Düğüm analizi kullanarak VA düğüm gerilimini (topraktan ölçülen) bulun.
V1 = 9 VIs = 1 AR1 = 20 ΩR2 = 6 ΩR3 = 2 ΩR4 = 5 Ω
VA = V
4.Düğüm analiziZor
Akım kaynağı, A’daki düğüm gerilimi VA = 18,5 V olana kadar ayarlanıyor. Düğüm analizi kullanarak kaynak akımı Is değerini (yönü şekildeki gibi) bulun.
a–b uçlarından görülen Thévenin direnci Rth değerini bulun.
V1 = 9 VR1 = 2 ΩR2 = 2 ΩR3 = 6 Ω
Rth = Ω
6.Thévenin ve NortonZor
Norton akımı IN değerini bulun: uçlar kısa devre edilirse a’dan b’ye akan akım.
V1 = 5 VIs = 4 AR1 = 2 ΩR2 = 10 ΩR3 = 3 Ω
IN = A
7.RC ve RL geçici rejimOrta
Anahtar t = 0’da kapanmadan önce bobinden akım geçmez. Anahtar kapandıktan ne kadar sonra akım son değerinin %95’ine ulaşır? t değerini bulun.
Vs = 24 VR = 20 ΩL = 68 mH
t = ms
8.RC ve RL geçici rejimZor
R2 üzerindeki anahtar uzun süredir açıktır, bu yüzden bobin akımı sabittir. t = 0’da anahtar kapanır ve R2 direncini kısa devre eder. t = 5 ms anında bobin akımı i değerini bulun.
Vs = 9 VR1 = 10 ΩR2 = 33 ΩL = 68 mHt = 5 ms
i = A
9.AC empedans ve fazörlerOrta
C = 47 µF olan seri bir RLC devresi 100 Hz’de rezonansa girmelidir. Gereken endüktans L değerini bulun.
f0 = 100 HzC = 47 µF
L = mH
10.AC empedans ve fazörlerZor
Seri bir RLC devresi 120 V (rms), 500 Hz bir kaynağa bağlı. Devrenin rezonans frekansı f0 değerini bulun.
V = 120 V (rms)f = 500 HzR = 25 ΩL = 150 mHC = 22 µF
f0 = Hz
11.AC güç ve güç faktörüOrta
Tek fazlı bir motor, 240 V bir kaynaktan 0,8 geri güç faktöründe 35 kW çekiyor. Hat akımı I değerini bulun.
P = 35 kWpf = 0,8V = 240 V
I = A
12.AC güç ve güç faktörüZor
50 V (rms), 50 Hz’lik bir kaynağın iç empedansı Zs = 10 + j10 Ω’dur. Yük empedansı ZL serbestçe seçilebilir. En büyük güç için yük, bir kondansatöre seri bağlı bir dirençten oluşturuluyor. Kapasite C değerini bulun.
Vs = 50 V (rms)f = 50 HzZs = 10 + j10 Ω
C = µF
13.Üç fazlı güçOrta
Üç fazlı bir asenkron motor tam yükte 22 kW mekanik çıkış gücü veriyor. Bu yükte verimi %93 ve güç faktörü 0,85 geri. Kaynağın fazlar arası gerilimi 690 V. Hat akımı IL değerini bulun.
Pout = 22 kWη = 93%cos φ = 0,85VL = 690 V
IL = A
14.Üç fazlı güçZor
Dengeli üç fazlı bir yük, 480 V (fazlar arası), 60 Hz bir kaynaktan 0,72 geri güç faktöründe 250 kW çekiyor. Yüke paralel bağlanan üç fazlı bir kondansatör grubu toplam güç faktörünü 0,9 geriye yükseltmelidir. Aktif güç aynı kalır. Kondansatörler Y bağlıdır. Her kondansatörün kapasitansı Cph değerini µF cinsinden bulun.
P = 250 kWpf1 = 0,72pf2 = 0,9VL = 480 Vf = 60 Hz
Cph = µF
15.TransformatörlerOrta
Çıkış direnci 256 Ω olan bir yükselteç, ideal bir transformatör üzerinden 16 Ω’luk bir hoparlörü sürüyor. En büyük güç aktarımı için hoparlör yükseltece 256 Ω olarak görünmelidir. Sarım oranı a = N₁/N₂ değerini bulun.
Rs = 256 ΩRL = 16 Ω
a =
16.TransformatörlerZor
Tek fazlı 500 kVA bir transformatörün demir kaybı 4000 W, anma yükündeki bakır kaybı 16000 W’tır. Transformatör anma kVA değerinin %25 kadarını 0,8 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 = 2 + 6 = 8 Ω
R2 ∥ 8 = 2·8/(2+8) = 1,6 Ω
Req = R1 + 1,6 = 3 + 1,6 = 4,6 Ω
Kaynaktan çekilen akım
Kaynak yalnızca Req’yi görür; Ohm yasası verdiği akımı bulur. Bu akım R₁’den geçer.
IR1 = V1/Req = 12/4,6 = 2,609 A
Cevap
IR1 = 2,609 A
2.Seri ve paralel dirençler
Cevap: IR1 = 1,111 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 = 20 + 3 = 23 Ω
R4 ∥ 23 = 6,97 Ω
R3 + 6,97 = 11,97 Ω
R2 ∥ 11,97 = 2,399 Ω
Req = R1 + 2,399 = 30 + 2,399 = 32,4 Ω
Kaynaktan çekilen akım
Kaynak yalnızca Req’yi görür; Ohm yasası verdiği akımı bulur. Bu akım R₁’den geçer.
IR1 = V1/Req = 36/32,4 = 1,111 A
Cevap
IR1 = 1,111 A
3.Düğüm analizi
Cevap: VA = 3,238 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.
