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​ = 8 Ω+−V1​10 VR2​8 ΩIR2​AR4​4 ΩB

Найдите ток IR2 через R2.

V1 = 10 VR1 = 12 ΩR2 = 8 ΩR3 = 8 ΩR4 = 4 Ω
IR2 = A
2.Последовательные и параллельные резисторыСложная
R1​ = 15 ΩR3​ = 30 ΩR5​ = 25 Ω+−V1​15 VR2​15 ΩAR4​25 ΩBR6​10 Ω

Найдите эквивалентное сопротивление Req, которое видит источник V1.

V1 = 15 VR1 = 15 ΩR2 = 15 ΩR3 = 30 ΩR4 = 25 ΩR5 = 25 ΩR6 = 10 Ω
Req = Ω
3.Метод узловых потенциаловСредняя
R1​ = 8 ΩR3​ = 3 Ω+−V1​30 VR2​10 ΩAR4​3 ΩBIs​2 A

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

V1 = 30 VIs = 2 AR1 = 8 ΩR2 = 10 ΩR3 = 3 ΩR4 = 3 Ω
VA = V
4.Метод узловых потенциаловСложная
R1​ = 25 ΩR2​ = 10 ΩR4​ = 6 Ω+−V1​30 VR3​20 ΩAR5​10 ΩBIs​3 A+−V2​6 V

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

V1 = 30 VIs = 3 AV2 = 6 VR1 = 25 ΩR2 = 10 ΩR3 = 20 ΩR4 = 6 ΩR5 = 10 Ω
VB = V
5.Тевенин и НортонСредняя
R1​ = 8 ΩR3​ = 5 Ω+−V1​10 VR2​20 ΩARL​10 ΩIL​B

К a–b подключена нагрузка RL = 10 Ω. Замените остальную цепь эквивалентом Тевенина и найдите ток нагрузки IL.

V1 = 10 VR1 = 8 ΩR2 = 20 ΩR3 = 5 ΩRL = 10 Ω
IL = A
6.Тевенин и НортонСложная
R1​ = 3 ΩR3​ = 10 Ω+−V1​6 VR2​20 ΩAIs​3 ABRL​2 ΩIL​

К a–b подключена нагрузка RL = 2 Ω. С помощью эквивалента Тевенина найдите мощность PL, передаваемую в нагрузку.

V1 = 6 VIs = 3 AR1 = 3 ΩR2 = 20 ΩR3 = 10 ΩRL = 2 Ω
PL = W
7.Переходные процессы RC и RLСредняя
R = 10 Ωt = 0L100 mHi(t)

Через катушку течёт установившийся ток 2 A. При t = 0 ключ замыкает контур через R, а источник отключается, поэтому ток катушки убывает через R. За какое время ток уменьшится до 0,2 A? Найдите t.

i(0) = 2 AR = 10 ΩL = 100 mH
t = ms
8.Переходные процессы RC и RLСложная
+−Vs​5 Vt = 0R = ?C47 µF+−vC​

Таймер при t = 0 начинает заряжать незаряженный конденсатор через резистор от источника 5 V. Он должен сработать, когда напряжение конденсатора достигнет 3 V, ровно через 10 ms после старта. При C = 47 µF найдите необходимое сопротивление R.

Vs = 5 VVth = 3 VT = 10 msC = 47 µF
R = kΩ
9.Полное сопротивление и комплексные амплитудыСредняя
230 V500 HzR = 60 ΩL = 150 mHC = 2,2 µFI

Последовательная цепь RLC подключена к сети 230 V (действующее значение), 500 Hz. Найдите активную мощность P, потребляемую от источника.

V = 230 V (rms)f = 500 HzR = 60 ΩL = 150 mHC = 2,2 µF
P = W
10.Полное сопротивление и комплексные амплитудыСложная
VfR = 10 ΩL = 200 mHC = 1 µF

Последовательный RLC-контур имеет R = 10 Ω, L = 200 mH и C = 1 µF. Найдите его добротность Q при резонансе.

R = 10 ΩL = 200 mHC = 1 µF
Q =
11.Мощность переменного тока и коэффициент мощностиСредняя
P = 21 kWQ = ?Sφ

Однофазный двигатель потребляет 21 kW при коэффициенте мощности 0,7 (индуктивном) от сети 400 V. Найдите реактивную мощность Q, которую он потребляет.

P = 21 kWpf = 0,7V = 400 V
Q = kvar
12.Мощность переменного тока и коэффициент мощностиСложная
P = 50 kWQ1​S1​φ1​QC​

Однофазная нагрузка потребляет 50 kW при коэффициенте мощности 0,8 (индуктивном) от сети 240 V, 50 Hz. Параллельно подключённый конденсатор повышает коэффициент мощности до 0,98. Найдите новый ток линии Inew.

