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​ = 2 ΩR3​ = 3 Ω+−V1​9 VR2​3 ΩAR4​4 ΩB

Найдите эквивалентное сопротивление Req, которое видит источник V1.

V1 = 9 VR1 = 2 ΩR2 = 3 ΩR3 = 3 ΩR4 = 4 Ω
Req = Ω
2.Последовательные и параллельные резисторыСложная
R1​ = 20 ΩIR1​R3​ = 12 ΩR5​ = 5 Ω+−V1​24 VR2​2 ΩAR4​8 ΩBR6​5 Ω

Найдите ток IR1, отдаваемый источником и текущий через R1.

V1 = 24 VR1 = 20 ΩR2 = 2 ΩR3 = 12 ΩR4 = 8 ΩR5 = 5 ΩR6 = 5 Ω
IR1 = A
3.Метод узловых потенциаловСредняя
R1​ = 4 ΩR3​ = 5 ΩIR3​+−V1​6 VR2​3 ΩAR4​20 ΩBIs​5 A

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

V1 = 6 VIs = 5 AR1 = 4 ΩR2 = 3 ΩR3 = 5 ΩR4 = 20 Ω
IR3 = A
4.Метод узловых потенциаловСложная
R1​ = 30 ΩR3​ = 5 Ω+−V1​18 VR2​3 ΩAR4​8 ΩBIs​?

Источник тока регулируют до тех пор, пока напряжение узла A не станет VA = 10,5 V. Методом узловых потенциалов найдите ток источника Is (направление как на схеме).

V1 = 18 VR1 = 30 ΩR2 = 3 ΩR3 = 5 ΩR4 = 8 ΩVA = 10,5 V
Is = A
5.Тевенин и НортонСредняя
R1​ = 10 ΩR3​ = 8 Ω+−V1​18 VR2​4 ΩARL​4 ΩIL​B

К a–b подключена нагрузка RL = 4 Ω. Замените остальную цепь эквивалентом Тевенина и найдите ток нагрузки IL.

V1 = 18 VR1 = 10 ΩR2 = 4 ΩR3 = 8 ΩRL = 4 Ω
IL = A
6.Тевенин и НортонСложная
R1​ = 2 ΩR3​ = 30 Ω+−V1​24 VR2​6 ΩAIs​2,5 ABRL​3 ΩIL​

К a–b подключена нагрузка RL = 3 Ω. С помощью эквивалента Тевенина найдите мощность PL, передаваемую в нагрузку.

V1 = 24 VIs = 2,5 AR1 = 2 ΩR2 = 6 ΩR3 = 30 ΩRL = 3 Ω
PL = W
7.Переходные процессы RC и RLСредняя
R = 20 Ωt = 0L150 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. Найдите напряжение vR на R при t = 10 ms.

i(0) = 2 AR = 20 ΩL = 150 mHt = 10 ms
vR = V
8.Переходные процессы RC и RLСложная
+−Vs​5 Vt = 0R = 4,7 kΩC22 µF+−vC​vC​(0) = 30 V

Непосредственно перед замыканием ключа в момент t = 0 конденсатор заряжен до 30 V с указанной полярностью. Найдите напряжение на конденсаторе vC в момент t = 40 ms.

Vs = 5 VR = 4,7 kΩC = 22 µFvC(0) = 30 Vt = 40 ms
vC = V
9.Полное сопротивление и комплексные амплитудыСредняя
Vf0​ = 60 HzRL = 5 mHC = ?

Последовательный RLC-контур с L = 5 mH должен резонировать на частоте 60 Hz. Найдите необходимую ёмкость C.

f0 = 60 HzL = 5 mH
C = µF
10.Полное сопротивление и комплексные амплитудыСложная
12 V60 HzR = 60 ΩL = 50 mHC = 47 µF

Последовательная цепь RLC подключена к сети 12 V (действующее значение), 60 Hz. Найдите резонансную частоту f0 цепи.

V = 12 V (rms)f = 60 HzR = 60 ΩL = 50 mHC = 47 µF
f0 = Hz
11.Мощность переменного тока и коэффициент мощностиСредняя
230 V126 kW, 0,6215 kW, 1I

К однофазной сети 230 V параллельно подключены две нагрузки: нагрузка 26 kW при коэффициенте мощности 0,6 (индуктивном) и нагреватель мощностью 15 kW (коэффициент мощности 1). Найдите общий коэффициент мощности cos φ со стороны сети.

V = 230 VP1 = 26 kW, pf1 = 0,6 отстающийP2 = 15 kW, pf2 = 1
cos φ =
12.Мощность переменного тока и коэффициент мощностиСложная
P = 35 kWQ1​S1​φ1​QC​

Однофазная нагрузка потребляет 35 kW при коэффициенте мощности 0,7 (индуктивном) от сети 240 V, 60 Hz. Параллельно подключённый конденсатор повышает коэффициент мощности до 0,98. Найдите необходимую ёмкость C.

