Düğüm analizi kullanarak ok yönünde R3 üzerinden geçen IR3 akımını bulun.
V1 = 15 VIs = 4 AR1 = 5 ΩR2 = 2 ΩR3 = 2 ΩR4 = 8 Ω
IR3 = A
4.Düğüm analiziZor
A ile B arasındaki Vₛ gerilim kaynağının + ucu B’dedir, bu yüzden VB − VA = Vₛ yapar. Süper düğümlü düğüm analizi kullanarak VA düğüm gerilimini (topraktan ölçülen) bulun.
Norton akımı IN değerini bulun: uçlar kısa devre edilirse a’dan b’ye akan akım.
V1 = 6 VR1 = 12 ΩR2 = 10 ΩR3 = 8 Ω
IN = A
6.Thévenin ve NortonZor
Norton akımı IN değerini bulun: uçlar kısa devre edilirse a’dan b’ye akan akım.
V1 = 12 VIs = 2,5 AR1 = 12 ΩR2 = 12 ΩR3 = 3 Ω
IN = A
7.RC ve RL geçici rejimOrta
Vₛ kaynağı kondansatörü R₁ üzerinden doldurur ve R₂, C’ye paralel bağlıdır. Anahtar t = 0’da kapandığında kondansatör boştur. t = 100 ms anında kondansatör gerilimi vC değerini bulun.
Vs = 12 VR1 = 2,2 kΩR2 = 1 kΩC = 220 µFt = 100 ms
vC = V
8.RC ve RL geçici rejimZor
Bir zamanlayıcı, t = 0’da 15 V’luk bir kaynaktan bir direnç üzerinden yüksüz bir kondansatörü doldurmaya başlıyor. Kondansatör gerilimi 9 V’a ulaştığında, başlangıçtan tam 25 ms sonra tetiklemelidir. C = 100 µF ile gereken direnç R değerini bulun.
Vs = 15 VVth = 9 VT = 25 msC = 100 µF
R = kΩ
9.AC empedans ve fazörlerOrta
Seri bir RLC devresi 50 V (rms), 200 Hz bir kaynağa bağlı. Kaynaktan çekilen aktif güç P değerini bulun.
V = 50 V (rms)f = 200 HzR = 60 ΩL = 200 mHC = 2,2 µF
P = W
10.AC empedans ve fazörlerZor
Seri bir RLC devresi 24 V (rms), 50 Hz bir kaynağa bağlı. Rms akım I değerini bulun.
V = 24 V (rms)f = 50 HzR = 40 ΩL = 250 mHC = 4,7 µF
I = A
11.AC güç ve güç faktörüOrta
Tek fazlı bir motor, 230 V bir kaynaktan 0,65 geri güç faktöründe 33 kW çekiyor. Hat akımı I değerini bulun.
P = 33 kWpf = 0,65V = 230 V
I = A
12.AC güç ve güç faktörüZor
100 kVA’lık tek fazlı bir transformatör 0,75 geri güç faktöründe 44 kW’lık bir yükü besliyor. Transformatör kVA değerine ulaşmadan önce dirençsel (birim güç faktörlü) yük olarak ne kadar ek aktif güç ΔP eklenebilir?
Smax = 100 kVAP1 = 44 kWpf1 = 0,75
ΔP = kW
13.Üç fazlı güçOrta
Dengeli üç fazlı bir yük, fazlar arası gerilimi 400 V olan bir kaynaktan 150 A hat akımı çekiyor. Güç faktörü 0,88 geri. Yükün çektiği toplam aktif güç P değerini kW cinsinden bulun.
VL = 400 VIL = 150 Acos φ = 0,88
P = kW
14.Üç fazlı güçZor
Dengeli üç fazlı bir yük, 480 V (fazlar arası), 60 Hz bir kaynaktan 0,7 geri güç faktöründe 300 kW çekiyor. Yüke paralel bağlanan üç fazlı bir kondansatör grubu toplam güç faktörünü 0,95 geriye yükseltmelidir. Aktif güç aynı kalır. Kondansatör grubunun sağlaması gereken toplam reaktif güç QC değerini kvar cinsinden bulun.