Düğümleri belirleyin
Toprak alttaki teldir. Bilinen düğüm gerilimleri doğrudan kaynaklardan gelir (V1 = 9 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/6 + (VA − 9)/20 + (VA − VB)/2 = 0
0,7167·VA − 0,5·VB = 0,45
B düğümünde KAY
B düğümünden dirençler üzerinden çıkan akımlar, kaynakların B düğümüne verdiği akıma eşittir.
VB/R4 + (VB − VA)/R3 = Is
VB/5 + (VB − VA)/2 = 1
−0,5·VA + 0,7·VB = 1
Çözün
Δ = (0,7167)(0,7) − (−0,5)(−0,5) = 0,2517
VA = Δ1/Δ = 0,815/0,2517 = 3,238 V
VB = Δ2/Δ = 0,9417/0,2517 = 3,742 V
Cevap
VA = 3,238 V
4.Düğüm analizi
Cevap: Is = 3,767 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.
A düğümünde KAY
VA bilindiği için bu denklem VB’yi verir.
(VA − V1)/R1 + VA/R2 + (VA − VB)/R3 = 0
(18,5 − 18)/2 + 18,5/15 = (VB − 18,5)/6
1,483 = (VB − 18,5)/6 → VB = 27,4 V
B düğümünde KAY
Dirençler üzerinden B’den çıkan akımlar, kaynakların B’ye ittiği akıma eşittir.
Is = (VB − VA)/R3 + VB/R4 = (27,4 − 18,5)/6 + 27,4/12 = 3,767 A
Cevap
Is = 3,767 A
5.Thévenin ve Norton
Cevap: Rth = 7 Ω
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 = 2·2/(2+2) = 1 Ω
Rth = (R1 ∥ R2) + R3 = 1 + 6 = 7 Ω
6.Thévenin ve Norton
Cevap: IN = −3,107 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 = 2·10/(2+10) = 1,667 Ω
Rth = (R1 ∥ R2) + R3 = 1,667 + 3 = 4,667 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) = 4,167 + (−4)·1,667 = −2,5 V
Vth = VB = VA + Is·R3 = −2,5 + (−4)·3 = −14,5 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 = −14,5/4,667 = −3,107 A
7.RC ve RL geçici rejim
Cevap: t = 10,19 ms
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.
Zaman sabiti ve son akım
Anahtar kapandıktan uzun süre sonra bobin kısa devre gibi davranır; bu yüzden son akımı yalnızca R belirler.
τ = L/R = 68 mH / 20 Ω = 3,4 ms
i(∞) = Vs/R = 24/20 = 1,2 A
Zaman için çözün
0,95 = 1 − e−t/τ → t = −τ·ln(1 − 0,95)
t = −3,4·ln(0,05) = 10,19 ms
Cevap
t = 10,19 ms
8.RC ve RL geçici rejim
Cevap: i = 0,5689 A
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.
Başlangıç değeri, son değer, zaman sabiti
t = 0’dan önce iki direnç de devrededir; sonra kapalı anahtar R₂’yi devre dışı bırakır.
i(0) = 9/(10 + 33) = 0,2093 A
i(∞) = 9/10 = 0,9 A
τ = L/R = 68/10 = 6,8 ms
i(t) = 0,9 + (0,2093 − 0,9)·e−t/τ
Verilen andaki akım
i(5) = 0,9 + (−0,6907)·e−5/6,8 = 0,5689 A
Cevap
i = 0,5689 A
9.AC empedans ve fazörler
Cevap: L = 53,89 mH
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.
Rezonans koşulu
Rezonansta endüktif ve kapasitif reaktanslar birbirini götürür: ωL = 1/(ωC).
ω₀ = 2π·100 = 628,3 rad/s
L = 1/(ω₀²·C) = 1/(628,3²·47·10⁻⁶) = 53,89 mH
Cevap
L = 53,89 mH
10.AC empedans ve fazörler
Cevap: f0 = 87,61 Hz
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.
Rezonans
Rezonansta endüktif ve kapasitif reaktanslar birbirini götürür: ωL = 1/(ωC). Kaynak frekansı önemli değildir.
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) = 35000/(240·0,8) = 182,3 A
Cevap
I = 182,3 A
12.AC güç ve güç faktörü
Cevap: C = 318,3 µF
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.
Eşlenik uyum
Yük reaktansı kaynak reaktansını götürür ve yük direnci kaynak direncine eşittir.
ZL = Zs* = 10 − j10 Ω
Kapasitans
XC = 10 Ω → C = 1/(2π·50·10) = 318,3 µF
Cevap
C = 318,3 µF
13.Üç fazlı güç
Cevap: IL = 23,29 A
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.
Elektriksel giriş gücü
Pin = Pout/η = 22/0,93 = 23,66 kW
Hat akımı
IL = Pin/(√3·VL·cos φ) = 23656/(√3·690·0,85) = 23,29 A
Cevap
IL = 23,29 A
14.Üç fazlı güç
Cevap: Cph = 1380 µF
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 = 250·tan(acos 0,72) = 250·0,9639 = 241 kvar
Q2 = 250·tan(acos 0,9) = 250·0,4843 = 121,1 kvar
Kondansatörlerin sağladığı reaktif güç
QC = Q1 − Q2 = 119,9 kvar
Faz başına kapasitans
Y grupta her kondansatör bir hat ile yıldız noktası arasına bağlıdır.
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.
Aktarılmış yükü eşleyin
a²·16 = 256
a = √(256/16) = √16 = 4
Cevap
a = 4
16.Transformatörler
Cevap: Ploss = 5000 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.