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​ = 15 ΩIR1​R3​ = 4 Ω+−V1​24 VR2​3 ΩAR4​2 ΩB

Найдите ток IR1, отдаваемый источником и текущий через R1.

V1 = 24 VR1 = 15 ΩR2 = 3 ΩR3 = 4 ΩR4 = 2 Ω
IR1 = A
2.Последовательные и параллельные резисторыСложная
R1​ = 5 ΩIR1​R3​ = 2 ΩR5​ = 25 Ω+−V1​9 VR2​12 ΩAR4​3 ΩBR6​6 Ω

Найдите ток IR1, отдаваемый источником и текущий через R1.

V1 = 9 VR1 = 5 ΩR2 = 12 ΩR3 = 2 ΩR4 = 3 ΩR5 = 25 ΩR6 = 6 Ω
IR1 = A
3.Метод узловых потенциаловСредняя
R1​ = 12 ΩR3​ = 15 Ω+−V1​15 VR2​2 ΩAR4​4 ΩBIs​1 A

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

V1 = 15 VIs = 1 AR1 = 12 ΩR2 = 2 ΩR3 = 15 ΩR4 = 4 Ω
VA = V
4.Метод узловых потенциаловСложная
R1​ = 6 ΩR3​ = 3 Ω+−V1​5 VR2​5 ΩAR4​3 ΩBIs​?

Источник тока регулируют до тех пор, пока напряжение узла A не станет VA = 7 V. Методом узловых потенциалов найдите ток источника Is (направление как на схеме).

V1 = 5 VR1 = 6 ΩR2 = 5 ΩR3 = 3 ΩR4 = 3 ΩVA = 7 V
Is = A
5.Тевенин и НортонСредняя
R1​ = 4 ΩR3​ = 4 Ω+−V1​24 VR2​8 ΩAab

Найдите напряжение Тевенина Vth со стороны зажимов a–b.

V1 = 24 VR1 = 4 ΩR2 = 8 ΩR3 = 4 Ω
Vth = V
6.Тевенин и НортонСложная
R1​ = 20 ΩR3​ = 10 Ω+−V1​15 VR2​8 ΩAIs​4 ABab

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

V1 = 15 VIs = 4 AR1 = 20 ΩR2 = 8 ΩR3 = 10 Ω
IN = A
7.Переходные процессы RC и RLСредняя
+−Vs​30 Vt = 0R1​ = 3,3 kΩR2​ = 4,7 kΩC22 µF+−vC​

Источник Vₛ заряжает конденсатор через R₁, а R₂ подключён параллельно C. Конденсатор разряжен, когда ключ замыкается в момент t = 0. Найдите напряжение на конденсаторе vC в момент t = 50 ms.

Vs = 30 VR1 = 3,3 kΩR2 = 4,7 kΩC = 22 µFt = 50 ms
vC = V
8.Переходные процессы RC и RLСложная
+−Vs​10 Vt = 0R = 4,7 kΩC68 µF+−vC​vC​(0) = 15 V

Непосредственно перед замыканием ключа в момент t = 0 конденсатор заряжен до 15 V с указанной полярностью. Через какое время vC достигнет 13 V? Найдите t.

Vs = 10 VR = 4,7 kΩC = 68 µFvC(0) = 15 V
t = ms
9.Полное сопротивление и комплексные амплитудыСредняя
230 V200 HzR = 50 ΩC = 22 µFI

Резистор и конденсатор включены параллельно в сеть 230 V (действующее значение), 200 Hz. Найдите действующее значение тока I.

V = 230 V (rms)f = 200 HzR = 50 ΩC = 22 µF
I = A
10.Полное сопротивление и комплексные амплитудыСложная
VfR = 2 ΩL = 5 mHC = 0,1 µF

Последовательный RLC-контур имеет R = 2 Ω, L = 5 mH и C = 0,1 µF. Найдите его добротность Q при резонансе.

