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​ = 2 Ω+−V1​6 VR2​8 ΩIR2​AR4​6 ΩB

Найдите ток IR2 через R2.

V1 = 6 VR1 = 12 ΩR2 = 8 ΩR3 = 2 ΩR4 = 6 Ω
IR2 = A
2.Последовательные и параллельные резисторыСложная
R1​ = 6 ΩIR1​R3​ = 30 ΩR5​ = 5 Ω+−V1​10 VR2​6 ΩAR4​12 ΩBR6​20 Ω

Найдите ток IR1, отдаваемый источником и текущий через R1.

V1 = 10 VR1 = 6 ΩR2 = 6 ΩR3 = 30 ΩR4 = 12 ΩR5 = 5 ΩR6 = 20 Ω
IR1 = A
3.Метод узловых потенциаловСредняя
−+Vs​ = 9 VIs​5 AAR1​6 ΩR2​2 ΩB

Вывод + источника напряжения Vₛ между A и B находится у B, поэтому он задаёт VB − VA = Vₛ. Методом узловых потенциалов с супер-узлом найдите узловое напряжение VB (относительно земли).

Is = 5 AVs = 9 VR1 = 6 ΩR2 = 2 Ω
VB = V
4.Метод узловых потенциаловСложная
R1​ = 25 ΩR2​ = 30 ΩR4​ = 10 Ω+−V1​18 VR3​20 ΩAR5​2 ΩBIs​2 A+−V2​36 V

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

V1 = 18 VIs = 2 AV2 = 36 VR1 = 25 ΩR2 = 30 ΩR3 = 20 ΩR4 = 10 ΩR5 = 2 Ω
VB = V
5.Тевенин и НортонСредняя
R1​ = 15 ΩR3​ = 15 Ω+−V1​30 VR2​15 ΩAab

Найдите напряжение Тевенина Vth со стороны зажимов a–b.

V1 = 30 VR1 = 15 ΩR2 = 15 ΩR3 = 15 Ω
Vth = V
6.Тевенин и НортонСложная
R1​ = 3 ΩR3​ = 4 Ω+−V1​24 VR2​10 ΩAIs​1,5 ABRL​30 ΩIL​

К a–b подключена нагрузка RL = 30 Ω. С помощью эквивалента Тевенина найдите мощность PL, передаваемую в нагрузку.

V1 = 24 VIs = 1,5 AR1 = 3 ΩR2 = 10 ΩR3 = 4 ΩRL = 30 Ω
PL = W
7.Переходные процессы RC и RLСредняя
+−Vs​20 Vt = 0R = 15 ΩL33 mHi(t)

До замыкания ключа в момент t = 0 тока через катушку нет. Найдите энергию W(∞), запасённую в катушке после установления режима, в mJ.

Vs = 20 VR = 15 ΩL = 33 mH
W(∞) = mJ
8.Переходные процессы RC и RLСложная
+−Vs​30 Vразмыкается при t = 0R1​ = 1 kΩR2​ = 3,3 kΩi2​C100 µF+−vC​

Ключ был замкнут долгое время, поэтому цепь находится в установившемся режиме. При t = 0 ключ размыкается. Найдите ток i2 через R2 при t = 750 ms.

Vs = 30 VR1 = 1 kΩR2 = 3,3 kΩC = 100 µFt = 750 ms
i2 = mA
9.Полное сопротивление и комплексные амплитудыСредняя
100 V100 HzR = 15 ΩL = 250 mHC = 4,7 µFI

Последовательная цепь RLC подключена к сети 100 V (действующее значение), 100 Hz. Найдите действующее значение тока I.

V = 100 V (rms)f = 100 HzR = 15 ΩL = 250 mHC = 4,7 µF
I = A
10.Полное сопротивление и комплексные амплитудыСложная
VfR = 1 ΩL = 20 mHC = 2,2 µF

Последовательный RLC-контур имеет R = 1 Ω, L = 20 mH и C = 2,2 µF. Найдите его добротность Q при резонансе.

R = 1 ΩL = 20 mHC = 2,2 µF
Q =
11.Мощность переменного тока и коэффициент мощностиСредняя
240 V17 kW, 0,7215 kW, 0,95I

К однофазной сети 240 V параллельно подключены две нагрузки: нагрузка 7 kW при коэффициенте мощности 0,7 (индуктивном) и нагрузка 15 kW при коэффициенте мощности 0,95 (индуктивном). Найдите общий коэффициент мощности cos φ со стороны сети.

V = 240 VP1 = 7 kW, pf1 = 0,7 отстающийP2 = 15 kW, pf2 = 0,95 отстающий
cos φ =
12.Мощность переменного тока и коэффициент мощностиСложная
240 V50 Hzнагрузка27 kW, 0,7C220 µFI

Однофазная нагрузка потребляет 27 kW при коэффициенте мощности 0,7 (индуктивном) от сети 240 V, 50 Hz. Параллельно нагрузке подключён конденсатор 220 µF. Найдите новый коэффициент мощности cos φ со стороны сети.