P = 300 kWpf1 = 0,7pf2 = 0,95VL = 480 Vf = 60 Hz
QC = kvar
15.TransformatörlerOrta
Tek fazlı 15 kVA, 11000/400 V bir transformatör anma yükünde çalışıyor. İdeal kabul edin. Yüksek gerilim sargısındaki akım IHV değerini bulun.
S = 15 kVAV1 = 11000 VV2 = 400 V
IHV = A
16.TransformatörlerZor
Tek fazlı 100 kVA bir transformatörün demir kaybı 300 W, anma yükündeki bakır kaybı 600 W’tır. Transformatör anma kVA değerinin %25 kadarını 0,95 geri güç faktöründe besliyor. Bu yükteki toplam kayıplar Ploss değerini watt cinsinden bulun.
Seri ve paralel dirençler: seride her dirençten aynı akım geçer ve R = R₁ + R₂ + …. Paralelde her direncin gerilimi aynıdır ve 1/R = 1/R₁ + 1/R₂ + …. Merdiven ağı, tek bir eşdeğer direnç kalana kadar çift çift indirgenir.
Dirençleri en uzak uçtan birleştirin
Kaynağa en uzak uçtan başlayıp ona doğru geri gelin. Aynı akımı taşıyan dirençler seri; aynı iki düğüm arasındaki dirençler paraleldir.
R3 + R4 = 6 + 4 = 10 Ω
R2 ∥ 10 = 3·10/(3+10) = 2,308 Ω
Req = R1 + 2,308 = 5 + 2,308 = 7,308 Ω
Cevap
Req = 7,308 Ω
2.Seri ve paralel dirençler
Cevap: IR1 = 1,644 A
Seri ve paralel dirençler: seride her dirençten aynı akım geçer ve R = R₁ + R₂ + …. Paralelde her direncin gerilimi aynıdır ve 1/R = 1/R₁ + 1/R₂ + …. Merdiven ağı, tek bir eşdeğer direnç kalana kadar çift çift indirgenir.
Dirençleri en uzak uçtan birleştirin
Kaynağa en uzak uçtan başlayıp ona doğru geri gelin. Aynı akımı taşıyan dirençler seri; aynı iki düğüm arasındaki dirençler paraleldir.
R5 + R6 = 4 + 20 = 24 Ω
R4 ∥ 24 = 4,8 Ω
R3 + 4,8 = 34,8 Ω
R2 ∥ 34,8 = 1,891 Ω
Req = R1 + 1,891 = 20 + 1,891 = 21,89 Ω
Kaynaktan çekilen akım
Kaynak yalnızca Req’yi görür; Ohm yasası verdiği akımı bulur. Bu akım R₁’den geçer.
IR1 = V1/Req = 36/21,89 = 1,644 A
Cevap
IR1 = 1,644 A
3.Düğüm analizi
Cevap: IR3 = −2,425 A
Düğüm analizi: bir referans düğüm seçin, bilinmeyen düğüm gerilimlerini adlandırın, Ohm yasasını (I = ΔV/R) kullanarak her bilinmeyen düğümde Kirchhoff akım yasasını yazın ve denklemleri çözün.
Düğümleri belirleyin
Toprak alttaki teldir. Bilinen düğüm gerilimleri doğrudan kaynaklardan gelir (V1 = 15 V). Bilinmeyenler: VA, VB.
A düğümünde KAY
A düğümünden dirençler üzerinden çıkan akımlar, kaynakların A düğümüne verdiği akıma eşittir.
VA/R2 + (VA − V1)/R1 + (VA − VB)/R3 = 0
VA/2 + (VA − 15)/5 + (VA − VB)/2 = 0
1,2·VA − 0,5·VB = 3
B düğümünde KAY
B düğümünden dirençler üzerinden çıkan akımlar, kaynakların B düğümüne verdiği akıma eşittir.