P = 50 kWpf1 = 0,8pf2 = 0,98V = 240 Vf = 50 Hz
Inew = A
13.Трёхфазная мощностьСредняя
ABCVL​ = 208 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 208 V. Найдите полную активную мощность P, потребляемую нагрузкой, в kW.

VL = 208 VZ = 24 + j18 Ω на фазу
P = kW
14.Трёхфазная мощностьСложная
P = 150 kWφ1​S1​Q2​QC​

Симметричная трёхфазная нагрузка потребляет 150 kW при коэффициенте мощности 0,8 (отстающий) от сети 400 V (линейное), 50 Hz. Трёхфазная конденсаторная батарея, включённая параллельно нагрузке, должна повысить общий коэффициент мощности до 0,9 (отстающий). Активная мощность не меняется. Конденсаторы соединены звездой. Найдите ёмкость Cph каждого конденсатора в µF.

P = 150 kWpf1 = 0,8pf2 = 0,9VL = 400 Vf = 50 Hz
Cph = µF
15.ТрансформаторыСредняя
7200 V240 VIHV​ = ?ILV​500 kVA

Однофазный трансформатор 500 kVA, 7200/240 V работает при номинальной нагрузке. Считайте его идеальным. Найдите ток IHV в обмотке высшего напряжения.

S = 500 kVAV1 = 7200 VV2 = 240 V
IHV = A
16.ТрансформаторыСложная
150 kVA

Однофазный трансформатор 150 kVA имеет потери в стали 900 W и потери в меди 1800 W при номинальной нагрузке. При какой нагрузке Sη,max, в kVA, его КПД максимален?

S = 150 kVAPcore = 900 WPcu,fl = 1800 W
Sη,max = kVA

3Растворы

1.Последовательные и параллельные резисторы

Ответ: IR2 = 0,3571 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​ = 12 ΩR3​ = 8 Ω+−V1​10 VR2​8 ΩAR4​4 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 = 8 + 4 = 12 Ω
R2 ∥ 12 = 8·12/(8+12) = 4,8 Ω
Req = R1 + 4,8 = 12 + 4,8 = 16,8 Ω

Ток источника

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

IR1 = V1/Req = 10/16,8 = 0,5952 A

Ток через R₂

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

VA = V1 − IR1·R1 = 10 − 0,5952·12 = 2,857 V
IR2 = VA/R2 = 2,857/8 = 0,3571 A

Ответ

IR2 = 0,3571 A
2.Последовательные и параллельные резисторы

Ответ: Req = 26,22 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​ = 15 ΩR3​ = 30 ΩR5​ = 25 Ω+−V1​15 VR2​15 ΩAR4​25 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 = 25 + 10 = 35 Ω
R4 ∥ 35 = 14,58 Ω
R3 + 14,58 = 44,58 Ω
R2 ∥ 44,58 = 11,22 Ω
Req = R1 + 11,22 = 15 + 11,22 = 26,22 Ω

Ответ

Req = 26,22 Ω
3.Метод узловых потенциалов

Ответ: VA = 12,13 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​ = 8 ΩR3​ = 3 Ω+−V1​30 VR2​10 ΩAR4​3 ΩBIs​2 A

Определите узлы

Земля — нижний провод. Известные узловые напряжения берутся прямо из источников (V1 = 30 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/10 + (VA − 30)/8 + (VA − VB)/3 = 0
0,5583·VA − 0,3333·VB = 3,75

ЗТК в узле B

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

VB/R4 + (VB − VA)/R3 = Is
VB/3 + (VB − VA)/3 = 2
−0,3333·VA + 0,6667·VB = 2

Решите

Δ = (0,5583)(0,6667) − (−0,3333)(−0,3333) = 0,2611
VA = Δ1/Δ = 3,167/0,2611 = 12,13 V
VB = Δ2/Δ = 2,367/0,2611 = 9,064 V

Ответ

VA = 12,13 V
4.Метод узловых потенциалов

Ответ: VB = 14,75 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​ = 25 ΩR2​ = 10 ΩR4​ = 6 Ω+−V1​30 VR3​20 ΩAR5​10 ΩBIs​3 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/20 + (VA − 30)/25 + (VA − VB)/10 = 0
0,19·VA − 0,1·VB = 1,2

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/10 + (VB − VA)/10 + (VB − 6)/6 = 3
−0,1·VA + 0,3667·VB = 4

Решите

Δ = (0,19)(0,3667) − (−0,1)(−0,1) = 0,05967
VA = Δ1/Δ = 0,84/0,05967 = 14,08 V
VB = Δ2/Δ = 0,88/0,05967 = 14,75 V

Ответ

VB = 14,75 V
5.Тевенин и Нортон

Ответ: IL = 0,3448 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​ = 5 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 = 8·20/(8+20) = 5,714 Ω
Rth = (R1 ∥ R2) + R3 = 5,714 + 5 = 10,71 Ω
R1​ = 8 ΩR3​ = 5 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/(8+20) = 7,143 V
Rth​ = 10,71 Ω+−Vth​7,143 VRL​10 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) = 7,143/(10,71 + 10) = 0,3448 A
6.Тевенин и Нортон