P = 27 kWpf1 = 0,7V = 240 Vf = 50 HzC = 220 µF
cos φ =
13.Трёхфазная мощностьСредняя
ABCVL​ = 208 VZ = 24 + j7 Ωна фазу

Симметричная нагрузка, соединённая треугольником, с полным сопротивлением 24 + j7 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 + j7 Ω на фазу
P = kW
14.Трёхфазная мощностьСложная
P = 100 kWφ1​S1​Q2​QC​

Симметричная трёхфазная нагрузка потребляет 100 kW при коэффициенте мощности 0,65 (отстающий) от сети 400 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 = 100 kWpf1 = 0,65pf2 = 0,92VL = 400 Vf = 50 Hz
Cph = µF
15.ТрансформаторыСредняя
10 Ω31

К вторичной обмотке идеального трансформатора с коэффициентом трансформации N₁:N₂ = 3:1 подключён резистор 10 Ω. Найдите сопротивление R1′ со стороны первичной обмотки.

N1:N2 = 3:1RL = 10 Ω
R1′ = Ω
16.ТрансформаторыСложная
pf 0,975 kVA, η = 97,5%

Однофазный трансформатор 75 kVA имеет потери в стали 225 W. При номинальной нагрузке и коэффициенте мощности 0,9 (отстающий) его КПД равен 97,5%. Найдите потери в меди при номинальной нагрузке Pcu,fl в ваттах.

S = 75 kVAPcore = 225 Wpf = 0,9η = 97,5%
Pcu,fl = W

3Растворы

1.Последовательные и параллельные резисторы

Ответ: IR2 = 0,1875 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​ = 2 Ω+−V1​6 VR2​8 ΩAR4​6 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 = 2 + 6 = 8 Ω
R2 ∥ 8 = 8·8/(8+8) = 4 Ω
Req = R1 + 4 = 12 + 4 = 16 Ω

Ток источника

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

IR1 = V1/Req = 6/16 = 0,375 A

Ток через R₂

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

VA = V1 − IR1·R1 = 6 − 0,375·12 = 1,5 V
IR2 = VA/R2 = 1,5/8 = 0,1875 A

Ответ

IR2 = 0,1875 A
2.Последовательные и параллельные резисторы

Ответ: IR1 = 0,8941 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​ = 6 ΩR3​ = 30 ΩR5​ = 5 Ω+−V1​10 VR2​6 ΩAR4​12 ΩBR6​20 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 = 5 + 20 = 25 Ω
R4 ∥ 25 = 8,108 Ω
R3 + 8,108 = 38,11 Ω
R2 ∥ 38,11 = 5,184 Ω
Req = R1 + 5,184 = 6 + 5,184 = 11,18 Ω

Ток источника

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

IR1 = V1/Req = 10/11,18 = 0,8941 A

Ответ

IR1 = 0,8941 A
3.Метод узловых потенциалов

Ответ: VB = 9,75 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.

Образуем супер-узел

Через источник напряжения между A и B течёт неизвестный ток, поэтому ЗТК нельзя записать отдельно для A или B. Объедините A, B и источник в один супер-узел: втекающий в него ток равен вытекающему.

VB = VA + Vs = VA + 9
VA/R1 + VB/R2 = Is

Решите

VA/6 + (VA + 9)/2 = 5
VA = (5 − 9/2)/(1/6 + 1/2) = 0,75 V
VB = 0,75 + 9 = 9,75 V

Ответ

VB = 9,75 V
4.Метод узловых потенциалов

Ответ: VB = 2,874 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​ = 30 ΩR4​ = 10 Ω+−V1​18 VR3​20 ΩAR5​2 ΩBIs​2 A+−V2​36 V

Определите узлы

Земля — нижний провод. Известные узловые напряжения берутся прямо из источников (V1 = 18 V, V2 = 36 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 − 18)/25 + (VA − VB)/30 = 0
0,1233·VA − 0,03333·VB = 0,72

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/2 + (VB − VA)/30 + (VB − 36)/10 = (−2)
−0,03333·VA + 0,6333·VB = 1,6

Решите

Δ = (0,1233)(0,6333) − (−0,03333)(−0,03333) = 0,077
VA = Δ1/Δ = 0,5093/0,077 = 6,615 V
VB = Δ2/Δ = 0,2213/0,077 = 2,874 V

Ответ

VB = 2,874 V
5.Тевенин и Нортон

Ответ: Vth = 15 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​ = 15 ΩR3​ = 15 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 = 15·15/(15+15) = 7,5 Ω
Rth = (R1 ∥ R2) + R3 = 7,5 + 15 = 22,5 Ω
R1​ = 15 ΩR3​ = 15 Ω+−V1​30 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) = 30·15/(15+15) = 15 V
6.Тевенин и Нортон

