Используйте метод узловых потенциалов, чтобы найти ток IR3 через R3 в направлении стрелки.
V1 = 12 VIs = 1 AR1 = 8 ΩR2 = 3 ΩR3 = 2 ΩR4 = 2 Ω
IR3 = A
4.Метод узловых потенциаловСложная
Источник тока регулируют до тех пор, пока напряжение узла A не станет VA = 23,5 V. Методом узловых потенциалов найдите ток источника Is (направление как на схеме).
Найдите напряжение Тевенина Vth со стороны зажимов a–b.
V1 = 15 VR1 = 5 ΩR2 = 4 ΩR3 = 10 Ω
Vth = V
6.Тевенин и НортонСложная
Найдите напряжение Тевенина Vth со стороны зажимов a–b.
V1 = 18 VIs = 2 AR1 = 2 ΩR2 = 5 ΩR3 = 6 Ω
Vth = V
7.Переходные процессы RC и RLСредняя
До замыкания ключа в момент t = 0 тока через катушку нет. Найдите ток i в момент t = 5 ms.
Vs = 15 VR = 15 ΩL = 150 mHt = 5 ms
i = A
8.Переходные процессы RC и RLСложная
Ключ был замкнут долгое время, поэтому цепь находится в установившемся режиме. При t = 0 ключ размыкается. Найдите ток i2 через R2 при t = 250 ms.
Vs = 24 VR1 = 10 kΩR2 = 4,7 kΩC = 47 µFt = 250 ms
i2 = mA
9.Полное сопротивление и комплексные амплитудыСредняя
Последовательная цепь RLC подключена к сети 10 V (действующее значение), 1000 Hz. Найдите действующее значение тока I.
V = 10 V (rms)f = 1000 HzR = 10 ΩL = 20 mHC = 47 µF
I = A
10.Полное сопротивление и комплексные амплитудыСложная
Последовательный RLC-контур имеет R = 50 Ω, L = 200 mH и C = 1 µF. Найдите его добротность Q при резонансе.
R = 50 ΩL = 200 mHC = 1 µF
Q =
11.Мощность переменного тока и коэффициент мощностиСредняя
Нагрузка с полным сопротивлением Z = 12 + j5 Ω подключена к однофазной сети 120 V (действующее значение). Найдите потребляемую ею активную мощность P.
V = 120 VZ = 12 + j5 Ω
P = W
12.Мощность переменного тока и коэффициент мощностиСложная
Источник 100 V (действующее значение), 50 Hz имеет внутреннее сопротивление Zs = 4 + j30 Ω. Полное сопротивление нагрузки ZL можно выбирать произвольно. Найдите наибольшую активную мощность Pmax, которую можно передать нагрузке.
Vs = 100 V (rms)f = 50 HzZs = 4 + j30 Ω
Pmax = W
13.Трёхфазная мощностьСредняя
Трёхфазный асинхронный двигатель при полной нагрузке развивает механическую мощность 110 kW. При этой нагрузке его КПД равен 95%, а коэффициент мощности 0,84 (отстающий). Линейное напряжение сети 690 V. Найдите линейный ток IL.
Pout = 110 kWη = 95%cos φ = 0,84VL = 690 V
IL = A
14.Трёхфазная мощностьСложная
Симметричная трёхфазная нагрузка потребляет 300 kW при коэффициенте мощности 0,8 (отстающий) от сети 400 V (линейное), 60 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 = 300 kWpf1 = 0,8pf2 = 0,9VL = 400 Vf = 60 Hz
Cph = µF
15.ТрансформаторыСредняя
К первичной обмотке идеального трансформатора с коэффициентом трансформации N₁:N₂ = 2:1 приложено 480 V. К вторичной обмотке подключён резистор 5 Ω. Найдите первичный ток I1.
N1:N2 = 2:1V1 = 480 VRL = 5 Ω
I1 = A
16.ТрансформаторыСложная
Однофазный трансформатор 25 kVA имеет потери в стали 150 W. При номинальной нагрузке и коэффициенте мощности 0,85 (отстающий) его КПД равен 98,5%. Найдите потери в меди при номинальной нагрузке Pcu,fl в ваттах.
S = 25 kVAPcore = 150 Wpf = 0,85η = 98,5%
Pcu,fl = W
3Растворы
1.Последовательные и параллельные резисторы
Ответ: Req = 23,16 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 = 3 + 12 = 15 Ω
R2 ∥ 15 = 4·15/(4+15) = 3,158 Ω
Req = R1 + 3,158 = 20 + 3,158 = 23,16 Ω
Ответ
Req = 23,16 Ω
2.Последовательные и параллельные резисторы
Ответ: Req = 14 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.