VB/R4 + (VB − VA)/R3 = Is
VB/8 + (VB − VA)/2 = 4
−0,5·VA + 0,625·VB = 4
Çözün
Δ = (1,2)(0,625) − (−0,5)(−0,5) = 0,5
VA = Δ1/Δ = 3,875/0,5 = 7,75 V
VB = Δ2/Δ = 6,3/0,5 = 12,6 V
Cevap
IR3 = (VA − VB)/R3 = (7,75 − 12,6)/2 = −2,425 A
4.Düğüm analizi
Cevap: VA = 3,6 V
Düğüm analizi: bir referans düğüm seçin, bilinmeyen düğüm gerilimlerini adlandırın, Ohm yasasını (I = ΔV/R) kullanarak her bilinmeyen düğümde Kirchhoff akım yasasını yazın ve denklemleri çözün.
Süper düğüm oluşturun
A ile B arasındaki gerilim kaynağı bilinmeyen bir akım taşır, bu yüzden A veya B için ayrı ayrı KAY yazılamaz. A, B ve kaynağı tek bir süper düğüm içine alın: ona giren akım çıkan akıma eşittir.
VB = VA + 8
(VA − V1)/R1 + VA/R2 + VB/R3 = Is
Çözün
(VA − 15)/15 + VA/6 + (VA + 8)/10 = 1
VA·(1/15 + 1/6 + 1/10) = 1 + 15/15 − 8/10 = 1,2
VA = 1,2/0,3333 = 3,6 V
VB = 11,6 V
Cevap
VA = 3,6 V
5.Thévenin ve Norton
Cevap: IN = 0,2027 A
Thévenin teoremi: her doğrusal iki uçlu ağ, Rth direncine seri tek bir Vth gerilim kaynağı gibi davranır. Norton teoremi aynı ağı Rth ile paralel IN = Vth/Rth akım kaynağı olarak verir.
Tüm kaynaklar kapalıyken Rth’yi bulun
Gerilim kaynaklarını kısa devre, akım kaynaklarını açık devreyle değiştirin, sonra devreye a–b’den bakın.
R1 ∥ R2 = 12·10/(12+10) = 5,455 Ω
Rth = (R1 ∥ R2) + R3 = 5,455 + 8 = 13,45 Ω
Açık devre gerilimi Vth’yi bulun
a–b açıkken R₃’ten akım geçmez, bu yüzden üzerinde düşüm yoktur ve V_b = V_A olur. R₁ ve R₂ bir gerilim bölücü oluşturur.
Vth = V1·R2/(R1+R2) = 6·10/(12+10) = 2,727 V
Norton eşdeğeri
Norton kaynağı, aynı devrenin R_th ile paralel bir akım kaynağı olarak görünümüdür. Akımı, a–b’deki kısa devre akımıdır.
IN = Vth/Rth = 2,727/13,45 = 0,2027 A
6.Thévenin ve Norton
Cevap: IN = 3,167 A
Thévenin teoremi: her doğrusal iki uçlu ağ, Rth direncine seri tek bir Vth gerilim kaynağı gibi davranır. Norton teoremi aynı ağı Rth ile paralel IN = Vth/Rth akım kaynağı olarak verir.
Tüm kaynaklar kapalıyken Rth’yi bulun
Gerilim kaynaklarını kısa devre, akım kaynaklarını açık devreyle değiştirin, sonra devreye a–b’den bakın.
R1 ∥ R2 = 12·12/(12+12) = 6 Ω
Rth = (R1 ∥ R2) + R3 = 6 + 3 = 9 Ω
Açık devre gerilimi Vth’yi bulun
a–b açıkken Iₛ’nin tek yolu R₃ üzerinden A düğümüne gitmektir. V_A’yı V₁ ve Iₛ’nin süperpozisyonuyla bulun, sonra R₃ üzerindeki düşümü ekleyin.
VA = V1·R2/(R1+R2) + Is·(R1∥R2) = 6 + 2,5·6 = 21 V
Vth = VB = VA + Is·R3 = 21 + 2,5·3 = 28,5 V
Norton eşdeğeri
Norton kaynağı, aynı devrenin R_th ile paralel bir akım kaynağı olarak görünümüdür. Akımı, a–b’deki kısa devre akımıdır.
