До замыкания ключа в момент t = 0 тока через катушку нет. Найдите напряжение vL на катушке в момент t = 10 ms.
Vs = 9 VR = 15 ΩL = 68 mHt = 10 ms
vL = V
8.Переходные процессы RC и RLСложная
Непосредственно перед замыканием ключа в момент t = 0 конденсатор заряжен до 4 V с указанной полярностью. Найдите напряжение на конденсаторе vC в момент t = 15 ms.
Vs = 10 VR = 3,3 kΩC = 10 µFvC(0) = 4 Vt = 15 ms
vC = V
9.Полное сопротивление и комплексные амплитудыСредняя
Последовательный RLC-контур с L = 50 mH должен резонировать на частоте 50 Hz. Найдите необходимую ёмкость C.
f0 = 50 HzL = 50 mH
C = µF
10.Полное сопротивление и комплексные амплитудыСложная
Последовательная цепь RLC подключена к сети 230 V (действующее значение), 50 Hz. Найдите действующее значение напряжения VC на конденсаторе.
V = 230 V (rms)f = 50 HzR = 20 ΩL = 50 mHC = 47 µF
VC = V
11.Мощность переменного тока и коэффициент мощностиСредняя
Однофазный двигатель потребляет 31 kW при коэффициенте мощности 0,8 (индуктивном) от сети 230 V. Найдите ток линии I.
P = 31 kWpf = 0,8V = 230 V
I = A
12.Мощность переменного тока и коэффициент мощностиСложная
Однофазный трансформатор 150 kVA питает нагрузку 90 kW при коэффициенте мощности 0,8 (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 = 150 kVAP1 = 90 kWpf1 = 0,8
ΔP = kW
13.Трёхфазная мощностьСредняя
Трёхфазный асинхронный двигатель при полной нагрузке развивает механическую мощность 75 kW. При этой нагрузке его КПД равен 95%, а коэффициент мощности 0,85 (отстающий). Линейное напряжение сети 400 V. Найдите линейный ток IL.
Pout = 75 kWη = 95%cos φ = 0,85VL = 400 V
IL = A
14.Трёхфазная мощностьСложная
Симметричная трёхфазная нагрузка потребляет 300 kW при коэффициенте мощности 0,78 (отстающий) от сети 690 V (линейное), 50 Hz. Трёхфазная конденсаторная батарея, включённая параллельно нагрузке, должна повысить общий коэффициент мощности до 0,92 (отстающий). Активная мощность не меняется. Конденсаторы соединены треугольником. Найдите ёмкость Cph каждого конденсатора в µF.
P = 300 kWpf1 = 0,78pf2 = 0,92VL = 690 Vf = 50 Hz
Cph = µF
15.ТрансформаторыСредняя
Однофазный трансформатор 250 kVA, 4800/240 V работает при номинальной нагрузке. Считайте его идеальным. Найдите ток ILV в обмотке низшего напряжения.
S = 250 kVAV1 = 4800 VV2 = 240 V
ILV = A
16.ТрансформаторыСложная
Однофазный трансформатор 500 kVA имеет потери в стали 1500 W и потери в меди 3750 W при номинальной нагрузке. При какой нагрузке Sη,max, в kVA, его КПД максимален?
S = 500 kVAPcore = 1500 WPcu,fl = 3750 W
Sη,max = kVA
3Растворы
1.Последовательные и параллельные резисторы
Ответ: Req = 7,526 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.
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 = 12 + 4 = 16 Ω
R2 ∥ 16 = 3·16/(3+16) = 2,526 Ω
Req = R1 + 2,526 = 5 + 2,526 = 7,526 Ω
Ответ
Req = 7,526 Ω
2.Последовательные и параллельные резисторы
Ответ: IR2 = 0,9943 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.
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 + 15 = 45 Ω
R4 ∥ 45 = 3,673 Ω
R3 + 3,673 = 28,67 Ω
R2 ∥ 28,67 = 4,962 Ω
Req = R1 + 4,962 = 15 + 4,962 = 19,96 Ω
Ток источника
Источник видит только Req, поэтому закон Ома даёт ток, который он отдаёт. Этот ток течёт через R₁.
IR1 = V1/Req = 24/19,96 = 1,202 A
Ток через R₂
Вычтите падение на R₁, чтобы получить напряжение в узле A, то есть напряжение на R₂.
VA = V1 − IR1·R1 = 24 − 1,202·15 = 5,966 V
IR2 = VA/R2 = 5,966/6 = 0,9943 A
Ответ
IR2 = 0,9943 A
3.Метод узловых потенциалов
Ответ: IR1 = 0,6835 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.
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)/4 = 0
0,7833·VA − 0,25·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/4 + (VB − VA)/4 = 1
−0,25·VA + 0,5·VB = 1
Решите
Δ = (0,7833)(0,5) − (−0,25)(−0,25) = 0,3292
VA = Δ1/Δ = 0,85/0,3292 = 2,582 V
VB = Δ2/Δ = 1,083/0,3292 = 3,291 V
Ответ
IR1 = (V1 − VA)/R1 = (6 − 2,582)/5 = 0,6835 A
4.Метод узловых потенциалов
Ответ: IR1 = 0,6661 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.
