a–b uçlarından görülen Thévenin direnci Rth değerini bulun.
V1 = 24 VR1 = 20 ΩR2 = 2 ΩR3 = 20 Ω
Rth = Ω
6.Thévenin ve NortonZor
a–b uçlarından görülen Thévenin gerilimi Vth değerini bulun.
V1 = 36 VIs = 2,5 AR1 = 15 ΩR2 = 5 ΩR3 = 3 Ω
Vth = V
7.RC ve RL geçici rejimOrta
Anahtar t = 0’da kapanmadan önce bobinden akım geçmez. t = 5 ms anında i akımını bulun.
Vs = 24 VR = 22 ΩL = 68 mHt = 5 ms
i = A
8.RC ve RL geçici rejimZor
Anahtar t = 0’da kapanmadan hemen önce kondansatörde gösterilen polaritede 24 V vardır. t = 500 ms anında kondansatör gerilimi vC değerini bulun.
Vs = 5 VR = 3,3 kΩC = 100 µFvC(0) = 24 Vt = 500 ms
vC = V
9.AC empedans ve fazörlerOrta
Seri bir RLC devresi 24 V (rms), 100 Hz bir kaynağa bağlı. Rms akım I değerini bulun.
V = 24 V (rms)f = 100 HzR = 10 ΩL = 100 mHC = 22 µF
I = A
10.AC empedans ve fazörlerZor
Bir R1 direnci, R2 ile bir C kondansatörünün paralel birleşimine seri bağlıdır ve 24 V (rms), 100 Hz’lik bir kaynağın uçlarına bağlanmıştır. Rms akım I değerini bulun.
V = 24 V (rms)f = 100 HzR1 = 15 ΩR2 = 100 ΩC = 47 µF
I = A
11.AC güç ve güç faktörüOrta
Tek fazlı bir motor, 400 V bir kaynaktan 0,75 geri güç faktöründe 35 kW çekiyor. Çektiği reaktif güç Q değerini bulun.
P = 35 kWpf = 0,75V = 400 V
Q = kvar
12.AC güç ve güç faktörüZor
50 kVA’lık tek fazlı bir transformatör 0,85 geri güç faktöründe 18 kW’lık bir yükü besliyor. Transformatör kVA değerine ulaşmadan önce dirençsel (birim güç faktörlü) yük olarak ne kadar ek aktif güç ΔP eklenebilir?
Smax = 50 kVAP1 = 18 kWpf1 = 0,85
ΔP = kW
13.Üç fazlı güçOrta
Faz başına empedansı 12 + j16 Ω olan dengeli Y bağlı bir yük, fazlar arası gerilimi 208 V olan dengeli üç fazlı bir kaynağa bağlanmıştır. Yükün çektiği toplam aktif güç P değerini kW cinsinden bulun.
VL = 208 VZ = 12 + j16 Ω faz başına
P = kW
14.Üç fazlı güçZor
Dengeli üç fazlı bir yük, 480 V (fazlar arası), 50 Hz bir kaynaktan 0,72 geri güç faktöründe 200 kW çekiyor. Yüke paralel bağlanan üç fazlı bir kondansatör grubu toplam güç faktörünü 0,98 geriye yükseltmelidir. Aktif güç aynı kalır. Kondansatörler Y bağlıdır. Her kondansatörün kapasitansı Cph değerini µF cinsinden bulun.
P = 200 kWpf1 = 0,72pf2 = 0,98VL = 480 Vf = 50 Hz
Cph = µF
15.TransformatörlerOrta
Sarım oranı N₁:N₂ = 10:1 olan ideal bir transformatörün primer sargısına 1200 V uygulanıyor. Sekonder sargının uçlarına 30 Ω’luk bir direnç bağlanmıştır. Primer akım I1 değerini bulun.
N1:N2 = 10:1V1 = 1200 VRL = 30 Ω
I1 = A
16.TransformatörlerZor
Tek fazlı 150 kVA bir transformatörün demir kaybı 900 W, anma yükündeki bakır kaybı 3600 W’tır. Verimi hangi yükte Sη,max, kVA cinsinden, en yüksektir?
S = 150 kVAPcore = 900 WPcu,fl = 3600 W
Sη,max = kVA
3Çözeltiler
1.Seri ve paralel dirençler
Cevap: Req = 10,45 Ω
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 = 10 + 2 = 12 Ω
R2 ∥ 12 = 10·12/(10+12) = 5,455 Ω
Req = R1 + 5,455 = 5 + 5,455 = 10,45 Ω
Cevap
Req = 10,45 Ω
2.Seri ve paralel dirençler
Cevap: IR1 = 1,024 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 = 8 + 5 = 13 Ω
R4 ∥ 13 = 5,652 Ω
R3 + 5,652 = 20,65 Ω
R2 ∥ 20,65 = 4,649 Ω
Req = R1 + 4,649 = 10 + 4,649 = 14,65 Ω
Kaynaktan çekilen akım
Kaynak yalnızca Req’yi görür; Ohm yasası verdiği akımı bulur. Bu akım R₁’den geçer.
IR1 = V1/Req = 15/14,65 = 1,024 A
Cevap
IR1 = 1,024 A
3.Düğüm analizi
Cevap: PIs = 123,3 W
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
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)/8 + (VA − VB)/20 = 0
0,3417·VA − 0,05·VB = 1,125
B düğümünde KAY
B düğümünden dirençler üzerinden çıkan akımlar, kaynakların B düğümüne verdiği akıma eşittir.
