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).
Найдите напряжение Тевенина Vth со стороны зажимов a–b.
V1 = 10 VR1 = 3 ΩR2 = 12 ΩR3 = 5 Ω
Vth = V
6.Тевенин и НортонСложная
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
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
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
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
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
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
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
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
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
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
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.
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.
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.
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 = 3·12/(3+12) = 2,4 Ω
Rth = (R1 ∥ R2) + R3 = 2,4 + 5 = 7,4 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) = 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.
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
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.
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.