Ответ: PL = 1,843 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​ = 4 ΩКЗR2​10 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 = 3·10/(3+10) = 2,308 Ω
Rth = (R1 ∥ R2) + R3 = 2,308 + 4 = 6,308 Ω
R1​ = 3 ΩR3​ = 4 Ω+−V1​24 VR2​10 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) = 18,46 + (−1,5)·2,308 = 15 V
Vth = VB = VA + Is·R3 = 15 + (−1,5)·4 = 9 V
Rth​ = 6,308 Ω+−Vth​9 VRL​30 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) = 9/(6,308 + 30) = 0,2479 A
PL = IL²·RL = 0,2479²·30 = 1,843 W
7.Переходные процессы RC и RL

Ответ: W(∞) = 29,33 mJ

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 = 33 mH / 15 Ω = 2,2 ms
i(∞) = Vs/R = 20/15 = 1,333 A

Запасённая энергия

W(∞) = ½·L·i(∞)² = ½·33·1,333² = 29,33 mJ

Ответ

W(∞) = 29,33 mJ
8.Переходные процессы RC и RL

Ответ: i2 = 0,7188 mA

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) = 30·3,3/(1 + 3,3) = 23,02 V

Постоянная времени после размыкания ключа

τ = R2·C = 3,3·100 = 330 ms

Разряд

vC(t) = 23,02·e−750/330 = 2,372 V
i2 = vC/R2 = 2,372/3,3 = 0,7188 mA

Ответ

i2 = 0,7188 mA
9.Полное сопротивление и комплексные амплитуды

Ответ: I = 0,5489 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·100 = 628,3 rad/s
XL = ωL = 628,3·0,25 = 157,1 Ω
XC = 1/(ωC) = 1/(628,3·4,7·10⁻⁶) = 338,6 Ω

Полное сопротивление

При последовательном соединении полные сопротивления складываются как комплексные числа: Z = R + j(XL − XC).

|Z| = √(R² + (XL − XC)²) = √(15² + (−181,5)²) = 182,2 Ω

Ток

Через каждый элемент последовательной цепи течёт один и тот же ток.

I = V/|Z| = 100/182,2 = 0,5489 A

Ответ

I = 0,5489 A
10.Полное сопротивление и комплексные амплитуды

Ответ: Q = 95,35

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·√(0,02·2,2·10⁻⁶)) = 758,7 Hz

Добротность

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

Q = (1/R)·√(L/C) = (1/1)·√(0,02/(2,2·10⁻⁶)) = 95,35

Ответ

Q = 95,35
11.Мощность переменного тока и коэффициент мощности

Ответ: cos φ = 0,8767

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 = 7·tan(arccos 0,7) = 7,141 kvar
Q2 = 15·tan(arccos 0,95) = 4,93 kvar

Суммы

P = 7 + 15 = 22 kW
Q = 7,141 + 4,93 = 12,07 kvar
S = √(22² + 12,07²) = 25,09 kVA

Общий коэффициент мощности

cos φ = P/S = 22/25,09 = 0,8767 отстающий

Ответ

cos φ = 0,8767
12.Мощность переменного тока и коэффициент мощности

Ответ: cos φ = 0,7534

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 = 27·tan(arccos 0,7) = 27,55 kvar
QC = V²·2πf·C = 240²·2π·50·220·10⁻⁶ = 3981 var = 3,981 kvar
Q2 = 27,55 − 3,981 = 23,56 kvar

Новая полная мощность

S2 = √(27² + 23,56²) = 35,84 kVA

Новый коэффициент мощности

cos φ = P/S2 = 27/35,84 = 0,7534

Ответ

cos φ = 0,7534
13.Трёхфазная мощность

Ответ: P = 4,984 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 + 7²) = 25 Ω
Iph = 208/25 = 8,32 A

Полная активная мощность

Активную мощность потребляет только активная составляющая каждого сопротивления.

P = 3·Iph²·R = 3·8,32²·24 = 4,984 kW

Ответ

P = 4,984 kW

Проверка: cos φ = R/|Z| = 0,96, и √3·VL·IL·cos φ даёт ту же мощность.

14.Трёхфазная мощность

Ответ: Cph = 492,8 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 = 100·tan(acos 0,65) = 100·1,169 = 116,9 kvar
Q2 = 100·tan(acos 0,92) = 100·0,426 = 42,6 kvar

Реактивная мощность конденсаторов

QC = Q1 − Q2 = 74,31 kvar

Ёмкость на фазу

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

V = 400 V, ω = 2π·50 = 314,2 rad/s
Cph = (QC/3)/(ω·V²) = 24771/(314,2·400²) = 492,8 µF

Ответ

Cph = 492,8 µF
15.Трансформаторы

Ответ: R1′ = 90 Ω

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.

Приведённое сопротивление

Напряжение растёт в a раз, а ток уменьшается в a раз, поэтому отношение V/I растёт в a² раз.

R1′ = a²·RL = 3²·10 = 90 Ω

Ответ

R1′ = 90 Ω
16.Трансформаторы

Ответ: Pcu,fl = 1506 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 = 75·0,9 = 67,5 kW
Pin = 67500/0,975 = 69231 W

Суммарные потери и потери в меди

Ploss = 69231 − 67500 = 1731 W
Pcu,fl = 1731 − 225 = 1506 W

Ответ

Pcu,fl = 1506 W

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