P = 35 kWpf1 = 0,7pf2 = 0,98V = 240 Vf = 60 Hz
C = µF
13.Трёхфазная мощностьСредняя
ABCVL​ = 415 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 415 V. Найдите полную активную мощность P, потребляемую нагрузкой, в kW.

VL = 415 VZ = 24 + j7 Ω на фазу
P = kW
14.Трёхфазная мощностьСложная
P = 60 kWφ1​S1​Q2​QC​

Симметричная трёхфазная нагрузка потребляет 60 kW при коэффициенте мощности 0,72 (отстающий) от сети 400 V (линейное), 50 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 = 60 kWpf1 = 0,72pf2 = 0,98VL = 400 Vf = 50 Hz
Cph = µF
15.ТрансформаторыСредняя
16 Ω61

К вторичной обмотке идеального трансформатора с коэффициентом трансформации N₁:N₂ = 6:1 подключён резистор 16 Ω. Найдите сопротивление R1′ со стороны первичной обмотки.

N1:N2 = 6:1RL = 16 Ω
R1′ = Ω
16.ТрансформаторыСложная
pf 0,9525 kVA, 25% нагрузка

Однофазный трансформатор 25 kVA имеет потери в стали 100 W и потери в меди 300 W при номинальной нагрузке. Он отдаёт 25% номинальной мощности в kVA при коэффициенте мощности 0,95 (отстающий). Найдите суммарные потери Ploss в ваттах при этой нагрузке.

S = 25 kVAPcore = 100 WPcu,fl = 300 Wx = 0,25pf = 0,95
Ploss = W

3Растворы

1.Последовательные и параллельные резисторы

Ответ: Req = 4,1 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​ = 2 ΩR3​ = 3 Ω+−V1​9 VR2​3 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 = 3 + 4 = 7 Ω
R2 ∥ 7 = 3·7/(3+7) = 2,1 Ω
Req = R1 + 2,1 = 2 + 2,1 = 4,1 Ω

Ответ

Req = 4,1 Ω
2.Последовательные и параллельные резисторы

Ответ: IR1 = 1,102 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​ = 20 ΩR3​ = 12 ΩR5​ = 5 Ω+−V1​24 VR2​2 ΩAR4​8 ΩBR6​5 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 + 5 = 10 Ω
R4 ∥ 10 = 4,444 Ω
R3 + 4,444 = 16,44 Ω
R2 ∥ 16,44 = 1,783 Ω
Req = R1 + 1,783 = 20 + 1,783 = 21,78 Ω

Ток источника

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

IR1 = V1/Req = 24/21,78 = 1,102 A

Ответ

IR1 = 1,102 A
3.Метод узловых потенциалов

Ответ: IR3 = −3,647 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​ = 4 ΩR3​ = 5 Ω+−V1​6 VR2​3 ΩAR4​20 ΩBIs​5 A

Определите узлы

Земля — нижний провод. Известные узловые напряжения берутся прямо из источников (V1 = 6 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 − 6)/4 + (VA − VB)/5 = 0
0,7833·VA − 0,2·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/20 + (VB − VA)/5 = 5
−0,2·VA + 0,25·VB = 5

Решите

Δ = (0,7833)(0,25) − (−0,2)(−0,2) = 0,1558
VA = Δ1/Δ = 1,375/0,1558 = 8,824 V
VB = Δ2/Δ = 4,217/0,1558 = 27,06 V

Ответ

IR3 = (VA − VB)/R3 = (8,824 − 27,06)/5 = −3,647 A
4.Метод узловых потенциалов

Ответ: Is = 6,594 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
(10,5 − 18)/30 + 10,5/3 = (VB − 10,5)/5
3,25 = (VB − 10,5)/5 → VB = 26,75 V

ЗТК в узле B

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

Is = (VB − VA)/R3 + VB/R4 = (26,75 − 10,5)/5 + 26,75/8 = 6,594 A

Ответ

Is = 6,594 A
5.Тевенин и Нортон

Ответ: IL = 0,3462 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​ = 10 ΩR3​ = 8 ΩКЗR2​4 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 = 10·4/(10+4) = 2,857 Ω
Rth = (R1 ∥ R2) + R3 = 2,857 + 8 = 10,86 Ω
R1​ = 10 ΩR3​ = 8 Ω+−V1​18 VR2​4 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) = 18·4/(10+4) = 5,143 V
Rth​ = 10,86 Ω+−Vth​5,143 VRL​4 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) = 5,143/(10,86 + 4) = 0,3462 A
6.Тевенин и Нортон