R = 2 ΩL = 5 mHC = 0,1 µF
Q =
11.Мощность переменного тока и коэффициент мощностиСредняя
240 V127 kW, 0,622 kW, 0,95I

К однофазной сети 240 V параллельно подключены две нагрузки: нагрузка 27 kW при коэффициенте мощности 0,6 (индуктивном) и нагрузка 2 kW при коэффициенте мощности 0,95 (ёмкостном). Найдите общий коэффициент мощности cos φ со стороны сети.

V = 240 VP1 = 27 kW, pf1 = 0,6 отстающийP2 = 2 kW, pf2 = 0,95 опережающий
cos φ =
12.Мощность переменного тока и коэффициент мощностиСложная
50 V50 HzRs​ = 25 ΩXs​ = j6 ΩZL​ = ?

Источник 50 V (действующее значение), 50 Hz имеет внутреннее сопротивление Zs = 25 + j6 Ω. Полное сопротивление нагрузки ZL можно выбирать произвольно. Найдите наибольшую активную мощность Pmax, которую можно передать нагрузке.

Vs = 50 V (rms)f = 50 HzZs = 25 + j6 Ω
Pmax = W
13.Трёхфазная мощностьСредняя
ABCVL​ = 415 VIL​ = ?M110 kW, η = 95%cos φ = 0,88

Трёхфазный асинхронный двигатель при полной нагрузке развивает механическую мощность 110 kW. При этой нагрузке его КПД равен 95%, а коэффициент мощности 0,88 (отстающий). Линейное напряжение сети 415 V. Найдите линейный ток IL.

Pout = 110 kWη = 95%cos φ = 0,88VL = 415 V
IL = A
14.Трёхфазная мощностьСложная
P = 50 kWφ1​S1​Q2​QC​

Симметричная трёхфазная нагрузка потребляет 50 kW при коэффициенте мощности 0,7 (отстающий) от сети 690 V (линейное), 60 Hz. Трёхфазная конденсаторная батарея, включённая параллельно нагрузке, должна повысить общий коэффициент мощности до 0,92 (отстающий). Активная мощность не меняется. Конденсаторы соединены звездой. Найдите ёмкость Cph каждого конденсатора в µF.

P = 50 kWpf1 = 0,7pf2 = 0,92VL = 690 Vf = 60 Hz
Cph = µF
15.ТрансформаторыСредняя
RL​ = 8 Ω1012400 VV2​I1​ = ?I2​

К первичной обмотке идеального трансформатора с коэффициентом трансформации N₁:N₂ = 10:1 приложено 2400 V. К вторичной обмотке подключён резистор 8 Ω. Найдите первичный ток I1.

N1:N2 = 10:1V1 = 2400 VRL = 8 Ω
I1 = A
16.ТрансформаторыСложная
pf 0,95500 kVA, η = 98,5%

Однофазный трансформатор 500 kVA имеет потери в стали 4000 W. При номинальной нагрузке и коэффициенте мощности 0,95 (отстающий) его КПД равен 98,5%. Найдите потери в меди при номинальной нагрузке Pcu,fl в ваттах.

S = 500 kVAPcore = 4000 Wpf = 0,95η = 98,5%
Pcu,fl = W

3Растворы

1.Последовательные и параллельные резисторы

Ответ: IR1 = 1,412 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​ = 15 ΩR3​ = 4 Ω+−V1​24 VR2​3 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 = 4 + 2 = 6 Ω
R2 ∥ 6 = 3·6/(3+6) = 2 Ω
Req = R1 + 2 = 15 + 2 = 17 Ω

