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​ = 4 Ω+−V1​18 VR2​2 ΩIR2​AR4​12 ΩB

Найдите ток IR2 через R2.

V1 = 18 VR1 = 4 ΩR2 = 2 ΩR3 = 4 ΩR4 = 12 Ω
IR2 = A
2.Последовательные и параллельные резисторыСложная
R1​ = 30 ΩR3​ = 3 ΩR5​ = 12 Ω+−V1​30 VR2​3 ΩAR4​25 ΩBR6​12 Ω

Найдите эквивалентное сопротивление Req, которое видит источник V1.

V1 = 30 VR1 = 30 ΩR2 = 3 ΩR3 = 3 ΩR4 = 25 ΩR5 = 12 ΩR6 = 12 Ω
Req = Ω
3.Метод узловых потенциаловСредняя
R1​ = 10 ΩR3​ = 5 ΩIR3​+−V1​24 VR2​5 ΩAR4​15 ΩBIs​5 A

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

V1 = 24 VIs = 5 AR1 = 10 ΩR2 = 5 ΩR3 = 5 ΩR4 = 15 Ω
IR3 = A
4.Метод узловых потенциаловСложная
R1​ = 15 ΩR3​ = 3 Ω+−V1​9 VR2​8 ΩAR4​2 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 = 9 VR1 = 15 ΩR2 = 8 ΩR3 = 3 ΩR4 = 2 ΩVA = 7 V
Is = A
5.Тевенин и НортонСредняя
R1​ = 8 ΩR3​ = 3 Ω+−V1​12 VR2​15 ΩARL​3 ΩIL​B

К a–b подключена нагрузка RL = 3 Ω. Замените остальную цепь эквивалентом Тевенина и найдите ток нагрузки IL.

V1 = 12 VR1 = 8 ΩR2 = 15 ΩR3 = 3 ΩRL = 3 Ω
IL = A
6.Тевенин и НортонСложная
R1​ = 2 ΩR3​ = 3 Ω+−V1​18 VR2​8 ΩAIs​1,5 ABRL​2 ΩIL​

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

V1 = 18 VIs = 1,5 AR1 = 2 ΩR2 = 8 ΩR3 = 3 ΩRL = 2 Ω
IL = A
7.Переходные процессы RC и RLСредняя
+−Vs​20 Vt = 0R = 22 ΩL150 mHi(t)

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

Vs = 20 VR = 22 ΩL = 150 mHt = 5 ms
vL = V
8.Переходные процессы RC и RLСложная
+−Vs​5 Vt = 0R = 1 kΩC220 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 12 V? Найдите t.

Vs = 5 VR = 1 kΩC = 220 µFvC(0) = 15 V
t = ms
9.Полное сопротивление и комплексные амплитудыСредняя
100 V60 HzR = 100 ΩL = 150 mHI

Резистор и катушка включены параллельно в сеть 100 V (действующее значение), 60 Hz. Найдите модуль полного сопротивления |Z|.

V = 100 V (rms)f = 60 HzR = 100 ΩL = 150 mH
|Z| = Ω
10.Полное сопротивление и комплексные амплитудыСложная
100 V200 HzR1​ = 40 ΩR2​ = 20 ΩC = 100 µFI

Резистор R1 включён последовательно с параллельным соединением R2 и конденсатора C в сеть 100 V (действующее значение), 200 Hz. Найдите действующее значение тока I.

V = 100 V (rms)f = 200 HzR1 = 40 ΩR2 = 20 ΩC = 100 µF
I = A
11.Мощность переменного тока и коэффициент мощностиСредняя
P = 33 kWQ = ?Sφ

Однофазный двигатель потребляет 33 kW при коэффициенте мощности 0,7 (индуктивном) от сети 240 V. Найдите реактивную мощность Q, которую он потребляет.

P = 33 kWpf = 0,7V = 240 V
Q = kvar
12.Мощность переменного тока и коэффициент мощностиСложная
P1​ = 43 kWQ1​S1​φ

Однофазный трансформатор 100 kVA питает нагрузку 43 kW при коэффициенте мощности 0,65 (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 = 100 kVAP1 = 43 kWpf1 = 0,65
ΔP = kW
13.Трёхфазная мощностьСредняя
ABCVL​ = 400 VZ = 24 + j18 Ωна фазу

Симметричная нагрузка, соединённая треугольником, с полным сопротивлением 24 + j18 Ω на фазу подключена к симметричной трёхфазной сети с линейным напряжением 400 V. Найдите полную активную мощность P, потребляемую нагрузкой, в kW.