Ответ: PL = 17,36 W

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​ = 10 ΩКЗR2​20 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 = 3·20/(3+20) = 2,609 Ω
Rth = (R1 ∥ R2) + R3 = 2,609 + 10 = 12,61 Ω
R1​ = 3 ΩR3​ = 10 Ω+−V1​6 VR2​20 ΩAIs​3 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) = 5,217 + 3·2,609 = 13,04 V
Vth = VB = VA + Is·R3 = 13,04 + 3·10 = 43,04 V
Rth​ = 12,61 Ω+−Vth​43,04 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) = 43,04/(12,61 + 2) = 2,946 A
PL = IL²·RL = 2,946²·2 = 17,36 W
7.Переходные процессы RC и RL

Ответ: t = 23,03 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.

Постоянная времени

τ = L/R = 100 mH / 10 Ω = 10 ms

Выразите время

0,2 = 2·e−t/τ → t = τ·ln(2/0,2)
t = 10·ln(10) = 23,03 ms

Ответ

t = 23,03 ms
8.Переходные процессы RC и RL

Ответ: R = 0,2322 kΩ

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

3 = 5·(1 − e−10/τ) → τ = 10/ln(5/(5 − 3))
τ = 10/0,9163 = 10,91 ms

Сопротивление

kΩ умножить на µF даёт миллисекунды.

R = τ/C = 10,91/47 = 0,2322 kΩ

Ответ

R = 0,2322 kΩ
9.Полное сопротивление и комплексные амплитуды

Ответ: P = 28,79 W

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 = 471,2 Ω, XC = 144,7 Ω

Полное сопротивление

|Z| = √(60² + (326,6)²) = 332 Ω

Активная мощность

Катушки и конденсаторы только запасают и возвращают энергию; всю активную мощность потребляет резистор.

I = 230/332 = 0,6927 A
P = I²·R = 0,6927²·60 = 28,79 W

Ответ

P = 28,79 W
10.Полное сопротивление и комплексные амплитуды

Ответ: Q = 44,72

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·√(0,2·1·10⁻⁶)) = 355,9 Hz

Добротность

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

Q = (1/R)·√(L/C) = (1/10)·√(0,2/(1·10⁻⁶)) = 44,72

Ответ

Q = 44,72
11.Мощность переменного тока и коэффициент мощности

Ответ: Q = 21,42 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 = 21·1,02 = 21,42 kvar

Ответ

Q = 21,42 kvar
12.Мощность переменного тока и коэффициент мощности

Ответ: Inew = 212,6 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 = 50·tan(36,87°) = 37,5 kvar
Q2 = P·tan φ2 = 50·tan(11,48°) = 10,15 kvar
QC = Q1 − Q2 = 27,35 kvar

Новый ток линии

Inew = P/(V·cos φ2) = 50000/(240·0,98) = 212,6 A

Ответ

Inew = 212,6 A
13.Трёхфазная мощность

Ответ: P = 3,461 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 = 208 V

Фазный ток

|Z| = √(24² + 18²) = 30 Ω
Iph = 208/30 = 6,933 A

Полная активная мощность

Активную мощность потребляет только активная составляющая каждого сопротивления.

P = 3·Iph²·R = 3·6,933²·24 = 3,461 kW

Ответ

P = 3,461 kW

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

14.Трёхфазная мощность

Ответ: Cph = 792,8 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 = 150·tan(acos 0,8) = 150·0,75 = 112,5 kvar
Q2 = 150·tan(acos 0,9) = 150·0,4843 = 72,65 kvar

Реактивная мощность конденсаторов

QC = Q1 − Q2 = 39,85 kvar

Ёмкость на фазу

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

V = 400/√3 = 230,9 V, ω = 2π·50 = 314,2 rad/s
Cph = (QC/3)/(ω·V²) = 13284/(314,2·230,9²) = 792,8 µF

Ответ

Cph = 792,8 µF
15.Трансформаторы

Ответ: IHV = 69,44 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.

Номинальный ток

Через обе обмотки передаётся одинаковая полная мощность.

IHV = S/V = 500000/7200 = 69,44 A

Ответ

IHV = 69,44 A
16.Трансформаторы

Ответ: Sη,max = 106,1 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.

Потери в меди равны потерям в стали

x²·1800 = 900 → x = √(900/1800) = 0,7071

Нагрузка при максимальном КПД

Sη,max = x·S = 0,7071·150 = 106,1 kVA

Ответ

Sη,max = 106,1 kVA

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