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​ = 20 ΩIR1​R3​ = 6 Ω+−V1​9 VR2​20 ΩAR4​6 ΩB

Найдите ток IR1, отдаваемый источником и текущий через R1.

V1 = 9 VR1 = 20 ΩR2 = 20 ΩR3 = 6 ΩR4 = 6 Ω
IR1 = A
2.Последовательные и параллельные резисторыСложная
R1​ = 5 ΩR3​ = 25 ΩR5​ = 15 Ω+−V1​9 VR2​12 ΩAR4​4 ΩBR6​10 Ω

Найдите эквивалентное сопротивление Req, которое видит источник V1.

V1 = 9 VR1 = 5 ΩR2 = 12 ΩR3 = 25 ΩR4 = 4 ΩR5 = 15 ΩR6 = 10 Ω
Req = Ω
3.Метод узловых потенциаловСредняя
R1​ = 20 ΩR3​ = 5 Ω+−V1​12 VR2​12 ΩAR4​10 ΩBIs​5 A

Методом узловых потенциалов найдите мощность PIs, отдаваемую источником тока Is.

V1 = 12 VIs = 5 AR1 = 20 ΩR2 = 12 ΩR3 = 5 ΩR4 = 10 Ω
PIs = W
4.Метод узловых потенциаловСложная
R1​ = 10 Ω+−Vs​ = 10 V+−V1​9 VR2​30 ΩAR3​3 ΩBIs​1,5 A

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

V1 = 9 VIs = 1,5 AVs = 10 VR1 = 10 ΩR2 = 30 ΩR3 = 3 Ω
VB = V
5.Тевенин и НортонСредняя
R1​ = 3 ΩR3​ = 5 Ω+−V1​10 VR2​12 ΩAab

Найдите напряжение Тевенина Vth со стороны зажимов a–b.

V1 = 10 VR1 = 3 ΩR2 = 12 ΩR3 = 5 Ω
Vth = V
6.Тевенин и НортонСложная
R1​ = 3 ΩR3​ = 30 Ω+−V1​5 VR2​10 ΩAIs​0,5 ABab

Найдите напряжение Тевенина Vth со стороны зажимов a–b.

V1 = 5 VIs = 0,5 AR1 = 3 ΩR2 = 10 ΩR3 = 30 Ω
Vth = V
7.Переходные процессы RC и RLСредняя
R = 10 Ωt = 0L47 mHi(t)

Через катушку течёт установившийся ток 0,5 A. При t = 0 ключ замыкает контур через R, а источник отключается, поэтому ток катушки убывает через R. За какое время ток уменьшится до 0,1 A? Найдите t.

i(0) = 0,5 AR = 10 ΩL = 47 mH
t = ms
8.Переходные процессы RC и RLСложная
+−Vs​12 VR1​ = 5 ΩR2​ = 5 Ωзамыкается при t = 0L22 mHi(t)

Ключ, шунтирующий R2, был разомкнут долгое время, поэтому ток катушки установившийся. При t = 0 ключ замыкается и закорачивает R2. Найдите ток катушки i при t = 5 ms.

Vs = 12 VR1 = 5 ΩR2 = 5 ΩL = 22 mHt = 5 ms
i = A
9.Полное сопротивление и комплексные амплитудыСредняя
120 V200 HzR = 30 ΩL = 100 mHI

Резистор и катушка включены параллельно в сеть 120 V (действующее значение), 200 Hz. Найдите действующее значение тока I.

V = 120 V (rms)f = 200 HzR = 30 ΩL = 100 mH
I = A
10.Полное сопротивление и комплексные амплитудыСложная
5 Vf0​R = 15 ΩL = 50 mHC = 0,1 µF

Последовательный RLC-контур питается от источника 5 V (действующее значение), частота которого равна резонансной частоте контура. Найдите действующее напряжение VL на катушке.

V = 5 V (rms)R = 15 ΩL = 50 mHC = 0,1 µF
VL = V
11.Мощность переменного тока и коэффициент мощностиСредняя
230 VZ4 + j3 ΩI

Нагрузка с полным сопротивлением Z = 4 + j3 Ω подключена к однофазной сети 230 V (действующее значение). Найдите полную мощность S.

V = 230 VZ = 4 + j3 Ω
S = VA
12.Мощность переменного тока и коэффициент мощностиСложная
12 V1000 HzRs​ = 8 ΩXs​ = j15 ΩZL​ = ?