Определите узлы
Земля — нижний провод. Известные узловые напряжения берутся прямо из источников (V1 = 18 V, V2 = 9 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/4 + (VA − 18)/20 + (VA − VB)/6 = 0
0,4667·VA − 0,1667·VB = 0,9
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/5 + (VB − VA)/6 + (VB − 9)/30 = 2
−0,1667·VA + 0,4·VB = 2,3
Решите
Δ = (0,4667)(0,4) − (−0,1667)(−0,1667) = 0,1589
VA = Δ1/Δ = 0,7433/0,1589 = 4,678 V
VB = Δ2/Δ = 1,223/0,1589 = 7,699 V
Ответ
IR1 = (V1 − VA)/R1 = (18 − 4,678)/20 = 0,6661 A
5.Тевенин и Нортон
Ответ: Rth = 18,67 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.
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 = 20·10/(20+10) = 6,667 Ω
Rth = (R1 ∥ R2) + R3 = 6,667 + 12 = 18,67 Ω
6.Тевенин и Нортон
Ответ: IL = 1,151 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.
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 = 3·4/(3+4) = 1,714 Ω
Rth = (R1 ∥ R2) + R3 = 1,714 + 6 = 7,714 Ω
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) = 6,857 + 2,5·1,714 = 11,14 V
Vth = VB = VA + Is·R3 = 11,14 + 2,5·6 = 26,14 V
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) = 26,14/(7,714 + 15) = 1,151 A
7.Переходные процессы RC и RL
Ответ: vL = 0,9914 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 = 68 mH / 15 Ω = 4,533 ms
i(∞) = Vs/R = 9/15 = 0,6 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−10/4,533 = 0,9914 V
Ответ
vL = 0,9914 V
8.Переходные процессы RC и RL
Ответ: vC = 6,192 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 значение, конечное значение, постоянная времени
Напряжение на конденсаторе не может измениться скачком, поэтому оно начинается с накопленного значения и стремится к напряжению источника.
vC(0) = 4 V, vC(∞) = Vs = 10 V
τ = R·C = 3,3 kΩ · 10 µF = 33 ms
vC(t) = 10 + (4 − 10)·e−t/τ
Напряжение в заданный момент
vC(15) = 10 + (−6)·e−15/33 = 6,192 V
Ответ
vC = 6,192 V
9.Полное сопротивление и комплексные амплитуды
Ответ: C = 202,6 µF
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·50 = 314,2 rad/s
C = 1/(ω₀²·L) = 1/(314,2²·0,05) = 202,6 µF
Ответ
C = 202,6 µF
10.Полное сопротивление и комплексные амплитуды
Ответ: VC = 279,5 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).
Через каждый элемент последовательной цепи течёт один и тот же ток.
I = V/|Z| = 230/55,73 = 4,127 A
Напряжение на конденсаторе
VC = I·XC = 4,127·67,73 = 279,5 V
Ответ
VC = 279,5 V
11.Мощность переменного тока и коэффициент мощности
Ответ: I = 168,5 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.
Ток линии
Работу совершает только активная часть мощности, поэтому разделите на коэффициент мощности.
I = P/(V·cos φ) = 31000/(230·0,8) = 168,5 A
Ответ
I = 168,5 A
12.Мощность переменного тока и коэффициент мощности
Ответ: ΔP = 43,95 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 = 90·tan(arccos 0,8) = 67,5 kvar
Наибольшая суммарная активная мощность
При полной нагрузке S = Smax, а Q от активной нагрузки не меняется.
P = √(Smax² − Q1²) = √(150² − 67,5²) = 134 kW
Дополнительная активная мощность
ΔP = 134 − 90 = 43,95 kW
Ответ
ΔP = 43,95 kW
13.Трёхфазная мощность
Ответ: IL = 134,1 A
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.
Потребляемая электрическая мощность
Pin = Pout/η = 75/0,95 = 78,95 kW
Ток линии
IL = Pin/(√3·VL·cos φ) = 78947/(√3·400·0,85) = 134,1 A
Ответ
IL = 134,1 A
14.Трёхфазная мощность
Ответ: Cph = 251,6 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 = 300·tan(acos 0,78) = 300·0,8023 = 240,7 kvar
Q2 = 300·tan(acos 0,92) = 300·0,426 = 127,8 kvar
Реактивная мощность конденсаторов
QC = Q1 − Q2 = 112,9 kvar
Ёмкость на фазу
В батарее, соединённой треугольником, каждый конденсатор включён между двумя линейными проводами.
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 = 250000/240 = 1042 A
Ответ
ILV = 1042 A
16.Трансформаторы
Ответ: Sη,max = 316,2 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.