Ток источника

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

IR1 = V1/Req = 24/17 = 1,412 A

Ответ

IR1 = 1,412 A
2.Последовательные и параллельные резисторы

Ответ: IR1 = 1,072 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​ = 5 ΩR3​ = 2 ΩR5​ = 25 Ω+−V1​9 VR2​12 ΩAR4​3 ΩBR6​6 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 = 25 + 6 = 31 Ω
R4 ∥ 31 = 2,735 Ω
R3 + 2,735 = 4,735 Ω
R2 ∥ 4,735 = 3,395 Ω
Req = R1 + 3,395 = 5 + 3,395 = 8,395 Ω

Ток источника

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

IR1 = V1/Req = 9/8,395 = 1,072 A

Ответ

IR1 = 1,072 A
3.Метод узловых потенциалов

Ответ: VA = 2,297 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​ = 12 ΩR3​ = 15 Ω+−V1​15 VR2​2 ΩAR4​4 ΩBIs​1 A

Определите узлы

Земля — нижний провод. Известные узловые напряжения берутся прямо из источников (V1 = 15 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/2 + (VA − 15)/12 + (VA − VB)/15 = 0
0,65·VA − 0,06667·VB = 1,25

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)/15 = 1
−0,06667·VA + 0,3167·VB = 1

Решите

Δ = (0,65)(0,3167) − (−0,06667)(−0,06667) = 0,2014
VA = Δ1/Δ = 0,4625/0,2014 = 2,297 V
VB = Δ2/Δ = 0,7333/0,2014 = 3,641 V

Ответ

VA = 2,297 V
4.Метод узловых потенциалов

Ответ: Is = 5,8 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
(7 − 5)/6 + 7/5 = (VB − 7)/3
1,733 = (VB − 7)/3 → VB = 12,2 V

ЗТК в узле B

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

Is = (VB − VA)/R3 + VB/R4 = (12,2 − 7)/3 + 12,2/3 = 5,8 A

Ответ

Is = 5,8 A
5.Тевенин и Нортон

Ответ: Vth = 16 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​ = 4 ΩR3​ = 4 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 = 4·8/(4+8) = 2,667 Ω
Rth = (R1 ∥ R2) + R3 = 2,667 + 4 = 6,667 Ω
R1​ = 4 ΩR3​ = 4 Ω+−V1​24 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) = 24·8/(4+8) = 16 V
6.Тевенин и Нортон

Ответ: IN = −3,727 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​ = 10 ΩКЗR2​8 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 = 20·8/(20+8) = 5,714 Ω
Rth = (R1 ∥ R2) + R3 = 5,714 + 10 = 15,71 Ω
R1​ = 20 ΩR3​ = 10 Ω+−V1​15 VR2​8 ΩAIs​4 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) = 4,286 + (−4)·5,714 = −18,57 V
Vth = VB = VA + Is·R3 = −18,57 + (−4)·10 = −58,57 V
IN​3,727 ARth​15,71 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 = −58,57/15,71 = −3,727 A
7.Переходные процессы RC и RL

Ответ: vC = 12,17 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.

Эквивалентная схема Тевенина со стороны конденсатора

Закоротите источник, чтобы найти Rth; отключите конденсатор, чтобы найти напряжение, до которого он зарядится.

Rth = R1 ∥ R2 = 3,3·4,7/(3,3 + 4,7) = 1,939 kΩ
vC(∞) = 30·4,7/(3,3 + 4,7) = 17,63 V

Постоянная времени

τ = Rth·C = 1,939·22 = 42,65 ms

Кривая заряда

vC(t) = 17,63·(1 − e−50/42,65) = 12,17 V

Ответ

vC = 12,17 V
8.Переходные процессы RC и RL

Ответ: t = 163,3 ms

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) = 15 V, vC(∞) = Vs = 10 V
τ = R·C = 4,7 kΩ · 68 µF = 319,6 ms
vC(t) = 10 + (15 − 10)·e−t/τ

Выразите время

13 = 10 + (5)·e−t/τ → e−t/τ = (13 − 10)/(15 − 10) = 0,6
t = τ·ln((15 − 10)/(13 − 10)) = 319,6·ln(1,667) = 163,3 ms

Ответ

t = 163,3 ms
9.Полное сопротивление и комплексные амплитуды

Ответ: I = 7,848 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/(ωC) = 1/(2π·200·22·10⁻⁶) = 36,17 Ω

Токи ветвей

Обе ветви подключены прямо к источнику, поэтому к каждой приложено полное напряжение V.