Ответ: PL = 23,59 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​ = 2 ΩR3​ = 30 ΩКЗR2​6 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 = 2·6/(2+6) = 1,5 Ω
Rth = (R1 ∥ R2) + R3 = 1,5 + 30 = 31,5 Ω
R1​ = 2 ΩR3​ = 30 Ω+−V1​24 VR2​6 ΩAIs​2,5 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 + 2,5·1,5 = 21,75 V
Vth = VB = VA + Is·R3 = 21,75 + 2,5·30 = 96,75 V
Rth​ = 31,5 Ω+−Vth​96,75 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) = 96,75/(31,5 + 3) = 2,804 A
PL = IL²·RL = 2,804²·3 = 23,59 W
7.Переходные процессы RC и RL

Ответ: vR = 10,54 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

τ = L/R = 150 mH / 20 Ω = 7,5 ms

Убывание тока

i(t) = 2·e−10/7,5 = 0,5272 A
vR = R·i = 20·0,5272 = 10,54 V

Ответ

vR = 10,54 V
8.Переходные процессы RC и RL

Ответ: vC = 21,98 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.

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) = 30 V, vC(∞) = Vs = 5 V
τ = R·C = 4,7 kΩ · 22 µF = 103,4 ms
vC(t) = 5 + (30 − 5)·e−t/τ

Напряжение в заданный момент

vC(40) = 5 + (25)·e−40/103,4 = 21,98 V

Ответ

vC = 21,98 V
9.Полное сопротивление и комплексные амплитуды

Ответ: C = 1407 µF

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|.

Условие резонанса

При резонансе индуктивное и ёмкостное сопротивления компенсируют друг друга: ωL = 1/(ωC).

ω₀ = 2π·60 = 377 rad/s
C = 1/(ω₀²·L) = 1/(377²·0,005) = 1407 µF

Ответ

C = 1407 µF
10.Полное сопротивление и комплексные амплитуды

Ответ: f0 = 103,8 Hz

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|.

Резонанс

При резонансе индуктивное и ёмкостное сопротивления компенсируют друг друга: ωL = 1/(ωC). Частота сети не важна.

f0 = 1/(2π√(LC)) = 1/(2π·√(0,05·47·10⁻⁶)) = 103,8 Hz

Ответ

f0 = 103,8 Hz
11.Мощность переменного тока и коэффициент мощности

Ответ: cos φ = 0,7636

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 = 26·tan(arccos 0,6) = 34,67 kvar
Q2 = 0 = 0 kvar

Суммы

P = 26 + 15 = 41 kW
Q = 34,67 + 0 = 34,67 kvar
S = √(41² + 34,67²) = 53,69 kVA

Общий коэффициент мощности

cos φ = P/S = 41/53,69 = 0,7636 отстающий

Ответ

cos φ = 0,7636
12.Мощность переменного тока и коэффициент мощности

Ответ: C = 1317 µF

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 = 35·tan(45,57°) = 35,71 kvar
Q2 = P·tan φ2 = 35·tan(11,48°) = 7,107 kvar
QC = Q1 − Q2 = 28,6 kvar

Ёмкость

Конденсатор, подключённый к сети, поставляет Q = V²·ωC.

C = QC/(2πf·V²) = 28600/(2π·60·240²) = 1317 µF

Ответ

C = 1317 µF
13.Трёхфазная мощность

Ответ: P = 19,84 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 = 415 V

Фазный ток

|Z| = √(24² + 7²) = 25 Ω
Iph = 415/25 = 16,6 A

Полная активная мощность

Активную мощность потребляет только активная составляющая каждого сопротивления.

P = 3·Iph²·R = 3·16,6²·24 = 19,84 kW

Ответ

P = 19,84 kW

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

14.Трёхфазная мощность

Ответ: Cph = 302,7 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 = 60·tan(acos 0,72) = 60·0,9639 = 57,83 kvar
Q2 = 60·tan(acos 0,98) = 60·0,2031 = 12,18 kvar

Реактивная мощность конденсаторов

QC = Q1 − Q2 = 45,65 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) = 15216/(314,2·400²) = 302,7 µF

Ответ

Cph = 302,7 µF
15.Трансформаторы

Ответ: R1′ = 576 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 = 6²·16 = 576 Ω

Ответ

R1′ = 576 Ω
16.Трансформаторы

Ответ: Ploss = 118,8 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.

Потери в меди при этой нагрузке

Pcu = x²·Pcu,fl = 0,0625·300 = 18,75 W

Суммарные потери

Потери в стали одинаковы при любой нагрузке.

Ploss = 100 + 18,75 = 118,8 W

Ответ

Ploss = 118,8 W

КПД при этой нагрузке η = 98,04%.

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