IN = Vth/Rth = 28,5/9 = 3,167 A
7.RC ve RL geçici rejim
Cevap: vC = 1,814 V
Birinci derece geçici rejim: tek kondansatörlü veya tek bobinli bir devrede her gerilim ve akım başlangıç değerinden son değerine üstel olarak gider: x(t) = x(∞) + [x(0) − x(∞)]·e−t/τ, τ = RC veya τ = L/R ile. Yaklaşık 5τ sonra devre oturur.
Kondansatörün gördüğü Thévenin eşdeğeri
Rth’yi bulmak için kaynağı kısa devre edin; kondansatörün yerleşeceği gerilimi bulmak için kondansatörü açık devre yapın.
Rth = R1 ∥ R2 = 2,2·1/(2,2 + 1) = 0,6875 kΩ
vC(∞) = 12·1/(2,2 + 1) = 3,75 V
Zaman sabiti
τ = Rth·C = 0,6875·220 = 151,3 ms
Şarj eğrisi
vC(t) = 3,75·(1 − e−100/151,3) = 1,814 V
Cevap
vC = 1,814 V
8.RC ve RL geçici rejim
Cevap: R = 0,2728 kΩ
Birinci derece geçici rejim: tek kondansatörlü veya tek bobinli bir devrede her gerilim ve akım başlangıç değerinden son değerine üstel olarak gider: x(t) = x(∞) + [x(0) − x(∞)]·e−t/τ, τ = RC veya τ = L/R ile. Yaklaşık 5τ sonra devre oturur.
Gerekli zaman sabiti
9 = 15·(1 − e−25/τ) → τ = 25/ln(15/(15 − 9))
τ = 25/0,9163 = 27,28 ms
Direnç
kΩ çarpı µF milisaniye verir.
R = τ/C = 27,28/100 = 0,2728 kΩ
Cevap
R = 0,2728 kΩ
9.AC empedans ve fazörler
Cevap: P = 9,502 W
Fazörlerle AC devreleri: direnç, bobin ve kondansatörün empedansları R, jωL ve 1/(jωC)’dir; ω = 2πf. Seride empedanslar dirençler gibi, ancak karmaşık sayı olarak toplanır. Rms akım ve gerilim |Z| ile Ohm yasasına uyar.
Reaktanslar
XL = 251,3 Ω, XC = 361,7 Ω
Empedans
|Z| = √(60² + (−110,4)²) = 125,6 Ω
Aktif güç
Bobinler ve kondansatörler yalnızca enerji depolar ve geri verir; aktif gücün tamamını direnç harcar.
I = 50/125,6 = 0,398 A
P = I²·R = 0,398²·60 = 9,502 W
Cevap
P = 9,502 W
10.AC empedans ve fazörler
Cevap: I = 0,04 A
Fazörlerle AC devreleri: direnç, bobin ve kondansatörün empedansları R, jωL ve 1/(jωC)’dir; ω = 2πf. Seride empedanslar dirençler gibi, ancak karmaşık sayı olarak toplanır. Rms akım ve gerilim |Z| ile Ohm yasasına uyar.
Reaktanslar
ω = 2πf = 2π·50 = 314,2 rad/s
XL = ωL = 314,2·0,25 = 78,54 Ω
XC = 1/(ωC) = 1/(314,2·4,7·10⁻⁶) = 677,3 Ω
Empedans
Seride empedanslar karmaşık sayılar olarak toplanır: Z = R + j(XL − XC).
AC güç: görünür güç S = V·I (VA), faydalı iş yapan aktif güç P = S·cos φ (W) ile kaynak ve yük arasında gidip gelen reaktif güç Q = S·sin φ (var) olarak ayrılır. Güç faktörü cos φ’dir. Paralel bir kondansatör reaktif gücü yerinde sağlar, böylece aynı aktif güç için hat akımı düşer.
Hat akımı
Gücün yalnızca aktif kısmı iş yapar, bu yüzden güç faktörüne bölün.
