF
9.Полное сопротивление и комплексные амплитудыСредняя
120 V200 HzR = 25 ΩL = 20 mHC = 10 µFI

Последовательная цепь RLC подключена к сети 120 V (действующее значение), 200 Hz. Найдите коэффициент мощности cos φ цепи.

V = 120 V (rms)f = 200 HzR = 25 ΩL = 20 mHC = 10 µF
cos φ =
10.Полное сопротивление и комплексные амплитудыСложная
12 V60 HzR = 50 ΩL = 250 mHC = 4,7 µF

Последовательная цепь RLC подключена к сети 12 V (действующее значение), 60 Hz. Найдите резонансную частоту f0 цепи.

V = 12 V (rms)f = 60 HzR = 50 ΩL = 250 mHC = 4,7 µF
f0 = Hz
11.Мощность переменного тока и коэффициент мощностиСредняя
P = 2 kWQ = ?Sφ

Однофазный двигатель потребляет 2 kW при коэффициенте мощности 0,9 (индуктивном) от сети 230 V. Найдите реактивную мощность Q, которую он потребляет.

P = 2 kWpf = 0,9V = 230 V
Q = kvar
12.Мощность переменного тока и коэффициент мощностиСложная
230 V50 Hzнагрузка7 kW, 0,8C68 µFI = ?

Однофазная нагрузка потребляет 7 kW при коэффициенте мощности 0,8 (индуктивном) от сети 230 V, 50 Hz. Параллельно нагрузке подключён конденсатор 68 µF. Найдите новый ток линии I.

P = 7 kWpf1 = 0,8V = 230 Vf = 50 HzC = 68 µF
I = A
13.Трёхфазная мощностьСредняя
ABCVL​ = 415 VZ = 6 + j8 Ωна фазу

Симметричная нагрузка, соединённая треугольником, с полным сопротивлением 6 + j8 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 = 6 + j8 Ω на фазу
P = kW
14.Трёхфазная мощностьСложная
P = 60 kWφ1​S1​Q2​QC​

Симметричная трёхфазная нагрузка потребляет 60 kW при коэффициенте мощности 0,65 (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 = 0,65pf2 = 0,95VL = 690 Vf = 60 Hz
Cph = µF
15.ТрансформаторыСредняя
50 ΩN1​N2​1800 Ω

Усилитель с выходным сопротивлением 1800 Ω питает громкоговоритель 50 Ω через идеальный трансформатор. Для передачи максимальной мощности громкоговоритель должен выглядеть со стороны усилителя как 1800 Ω. Найдите коэффициент трансформации a = N₁/N₂.

Rs = 1800 ΩRL = 50 Ω
a =
16.ТрансформаторыСложная
pf 0,8250 kVA, η = 97,5%

Однофазный трансформатор 250 kVA имеет потери в стали 2000 W. При номинальной нагрузке и коэффициенте мощности 0,8 (отстающий) его КПД равен 97,5%. Найдите потери в меди при номинальной нагрузке Pcu,fl в ваттах.

S = 250 kVAPcore = 2000 Wpf = 0,8η = 97,5%
Pcu,fl = W

3Растворы

1.Последовательные и параллельные резисторы

Ответ: Req = 18,35 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​ = 12 ΩR3​ = 5 Ω+−V1​10 VR2​15 ΩAR4​6 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 = 5 + 6 = 11 Ω
R2 ∥ 11 = 15·11/(15+11) = 6,346 Ω
Req = R1 + 6,346 = 12 + 6,346 = 18,35 Ω

Ответ

Req = 18,35 Ω
2.Последовательные и параллельные резисторы

Ответ: IR1 = 1,205 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​ = 4 ΩR5​ = 6 Ω+−V1​6 VR2​5 ΩAR4​4 ΩBR6​15 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 = 6 + 15 = 21 Ω
R4 ∥ 21 = 3,36 Ω
R3 + 3,36 = 7,36 Ω
R2 ∥ 7,36 = 2,977 Ω
Req = R1 + 2,977 = 2 + 2,977 = 4,977 Ω

Ток источника

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

IR1 = V1/Req = 6/4,977 = 1,205 A

Ответ

IR1 = 1,205 A
3.Метод узловых потенциалов

Ответ: IR3 = −1,617 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 ΩR3​ = 20 Ω+−V1​9 VR2​5 ΩAR4​12 ΩBIs​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/5 + (VA − 9)/20 + (VA − VB)/20 = 0
0,3·VA − 0,05·VB = 0,45

ЗТК в узле B

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

VB/R4 + (VB − VA)/R3 = Is
VB/12 + (VB − VA)/20 = 5
−0,05·VA + 0,1333·VB = 5

Решите

Δ = (0,3)(0,1333) − (−0,05)(−0,05) = 0,0375
VA = Δ1/Δ = 0,31/0,0375 = 8,267 V
VB = Δ2/Δ = 1,522/0,0375 = 40,6 V

Ответ

IR3 = (VA − VB)/R3 = (8,267 − 40,6)/20 = −1,617 A
4.Метод узловых потенциалов

Ответ: IR1 = −3,433 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.

Образуем супер-узел

Через источник напряжения между A и B течёт неизвестный ток, поэтому ЗТК нельзя записать отдельно для A или B. Объедините A, B и источник в один супер-узел: втекающий в него ток равен вытекающему.