VL = 400 VZ = 24 + j18 Ω на фазу
P = kW
14.Трёхфазная мощностьСложная
P = 120 kWφ1​S1​Q2​QC​

Симметричная трёхфазная нагрузка потребляет 120 kW при коэффициенте мощности 0,65 (отстающий) от сети 415 V (линейное), 60 Hz. Трёхфазная конденсаторная батарея, включённая параллельно нагрузке, должна повысить общий коэффициент мощности до 0,98 (отстающий). Активная мощность не меняется. Конденсаторы соединены треугольником. Найдите ёмкость Cph каждого конденсатора в µF.

P = 120 kWpf1 = 0,65pf2 = 0,98VL = 415 Vf = 60 Hz
Cph = µF
15.ТрансформаторыСредняя
RL​ = 24 Ω21460 VV2​I1​ = ?I2​

К первичной обмотке идеального трансформатора с коэффициентом трансформации N₁:N₂ = 2:1 приложено 460 V. К вторичной обмотке подключён резистор 24 Ω. Найдите первичный ток I1.

N1:N2 = 2:1V1 = 460 VRL = 24 Ω
I1 = A
16.ТрансформаторыСложная
pf 0,85250 kVA, η = 98,8%

Однофазный трансформатор 250 kVA имеет потери в стали 1000 W. При номинальной нагрузке и коэффициенте мощности 0,85 (отстающий) его КПД равен 98,8%. Найдите потери в меди при номинальной нагрузке Pcu,fl в ваттах.

S = 250 kVAPcore = 1000 Wpf = 0,85η = 98,8%
Pcu,fl = W

3Растворы

1.Последовательные и параллельные резисторы

Ответ: IR2 = 2,769 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​ = 4 Ω+−V1​18 VR2​2 ΩAR4​12 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 + 12 = 16 Ω
R2 ∥ 16 = 2·16/(2+16) = 1,778 Ω
Req = R1 + 1,778 = 4 + 1,778 = 5,778 Ω

Ток источника

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

IR1 = V1/Req = 18/5,778 = 3,115 A

Ток через R₂

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

VA = V1 − IR1·R1 = 18 − 3,115·4 = 5,538 V
IR2 = VA/R2 = 5,538/2 = 2,769 A

Ответ

IR2 = 2,769 A
2.Последовательные и параллельные резисторы

Ответ: Req = 32,51 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​ = 30 ΩR3​ = 3 ΩR5​ = 12 Ω+−V1​30 VR2​3 ΩAR4​25 ΩBR6​12 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 = 12 + 12 = 24 Ω
R4 ∥ 24 = 12,24 Ω
R3 + 12,24 = 15,24 Ω
R2 ∥ 15,24 = 2,507 Ω
Req = R1 + 2,507 = 30 + 2,507 = 32,51 Ω

Ответ

Req = 32,51 Ω
3.Метод узловых потенциалов

Ответ: IR3 = −2,871 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​ = 10 ΩR3​ = 5 Ω+−V1​24 VR2​5 ΩAR4​15 ΩBIs​5 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/5 + (VA − 24)/10 + (VA − VB)/5 = 0
0,5·VA − 0,2·VB = 2,4

ЗТК в узле B

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

VB/R4 + (VB − VA)/R3 = Is
VB/15 + (VB − VA)/5 = 5
−0,2·VA + 0,2667·VB = 5

Решите

Δ = (0,5)(0,2667) − (−0,2)(−0,2) = 0,09333
VA = Δ1/Δ = 1,64/0,09333 = 17,57 V
VB = Δ2/Δ = 2,98/0,09333 = 31,93 V

Ответ

IR3 = (VA − VB)/R3 = (17,57 − 31,93)/5 = −2,871 A
4.Метод узловых потенциалов

Ответ: Is = 5,354 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 − 9)/15 + 7/8 = (VB − 7)/3
0,7417 = (VB − 7)/3 → VB = 9,225 V

ЗТК в узле B

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

Is = (VB − VA)/R3 + VB/R4 = (9,225 − 7)/3 + 9,225/2 = 5,354 A

Ответ

Is = 5,354 A
5.Тевенин и Нортон

Ответ: IL = 0,6977 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​ = 8 ΩR3​ = 3 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 = 8·15/(8+15) = 5,217 Ω
Rth = (R1 ∥ R2) + R3 = 5,217 + 3 = 8,217 Ω
R1​ = 8 ΩR3​ = 3 Ω+−V1​12 VR2​15 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) = 12·15/(8+15) = 7,826 V
Rth​ = 8,217 Ω+−Vth​7,826 VRL​3 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) = 7,826/(8,217 + 3) = 0,6977 A
6.Тевенин и Нортон