I = P/(V·cos φ) = 33000/(230·0,65) = 220,7 A
Cevap
I = 220,7 A
12.AC güç ve güç faktörü
Cevap: ΔP = 48,16 kW
AC güç: görünür güç S = V·I (VA), faydalı iş yapan aktif güç P = S·cos φ (W) ile kaynak ve yük arasında gidip gelen reaktif güç Q = S·sin φ (var) olarak ayrılır. Güç faktörü cos φ’dir. Paralel bir kondansatör reaktif gücü yerinde sağlar, böylece aynı aktif güç için hat akımı düşer.
Mevcut yükün reaktif gücü
Q1 = 44·tan(arccos 0,75) = 38,8 kvar
En büyük toplam aktif güç
Tam değerde S = Smax’tır ve Q dirençsel yükle değişmez.
P = √(Smax² − Q1²) = √(100² − 38,8²) = 92,16 kW
Ek aktif güç
ΔP = 92,16 − 44 = 48,16 kW
Cevap
ΔP = 48,16 kW
13.Üç fazlı güç
Cevap: P = 91,45 kW
Dengeli üç fazlı sistemler: Y (yıldız) bağlantıda fazlar arası gerilim faz geriliminin √3 katıdır, VL = √3·Vph, ve hat akımı faz akımına eşittir. Δ (üçgen) bağlantıda fazlar arası gerilim faz gerilimine eşittir ve hat akımı faz akımının √3 katıdır, IL = √3·Iph. Toplam güç bir fazın gücünün üç katıdır: P = 3·Vph·Iph·cos φ = √3·VL·IL·cos φ.
Görünür güç
S = √3·VL·IL = √3·400·150 = 103,9 kVA
Aktif güç
P = S·cos φ = 103,9·0,88 = 91,45 kW
Cevap
P = 91,45 kW
14.Üç fazlı güç
Cevap: QC = 207,5 kvar
Dengeli üç fazlı sistemler: Y (yıldız) bağlantıda fazlar arası gerilim faz geriliminin √3 katıdır, VL = √3·Vph, ve hat akımı faz akımına eşittir. Δ (üçgen) bağlantıda fazlar arası gerilim faz gerilimine eşittir ve hat akımı faz akımının √3 katıdır, IL = √3·Iph. Toplam güç bir fazın gücünün üç katıdır: P = 3·Vph·Iph·cos φ = √3·VL·IL·cos φ. Güç faktörü düzeltme: kondansatörler reaktif gücü yerinde sağlar, QC = P·(tan φ1 − tan φ2). Üç kondansatörün her biri QC/3 = V²·ω·C sağlar; burada V o kondansatör üzerindeki gerilimdir: Δ grupta VL, Y grupta VL/√3.
Önce ve sonra reaktif güç
Aktif güç değişmediği için her güç faktörü reaktif gücü belirler: Q = P·tan φ.
Q1 = 300·tan(acos 0,7) = 300·1,02 = 306,1 kvar
Q2 = 300·tan(acos 0,95) = 300·0,3287 = 98,61 kvar
Kondansatörlerin sağladığı reaktif güç
QC = Q1 − Q2 = 207,5 kvar
Cevap
QC = 207,5 kvar
15.Transformatörler
Cevap: IHV = 1,364 A
İdeal transformatör: gerilimler sarım sayılarının oranında, akımlar ters oranda bulunur: V₁/V₂ = N₁/N₂ = a ve I₁/I₂ = N₂/N₁ = 1/a; böylece giriş gücü çıkış gücüne eşittir, V₁·I₁ = V₂·I₂. Sekonderdeki bir Z yük empedansı primerden a²·Z olarak görünür.
Anma akımı
İki sargı da aynı görünür gücü taşır.
IHV = S/V = 15000/11000 = 1,364 A
Cevap
IHV = 1,364 A
16.Transformatörler
Cevap: Ploss = 337,5 W
Transformatör kayıpları: demir kaybı (histerezis ve girdap akımları) gerilime bağlıdır ve her yükte aynıdır. Sargılardaki bakır kaybı akımın karesiyle değişir; bu yüzden anma yükünün x kesrinde x²·Pcu,fl olur. Verim η = Pout/(Pout + Pcore + Pcu), burada Pout = x·S·pf. Verim, bakır kaybının demir kaybına eşit olduğu yükte en yüksektir.