R5 + R6 = 3 + 12 = 15 Ω
R4 ∥ 15 = 2,5 Ω
R3 + 2,5 = 22,5 Ω
R2 ∥ 22,5 = 9 Ω
Req = R1 + 9 = 5 + 9 = 14 Ω
Ответ
Req = 14 Ω
3.Метод узловых потенциалов
Ответ: IR3 = 0,2059 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 = 12 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 − 12)/8 + (VA − VB)/2 = 0
0,9583·VA − 0,5·VB = 1,5
ЗТК в узле B
Токи, вытекающие из B через резисторы, равны току, который источники подают в B.
VB/R4 + (VB − VA)/R3 = Is
VB/2 + (VB − VA)/2 = 1
−0,5·VA + VB = 1
Решите
Δ = (0,9583)(1) − (−0,5)(−0,5) = 0,7083
VA = Δ1/Δ = 2/0,7083 = 2,824 V
VB = Δ2/Δ = 1,708/0,7083 = 2,412 V
Ответ
IR3 = (VA − VB)/R3 = (2,824 − 2,412)/2 = 0,2059 A
4.Метод узловых потенциалов
Ответ: Is = 1,182 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
(23,5 − 30)/3 + 23,5/10 = (VB − 23,5)/8
0,1833 = (VB − 23,5)/8 → VB = 24,97 V
ЗТК в узле B
Токи, вытекающие из B через резисторы, равны току, который источники направляют в B.
Is = (VB − VA)/R3 + VB/R4 = (24,97 − 23,5)/8 + 24,97/25 = 1,182 A
Ответ
Is = 1,182 A
5.Тевенин и Нортон
Ответ: Vth = 6,667 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.
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 = 5·4/(5+4) = 2,222 Ω
Rth = (R1 ∥ R2) + R3 = 2,222 + 10 = 12,22 Ω
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) = 15·4/(5+4) = 6,667 V
6.Тевенин и Нортон
Ответ: Vth = 27,71 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.
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 = 2·5/(2+5) = 1,429 Ω
Rth = (R1 ∥ R2) + R3 = 1,429 + 6 = 7,429 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) = 12,86 + 2·1,429 = 15,71 V
Vth = VB = VA + Is·R3 = 15,71 + 2·6 = 27,71 V
7.Переходные процессы RC и RL
Ответ: i = 0,3935 A
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.
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 напряжение конденсатора
В установившемся режиме конденсатор — разрыв, поэтому R₁ и R₂ образуют делитель напряжения. Напряжение конденсатора не может измениться скачком при размыкании ключа.
vC(0) = 24·4,7/(10 + 4,7) = 7,673 V
Постоянная времени после размыкания ключа
τ = R2·C = 4,7·47 = 220,9 ms
Разряд
vC(t) = 7,673·e−250/220,9 = 2,474 V
i2 = vC/R2 = 2,474/4,7 = 0,5265 mA
Ответ
i2 = 0,5265 mA
9.Полное сопротивление и комплексные амплитуды
Ответ: I = 0,08151 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|.
Реактивные сопротивления
ω = 2πf = 2π·1000 = 6283 rad/s
XL = ωL = 6283·0,02 = 125,7 Ω
XC = 1/(ωC) = 1/(6283·47·10⁻⁶) = 3,386 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| = 10/122,7 = 0,08151 A
Ответ
I = 0,08151 A
10.Полное сопротивление и комплексные амплитуды
Ответ: Q = 8,944
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) = (1/50)·√(0,2/(1·10⁻⁶)) = 8,944
Ответ
Q = 8,944
11.Мощность переменного тока и коэффициент мощности
Ответ: P = 1022 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.
Ток
|Z| = √(12² + 5²) = 13 Ω
I = V/|Z| = 120/13 = 9,231 A
Активная мощность
P = I²·R = 9,231²·12 = 1022 W
Ответ
P = 1022 W
12.Мощность переменного тока и коэффициент мощности
Ответ: Pmax = 625 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* = 4 − j30 Ω
Наибольшая мощность
I = Vs/(2Rs) = 100/8 = 12,5 A
Pmax = I²·RL = Vs²/(4Rs) = 100²/(4·4) = 625 W
Ответ
Pmax = 625 W
13.Трёхфазная мощность
Ответ: IL = 115,3 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/(√3·690·0,84) = 115,3 A
Ответ
IL = 115,3 A
14.Трёхфазная мощность
Ответ: Cph = 1321 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 0,8) = 300·0,75 = 225 kvar
Q2 = 300·tan(acos 0,9) = 300·0,4843 = 145,3 kvar
Реактивная мощность конденсаторов
QC = Q1 − Q2 = 79,7 kvar
Ёмкость на фазу
В батарее, соединённой звездой, каждый конденсатор включён между линейным проводом и нейтральной точкой.
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 = 480/2 = 240 V
I2 = 240/5 = 48 A
Первичный ток
Идеальный трансформатор не имеет потерь: V₁·I₁ = V₂·I₂.
I1 = I2/2 = 24 A
Ответ
I1 = 24 A
Проверка: нагрузка со стороны первичной обмотки равна a²·RL = 20 Ω, и 480/20 даёт тот же ток.
16.Трансформаторы
Ответ: Pcu,fl = 173,6 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.