Источник 12 V (действующее значение), 1000 Hz имеет внутреннее сопротивление Zs = 8 + j15 Ω. Полное сопротивление нагрузки ZL можно выбирать произвольно. Нагрузка для максимальной мощности составлена из резистора, соединённого последовательно с конденсатором. Найдите ёмкость C.

Vs = 12 V (rms)f = 1000 HzZs = 8 + j15 Ω
C = µF
13.Трёхфазная мощностьСредняя
ABCVL​ = 415 VIL​ = ?M55 kW, η = 92%cos φ = 0,85

Трёхфазный асинхронный двигатель при полной нагрузке развивает механическую мощность 55 kW. При этой нагрузке его КПД равен 92%, а коэффициент мощности 0,85 (отстающий). Линейное напряжение сети 415 V. Найдите линейный ток IL.

Pout = 55 kWη = 92%cos φ = 0,85VL = 415 V
IL = A
14.Трёхфазная мощностьСложная
P = 300 kWφ1​S1​Q2​QC​

Симметричная трёхфазная нагрузка потребляет 300 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 0,92 (отстающий). Активная мощность не меняется. Конденсаторы соединены треугольником. Найдите ёмкость Cph каждого конденсатора в µF.

P = 300 kWpf1 = 0,8pf2 = 0,92VL = 400 Vf = 50 Hz
Cph = µF
15.ТрансформаторыСредняя
2400 V240 VIHV​ = ?ILV​150 kVA

Однофазный трансформатор 150 kVA, 2400/240 V работает при номинальной нагрузке. Считайте его идеальным. Найдите ток IHV в обмотке высшего напряжения.

S = 150 kVAV1 = 2400 VV2 = 240 V
IHV = A
16.ТрансформаторыСложная
pf 0,85150 kVA, η = 98,5%

Однофазный трансформатор 150 kVA имеет потери в стали 750 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 = 150 kVAPcore = 750 Wpf = 0,85η = 98,5%
Pcu,fl = W

3Растворы

1.Последовательные и параллельные резисторы

Ответ: IR1 = 0,3273 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​ = 6 Ω+−V1​9 VR2​20 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 = 6 + 6 = 12 Ω
R2 ∥ 12 = 20·12/(20+12) = 7,5 Ω
Req = R1 + 7,5 = 20 + 7,5 = 27,5 Ω

Ток источника

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

IR1 = V1/Req = 9/27,5 = 0,3273 A

Ответ

IR1 = 0,3273 A
2.Последовательные и параллельные резисторы

Ответ: Req = 13,44 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​ = 5 ΩR3​ = 25 ΩR5​ = 15 Ω+−V1​9 VR2​12 ΩAR4​4 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 = 15 + 10 = 25 Ω
R4 ∥ 25 = 3,448 Ω
R3 + 3,448 = 28,45 Ω
R2 ∥ 28,45 = 8,44 Ω
Req = R1 + 8,44 = 5 + 8,44 = 13,44 Ω

Ответ

Req = 13,44 Ω
3.Метод узловых потенциалов

Ответ: PIs = 148,9 W

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

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

VA/R2 + (VA − V1)/R1 + (VA − VB)/R3 = 0
VA/12 + (VA − 12)/20 + (VA − VB)/5 = 0
0,3333·VA − 0,2·VB = 0,6

ЗТК в узле B

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

VB/R4 + (VB − VA)/R3 = Is
VB/10 + (VB − VA)/5 = 5
−0,2·VA + 0,3·VB = 5

Решите

Δ = (0,3333)(0,3) − (−0,2)(−0,2) = 0,06
VA = Δ1/Δ = 1,18/0,06 = 19,67 V
VB = Δ2/Δ = 1,787/0,06 = 29,78 V

Мощность, отдаваемая источником тока

Источник направляет ток Iₛ вверх в узел B, от земли (0 V) к VB. Источник, ток которого выходит из его вывода +, отдаёт мощность P = V·I.