IR = V/R = 230/50 = 4,6 A
IX = V/XC = 230/36,17 = 6,359 A

Общий ток

Ток резистора совпадает по фазе с V, а реактивный ток сдвинут на 90°, поэтому они складываются как катеты прямоугольного треугольника.

I = √(IR² + IX²) = √(4,6² + 6,359²) = 7,848 A

Ответ

I = 7,848 A
10.Полное сопротивление и комплексные амплитуды

Ответ: Q = 111,8

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|.

Резонансная частота

f0 = 1/(2π·√(0,005·0,1·10⁻⁶)) = 7118 Hz

Добротность

Добротность сравнивает реактивное сопротивление при резонансе с активным: Q = ω₀L/R.

Q = (1/R)·√(L/C) = (1/2)·√(0,005/(0,1·10⁻⁶)) = 111,8

Ответ

Q = 111,8
11.Мощность переменного тока и коэффициент мощности

Ответ: cos φ = 0,6343

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 = 27·tan(arccos 0,6) = 36 kvar
Q2 = −2·tan(arccos 0,95) = −0,6574 kvar

Суммы

P = 27 + 2 = 29 kW
Q = 36 + (−0,6574) = 35,34 kvar
S = √(29² + 35,34²) = 45,72 kVA

Общий коэффициент мощности

cos φ = P/S = 29/45,72 = 0,6343 отстающий

Ответ

cos φ = 0,6343
12.Мощность переменного тока и коэффициент мощности

Ответ: Pmax = 25 W

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.

Сопряжённое согласование

Реактивное сопротивление нагрузки компенсирует реактивное сопротивление источника, а активное сопротивление нагрузки равно активному сопротивлению источника.

ZL = Zs* = 25 − j6 Ω

Наибольшая мощность

I = Vs/(2Rs) = 50/50 = 1 A
Pmax = I²·RL = Vs²/(4Rs) = 50²/(4·25) = 25 W

Ответ

Pmax = 25 W
13.Трёхфазная мощность

Ответ: IL = 183,1 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 = 110/0,95 = 115,8 kW

Ток линии

IL = Pin/(√3·VL·cos φ) = 115789/(√3·415·0,88) = 183,1 A

Ответ

IL = 183,1 A
14.Трёхфазная мощность

Ответ: Cph = 165,5 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 = 50·tan(acos 0,7) = 50·1,02 = 51,01 kvar
Q2 = 50·tan(acos 0,92) = 50·0,426 = 21,3 kvar

Реактивная мощность конденсаторов

QC = Q1 − Q2 = 29,71 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) = 9903/(377·398,4²) = 165,5 µF

Ответ

Cph = 165,5 µF
15.Трансформаторы

Ответ: I1 = 3 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.

Вторичные напряжение и ток

V2 = 2400/10 = 240 V
I2 = 240/8 = 30 A

Первичный ток

Идеальный трансформатор не имеет потерь: V₁·I₁ = V₂·I₂.

I1 = I2/10 = 3 A

Ответ

I1 = 3 A

Проверка: нагрузка со стороны первичной обмотки равна a²·RL = 800 Ω, и 2400/800 даёт тот же ток.

16.Трансформаторы

Ответ: Pcu,fl = 3234 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 = 500·0,95 = 475 kW
Pin = 475000/0,985 = 482234 W

Суммарные потери и потери в меди

Ploss = 482234 − 475000 = 7234 W
Pcu,fl = 7234 − 4000 = 3234 W

Ответ

Pcu,fl = 3234 W

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