Ответ: IL = 3,227 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​ = 2 ΩR3​ = 3 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 = 2·8/(2+8) = 1,6 Ω
Rth = (R1 ∥ R2) + R3 = 1,6 + 3 = 4,6 Ω
R1​ = 2 ΩR3​ = 3 Ω+−V1​18 VR2​8 ΩAIs​1,5 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) = 14,4 + 1,5·1,6 = 16,8 V
Vth = VB = VA + Is·R3 = 16,8 + 1,5·3 = 21,3 V
Rth​ = 4,6 Ω+−Vth​21,3 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) = 21,3/(4,6 + 2) = 3,227 A
7.Переходные процессы RC и RL

Ответ: vL = 9,606 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 = 150 mH / 22 Ω = 6,818 ms
i(∞) = Vs/R = 20/22 = 0,9091 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 = 20·e−5/6,818 = 9,606 V

Ответ

vL = 9,606 V
8.Переходные процессы RC и RL

Ответ: t = 78,47 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 = 5 V
τ = R·C = 1 kΩ · 220 µF = 220 ms
vC(t) = 5 + (15 − 5)·e−t/τ

Выразите время

12 = 5 + (10)·e−t/τ → e−t/τ = (12 − 5)/(15 − 5) = 0,7
t = τ·ln((15 − 5)/(12 − 5)) = 220·ln(1,429) = 78,47 ms

Ответ

t = 78,47 ms
9.Полное сопротивление и комплексные амплитуды

Ответ: |Z| = 49,22 Ω

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

XL = ωL = 2π·60·0,15 = 56,55 Ω

Токи ветвей

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

IR = V/R = 100/100 = 1 A
IX = V/XL = 100/56,55 = 1,768 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) = √(1² + 1,768²) = 2,032 A

Полное сопротивление

|Z| = V/I = 100/2,032 = 49,22 Ω

Ответ

|Z| = 49,22 Ω
10.Полное сопротивление и комплексные амплитуды

Ответ: I = 2,31 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·200·100·10⁻⁶) = 7,958 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 = 2,734 − j6,87 Ω

Полное сопротивление цепи

Z = 40 + 2,734 − j6,87 = 42,73 − j6,87 Ω
|Z| = √(42,73² + 6,87²) = 43,28 Ω

Ток

I = V/|Z| = 100/43,28 = 2,31 A

Ответ

I = 2,31 A
11.Мощность переменного тока и коэффициент мощности

Ответ: Q = 33,67 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(0,7) = 45,57°, tan φ = 1,02

Реактивная мощность

Q = P·tan φ = 33·1,02 = 33,67 kvar

Ответ

Q = 33,67 kvar
12.Мощность переменного тока и коэффициент мощности

Ответ: ΔP = 43,44 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 = 43·tan(arccos 0,65) = 50,27 kvar

Наибольшая суммарная активная мощность

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

P = √(Smax² − Q1²) = √(100² − 50,27²) = 86,44 kW

Дополнительная активная мощность

ΔP = 86,44 − 43 = 43,44 kW

Ответ

ΔP = 43,44 kW
13.Трёхфазная мощность

Ответ: P = 12,8 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 = 400 V

Фазный ток

|Z| = √(24² + 18²) = 30 Ω
Iph = 400/30 = 13,33 A

Полная активная мощность

Активную мощность потребляет только активная составляющая каждого сопротивления.

P = 3·Iph²·R = 3·13,33²·24 = 12,8 kW

Ответ

P = 12,8 kW

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

14.Трёхфазная мощность

Ответ: Cph = 595,2 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 = 120·tan(acos 0,65) = 120·1,169 = 140,3 kvar
Q2 = 120·tan(acos 0,98) = 120·0,2031 = 24,37 kvar

Реактивная мощность конденсаторов

QC = Q1 − Q2 = 115,9 kvar

Ёмкость на фазу

В батарее, соединённой треугольником, каждый конденсатор включён между двумя линейными проводами.

V = 415 V, ω = 2π·60 = 377 rad/s
Cph = (QC/3)/(ω·V²) = 38643/(377·415²) = 595,2 µF

Ответ

Cph = 595,2 µF
15.Трансформаторы

Ответ: I1 = 4,792 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 = 460/2 = 230 V
I2 = 230/24 = 9,583 A

Первичный ток

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

I1 = I2/2 = 4,792 A

Ответ

I1 = 4,792 A

Проверка: нагрузка со стороны первичной обмотки равна a²·RL = 96 Ω, и 460/96 даёт тот же ток.

16.Трансформаторы

Ответ: Pcu,fl = 1581 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 = 250·0,85 = 212,5 kW
Pin = 212500/0,988 = 215081 W

Суммарные потери и потери в меди

Ploss = 215081 − 212500 = 2581 W
Pcu,fl = 2581 − 1000 = 1581 W

Ответ

Pcu,fl = 1581 W

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