PIs = VB·Is = 29,78·5 = 148,9 W

Ответ

PIs = 148,9 W
4.Метод узловых потенциалов

Ответ: VB = 2,286 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 − 10
(VA − V1)/R1 + VA/R2 + VB/R3 = Is

Решите

(VA − 9)/10 + VA/30 + (VA − 10)/3 = 1,5
VA·(1/10 + 1/30 + 1/3) = 1,5 + 9/10 + 10/3 = 5,733
VA = 5,733/0,4667 = 12,29 V
VB = 2,286 V

Ответ

VB = 2,286 V
5.Тевенин и Нортон

Ответ: Vth = 8 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​ = 3 ΩR3​ = 5 ΩКЗR2​12 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 = 3·12/(3+12) = 2,4 Ω
Rth = (R1 ∥ R2) + R3 = 2,4 + 5 = 7,4 Ω
R1​ = 3 ΩR3​ = 5 Ω+−V1​10 VR2​12 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) = 10·12/(3+12) = 8 V
6.Тевенин и Нортон

Ответ: Vth = −12,31 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​ = 3 ΩR3​ = 30 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 + 30 = 32,31 Ω
R1​ = 3 ΩR3​ = 30 Ω+−V1​5 VR2​10 ΩAIs​0,5 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) = 3,846 + (−0,5)·2,308 = 2,692 V
Vth = VB = VA + Is·R3 = 2,692 + (−0,5)·30 = −12,31 V
7.Переходные процессы RC и RL

Ответ: t = 7,564 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 = 47 mH / 10 Ω = 4,7 ms

Выразите время

0,1 = 0,5·e−t/τ → t = τ·ln(0,5/0,1)
t = 4,7·ln(5) = 7,564 ms

Ответ

t = 7,564 ms
8.Переходные процессы RC и RL

Ответ: i = 2,015 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.

Начальное значение, конечное значение, постоянная времени

До t = 0 в контур входят оба резистора; после этого замкнутый ключ шунтирует R₂.

i(0) = 12/(5 + 5) = 1,2 A
i(∞) = 12/5 = 2,4 A
τ = L/R = 22/5 = 4,4 ms
i(t) = 2,4 + (1,2 − 2,4)·e−t/τ

Ток в заданный момент

i(5) = 2,4 + (−1,2)·e−5/4,4 = 2,015 A

Ответ

i = 2,015 A
9.Полное сопротивление и комплексные амплитуды

Ответ: I = 4,112 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

XL = ωL = 2π·200·0,1 = 125,7 Ω

Токи ветвей

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

IR = V/R = 120/30 = 4 A
IX = V/XL = 120/125,7 = 0,9549 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) = √(4² + 0,9549²) = 4,112 A

Ответ

I = 4,112 A
10.Полное сопротивление и комплексные амплитуды

Ответ: VL = 235,7 V

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 реактивные сопротивления компенсируются, поэтому полное сопротивление равно просто R.

ω₀ = 1/√(LC) = 1/√(0,05·0,1·10⁻⁶) = 14142 rad/s
I = V/R = 5/15 = 0,3333 A

Напряжение на катушке

XL = ω₀L = 14142·0,05 = 707,1 Ω
VL = I·XL = 0,3333·707,1 = 235,7 V

Ответ

VL = 235,7 V

Это в Q = 47,14 раз больше напряжения источника.

11.Мощность переменного тока и коэффициент мощности

Ответ: S = 10580 VA

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| = √(4² + 3²) = 5 Ω
I = V/|Z| = 230/5 = 46 A

Полная мощность

S = V·I = 230·46 = 10580 VA

Ответ

S = 10580 VA
12.Мощность переменного тока и коэффициент мощности

Ответ: C = 10,61 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.

Сопряжённое согласование

Реактивное сопротивление нагрузки компенсирует реактивное сопротивление источника, а активное сопротивление нагрузки равно активному сопротивлению источника.

ZL = Zs* = 8 − j15 Ω

Ёмкость

XC = 15 Ω → C = 1/(2π·1000·15) = 10,61 µF

Ответ

C = 10,61 µF
13.Трёхфазная мощность

Ответ: IL = 97,85 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 = 55/0,92 = 59,78 kW

Ток линии

IL = Pin/(√3·VL·cos φ) = 59783/(√3·415·0,85) = 97,85 A

Ответ

IL = 97,85 A
14.Трёхфазная мощность

Ответ: Cph = 644,6 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 0,92) = 300·0,426 = 127,8 kvar

Реактивная мощность конденсаторов

QC = Q1 − Q2 = 97,2 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) = 32400/(314,2·400²) = 644,6 µF

Ответ

Cph = 644,6 µF
15.Трансформаторы

Ответ: IHV = 62,5 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 = 150000/2400 = 62,5 A

Ответ

IHV = 62,5 A
16.Трансформаторы

Ответ: Pcu,fl = 1192 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 = 150·0,85 = 127,5 kW
Pin = 127500/0,985 = 129442 W

Суммарные потери и потери в меди

Ploss = 129442 − 127500 = 1942 W
Pcu,fl = 1942 − 750 = 1192 W

Ответ

Pcu,fl = 1192 W

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