Şekildeki gibi A düğümü ile toprak arasına üç kol bağlıdır. Düğüm analizi kullanarak 1 kolunda ok yönünde yukarı, A düğümüne doğru akan I1 akımını bulun.
A ile B arasındaki Vₛ gerilim kaynağının + ucu A’dadır, bu yüzden VA − VB = Vₛ yapar. Süper düğümlü düğüm analizi kullanarak VB düğüm gerilimini (topraktan ölçülen) bulun.
Anahtar t = 0’da kapanmadan önce bobinden akım geçmez. t = 1 ms anında i akımını bulun.
Vs = 10 VR = 68 ΩL = 68 mHt = 1 ms
i = A
8.RC ve RL geçici rejimZor
Bir zamanlayıcı, t = 0’da 9 V’luk bir kaynaktan bir direnç üzerinden yüksüz bir kondansatörü doldurmaya başlıyor. Kondansatör gerilimi 6,75 V’a ulaştığında, başlangıçtan tam 250 ms sonra tetiklemelidir. C = 22 µF ile gereken direnç R değerini bulun.
Vs = 9 VVth = 6,75 VT = 250 msC = 22 µF
R = kΩ
9.AC empedans ve fazörlerOrta
Seri bir RLC devresi 120 V (rms), 100 Hz bir kaynağa bağlı. Devrenin güç faktörü cos φ değerini bulun.
V = 120 V (rms)f = 100 HzR = 40 ΩL = 100 mHC = 47 µF
cos φ =
10.AC empedans ve fazörlerZor
Seri bir RLC devresinde R = 100 Ω, L = 20 mH ve C = 0,01 µF’tır. Rezonanstaki kalite faktörü Q değerini bulun.
R = 100 ΩL = 20 mHC = 0,01 µF
Q =
11.AC güç ve güç faktörüOrta
240 V’luk tek fazlı bir kaynağa iki yük paralel bağlıdır: 0,65 geri güç faktörlü 30 kW’lık bir yük ve 14 kW’lık bir ısıtıcı (birim güç faktörü). Kaynaktan çekilen toplam akım I değerini bulun.
Tek fazlı bir yük, 240 V, 60 Hz bir kaynaktan 0,6 geri güç faktöründe 5 kW çekiyor. Paralel bağlanan bir kondansatör güç faktörünü 0,98 değerine yükseltiyor. Kondansatörün sağlaması gereken reaktif güç QC değerini bulun.
P = 5 kWpf1 = 0,6pf2 = 0,98V = 240 Vf = 60 Hz
QC = kvar
13.Üç fazlı güçOrta
Üç fazlı bir asenkron motor tam yükte 75 kW mekanik çıkış gücü veriyor. Bu yükte verimi %92 ve güç faktörü 0,8 geri. Kaynağın fazlar arası gerilimi 690 V. Hat akımı IL değerini bulun.
Pout = 75 kWη = 92%cos φ = 0,8VL = 690 V
IL = A
14.Üç fazlı güçZor
Dengeli üç fazlı bir yük, 400 V (fazlar arası), 60 Hz bir kaynaktan 0,78 geri güç faktöründe 60 kW çekiyor. Yüke paralel bağlanan üç fazlı bir kondansatör grubu toplam güç faktörünü 0,92 geriye yükseltmelidir. Aktif güç aynı kalır. Kondansatör grubunun sağlaması gereken toplam reaktif güç QC değerini kvar cinsinden bulun.
P = 60 kWpf1 = 0,78pf2 = 0,92VL = 400 Vf = 60 Hz
QC = kvar
15.TransformatörlerOrta
Sarım oranı N₁:N₂ = 3:1 olan ideal bir transformatörün sekonder sargısının uçlarına 50 Ω’luk bir direnç bağlanmıştır. Primer sargıdan bakıldığında görülen direnç R1′ değerini bulun.
N1:N2 = 3:1RL = 50 Ω
R1′ = Ω
16.TransformatörlerZor
Tek fazlı 75 kVA bir transformatörün demir kaybı 300 W, anma yükündeki bakır kaybı 750 W’tır. Verimi hangi yükte Sη,max, kVA cinsinden, en yüksektir?