VB/R4 + (VB − VA)/R3 = Is
VB/6 + (VB − VA)/20 = 5
−0,05·VA + 0,2167·VB = 5
Çözün
Δ = (0,3417)(0,2167) − (−0,05)(−0,05) = 0,07153
VA = Δ1/Δ = 0,4938/0,07153 = 6,903 V
VB = Δ2/Δ = 1,765/0,07153 = 24,67 V
Akım kaynağının verdiği güç
Kaynak Iₛ’yi topraktan (0 V) VB’e, yukarı doğru B düğümüne iter. Akımı + ucundan çıkan bir kaynak P = V·I güç verir.
PIs = VB·Is = 24,67·5 = 123,3 W
Cevap
PIs = 123,3 W
4.Düğüm analizi
Cevap: Is = 3,117 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
(9,5 − 5)/6 + 9,5/6 = (VB − 9,5)/6
2,333 = (VB − 9,5)/6 → VB = 23,5 V
B düğümünde KAY
Dirençler üzerinden B’den çıkan akımlar, kaynakların B’ye ittiği akıma eşittir.
Is = (VB − VA)/R3 + VB/R4 = (23,5 − 9,5)/6 + 23,5/30 = 3,117 A
Cevap
Is = 3,117 A
5.Thévenin ve Norton
Cevap: Rth = 21,82 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 = 20·2/(20+2) = 1,818 Ω
Rth = (R1 ∥ R2) + R3 = 1,818 + 20 = 21,82 Ω
6.Thévenin ve Norton
Cevap: Vth = 25,88 V
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 = 15·5/(15+5) = 3,75 Ω
Rth = (R1 ∥ R2) + R3 = 3,75 + 3 = 6,75 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) = 9 + 2,5·3,75 = 18,38 V
Vth = VB = VA + Is·R3 = 18,38 + 2,5·3 = 25,88 V
7.RC ve RL geçici rejim
Cevap: i = 0,8745 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.
Zaman sabiti ve son akım
Anahtar kapandıktan uzun süre sonra bobin kısa devre gibi davranır; bu yüzden son akımı yalnızca R belirler.
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
Kondansatör gerilimi sıçrayamaz; bu yüzden depolanan değerden başlar ve kaynak gerilimine yönelir.
vC(0) = 24 V, vC(∞) = Vs = 5 V
τ = R·C = 3,3 kΩ · 100 µF = 330 ms
vC(t) = 5 + (24 − 5)·e−t/τ
Verilen andaki gerilim
vC(500) = 5 + (19)·e−500/330 = 9,176 V
Cevap
vC = 9,176 V
9.AC empedans ve fazörler
Cevap: I = 1,739 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·100 = 628,3 rad/s
XL = ωL = 628,3·0,1 = 62,83 Ω
XC = 1/(ωC) = 1/(628,3·22·10⁻⁶) = 72,34 Ω
Empedans
Seride empedanslar karmaşık sayılar olarak toplanır: Z = R + j(XL − XC).
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.
Reaktans
XC = 1/(2π·100·47·10⁻⁶) = 33,86 Ω
Paralel birleşim
Zp’yi reel ve sanal kısımlara ayırmak için pay ve paydayı karmaşık eşlenikle çarpın.
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.
Açı
φ = arccos(0,75) = 41,41°, tan φ = 0,8819
Reaktif güç
Q = P·tan φ = 35·0,8819 = 30,87 kvar
Cevap
Q = 30,87 kvar
12.AC güç ve güç faktörü
Cevap: ΔP = 30,74 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 = 18·tan(arccos 0,85) = 11,16 kvar
En büyük toplam aktif güç
Tam değerde S = Smax’tır ve Q dirençsel yükle değişmez.
P = √(Smax² − Q1²) = √(50² − 11,16²) = 48,74 kW
Ek aktif güç
ΔP = 48,74 − 18 = 30,74 kW
Cevap
ΔP = 30,74 kW
13.Üç fazlı güç
Cevap: P = 1,298 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.
Faz gerilimi
Vph = 208/√3 = 120,1 V
Faz akımı
|Z| = √(12² + 16²) = 20 Ω
Iph = 120,1/20 = 6,004 A
Toplam aktif güç
Her empedansın yalnızca dirençli kısmı aktif güç harcar.
P = 3·Iph²·R = 3·6,004²·12 = 1,298 kW
Cevap
P = 1,298 kW
Kontrol: cos φ = R/|Z| = 0,6 ve √3·VL·IL·cos φ aynı gücü verir.
14.Üç fazlı güç
Cevap: Cph = 2102 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 = 200·tan(acos 0,72) = 200·0,9639 = 192,8 kvar
Q2 = 200·tan(acos 0,98) = 200·0,2031 = 40,61 kvar
Kondansatörlerin sağladığı reaktif güç
QC = Q1 − Q2 = 152,2 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.
Sekonder gerilim ve akım
V2 = 1200/10 = 120 V
I2 = 120/30 = 4 A
Primer akım
İdeal bir transformatörün kaybı yoktur: V₁·I₁ = V₂·I₂.
I1 = I2/10 = 0,4 A
Cevap
I1 = 0,4 A
Kontrol: primerden görülen yük a²·RL = 3000 Ω’dur ve 1200/3000 aynı akımı verir.
16.Transformatörler
Cevap: Sη,max = 75 kVA
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.