VB = VA − 12
(VA − V1)/R1 + VA/R2 + VB/R3 = Is

Решите

(VA − 5)/2 + VA/20 + (VA − 12)/5 = 4
VA·(1/2 + 1/20 + 1/5) = 4 + 5/2 + 12/5 = 8,9
VA = 8,9/0,75 = 11,87 V
VB = −0,1333 V

Ток через R₁

IR1 = (V1 − VA)/R1 = (5 − 11,87)/2 = −3,433 A

Ответ

IR1 = −3,433 A

Отрицательный результат означает, что в действительности ток течёт против стрелки.

5.Тевенин и Нортон

Ответ: IN = 0,625 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​ = 10 ΩR3​ = 4 ΩКЗR2​20 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 = 10·20/(10+20) = 6,667 Ω
Rth = (R1 ∥ R2) + R3 = 6,667 + 4 = 10,67 Ω
R1​ = 10 ΩR3​ = 4 Ω+−V1​10 VR2​20 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) = 10·20/(10+20) = 6,667 V
IN​0,625 ARth​10,67 Ωab

Эквивалент Нортона

Источник Нортона — та же цепь, представленная как источник тока, параллельный R_th. Его ток — это ток короткого замыкания на a–b.

IN = Vth/Rth = 6,667/10,67 = 0,625 A
6.Тевенин и Нортон

Ответ: IN = 6,464 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​ = 30 ΩR3​ = 4 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 + 4 = 17,64 Ω
R1​ = 30 ΩR3​ = 4 Ω+−V1​18 VR2​25 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) = 8,182 + 6·13,64 = 90 V
Vth = VB = VA + Is·R3 = 90 + 6·4 = 114 V
IN​6,464 ARth​17,64 Ωab

Эквивалент Нортона

Источник Нортона — та же цепь, представленная как источник тока, параллельный R_th. Его ток — это ток короткого замыкания на a–b.

IN = Vth/Rth = 114/17,64 = 6,464 A
7.Переходные процессы RC и RL

Ответ: W(∞) = 4,5 mJ

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 / 50 Ω = 2 ms
i(∞) = Vs/R = 15/50 = 0,3 A

Запасённая энергия

W(∞) = ½·L·i(∞)² = ½·100·0,3² = 4,5 mJ

Ответ

W(∞) = 4,5 mJ
8.Переходные процессы RC и RL

Ответ: C = 1,443 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

11,25 = 15·(1 − e−200/τ) → τ = 200/ln(15/(15 − 11,25))
τ = 200/1,386 = 144,3 ms

Ёмкость

kΩ умножить на µF даёт миллисекунды.

C = τ/R = 144,3/100 = 1,443 µF

Ответ

C = 1,443 µF
9.Полное сопротивление и комплексные амплитуды

Ответ: cos φ = 0,4173

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

XL = 25,13 Ω, XC = 79,58 Ω

Полное сопротивление

|Z| = √(25² + (−54,44)²) = 59,91 Ω

Коэффициент мощности

cos φ = R/|Z| = 25/59,91 = 0,4173
Цепь ёмкостная, поэтому коэффициент мощности опережающий.

Ответ

cos φ = 0,4173
10.Полное сопротивление и комплексные амплитуды

Ответ: f0 = 146,8 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·√(0,25·4,7·10⁻⁶)) = 146,8 Hz

Ответ

f0 = 146,8 Hz
11.Мощность переменного тока и коэффициент мощности

Ответ: Q = 0,9686 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(0,9) = 25,84°, tan φ = 0,4843

Реактивная мощность

Q = P·tan φ = 2·0,4843 = 0,9686 kvar

Ответ

Q = 0,9686 kvar
12.Мощность переменного тока и коэффициент мощности

Ответ: I = 35,31 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 = 7·tan(arccos 0,8) = 5,25 kvar
QC = V²·2πf·C = 230²·2π·50·68·10⁻⁶ = 1130 var = 1,13 kvar
Q2 = 5,25 − 1,13 = 4,12 kvar

Новая полная мощность

S2 = √(7² + 4,12²) = 8,122 kVA

Новый ток линии

I = S2/V = 8122/230 = 35,31 A

Ответ

I = 35,31 A
13.Трёхфазная мощность

Ответ: P = 31 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| = √(6² + 8²) = 10 Ω
Iph = 415/10 = 41,5 A

Полная активная мощность

Активную мощность потребляет только активная составляющая каждого сопротивления.

P = 3·Iph²·R = 3·41,5²·6 = 31 kW

Ответ

P = 31 kW

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

14.Трёхфазная мощность

Ответ: Cph = 281 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 0,65) = 60·1,169 = 70,15 kvar
Q2 = 60·tan(acos 0,95) = 60·0,3287 = 19,72 kvar

Реактивная мощность конденсаторов

QC = Q1 − Q2 = 50,43 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) = 16809/(377·398,4²) = 281 µF

Ответ

Cph = 281 µF
15.Трансформаторы

Ответ: a = 6

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

a²·50 = 1800
a = √(1800/50) = √36 = 6

Ответ

a = 6
16.Трансформаторы

Ответ: Pcu,fl = 3128 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.

Выходная и потребляемая мощность

Pout = 250·0,8 = 200 kW
Pin = 200000/0,975 = 205128 W

Суммарные потери и потери в меди

Ploss = 205128 − 200000 = 5128 W
Pcu,fl = 5128 − 2000 = 3128 W

Ответ

Pcu,fl = 3128 W

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