S = 75 kVAPcore = 300 WPcu,fl = 750 W
Sη,max = kVA
3Çözeltiler
1.Seri ve paralel dirençler
Cevap: IR1 = 1,208 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.
R3 + R4 = 10 + 15 = 25 Ω
R2 ∥ 25 = 6·25/(6+25) = 4,839 Ω
Req = R1 + 4,839 = 20 + 4,839 = 24,84 Ω
Kaynaktan çekilen akım
Kaynak yalnızca Req’yi görür; Ohm yasası verdiği akımı bulur. Bu akım R₁’den geçer.
IR1 = V1/Req = 30/24,84 = 1,208 A
Cevap
IR1 = 1,208 A
2.Seri ve paralel dirençler
Cevap: IR2 = 0,9145 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 = 12 + 4 = 16 Ω
R4 ∥ 16 = 5,333 Ω
R3 + 5,333 = 10,33 Ω
R2 ∥ 10,33 = 2,884 Ω
Req = R1 + 2,884 = 5 + 2,884 = 7,884 Ω
Kaynaktan çekilen akım
Kaynak yalnızca Req’yi görür; Ohm yasası verdiği akımı bulur. Bu akım R₁’den geçer.
IR1 = V1/Req = 10/7,884 = 1,268 A
R₂’den geçen akım
A düğümündeki gerilimi bulmak için R₁ üzerindeki düşümü çıkarın; bu, R₂ üzerindeki gerilimdir.
VA = V1 − IR1·R1 = 10 − 1,268·5 = 3,658 V
IR2 = VA/R2 = 3,658/4 = 0,9145 A
Cevap
IR2 = 0,9145 A
3.Düğüm analizi
Cevap: I1 = 0,2778 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
Alttaki teli toprak kabul edin. Her kol A’dan dışarı (VA − Vk)/Rk akımı taşır; Vk kolun kaynağının gerilimidir (sade bir direnç için sıfır). A’dan çıkan akımların toplamı sıfırdır.
(VA − 15)/10 + (VA − 10)/10 + (VA − 12)/4 = 0
VA’yı çözün
VA = (15/10 + 10/10 + 12/4) / (1/10 + 1/10 + 1/4) = 5,5/0,45 = 12,22 V
Kol akımı
Ok kol boyunca yukarı, A düğümüne doğru gösterir.
I1 = (15 − VA)/R1 = (15 − 12,22)/10 = 0,2778 A
Cevap
I1 = 0,2778 A
Negatif sonuç, gerçek akımın oka ters yönde aktığı anlamına gelir.
4.Düğüm analizi
Cevap: VB = 6,549 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 − 15
(VA − V1)/R1 + VA/R2 + VB/R3 = Is
Çözün
(VA − 12)/10 + VA/25 + (VA − 15)/3 = 4
VA·(1/10 + 1/25 + 1/3) = 4 + 12/10 + 15/3 = 10,2
VA = 10,2/0,4733 = 21,55 V
VB = 6,549 V
Cevap
VB = 6,549 V
5.Thévenin ve Norton
Cevap: Vth = 16,36 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 = 5·6/(5+6) = 2,727 Ω
Rth = (R1 ∥ R2) + R3 = 2,727 + 2 = 4,727 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) = 30·6/(5+6) = 16,36 V
6.Thévenin ve Norton
Cevap: PL = 33,12 W
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 = 30·3/(30+3) = 2,727 Ω
Rth = (R1 ∥ R2) + R3 = 2,727 + 5 = 7,727 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) = 1,091 + 4·2,727 = 12 V
Vth = VB = VA + Is·R3 = 12 + 4·5 = 32 V
Yükü Thévenin eşdeğerine bağlayın
Thévenin kaynağı ve seri R_th, a–b’de özgün devreyle tamamen aynı davranır; bu yüzden yük basit bir seri çevre görür.
IL = Vth/(Rth + RL) = 32/(7,727 + 8) = 2,035 A
PL = IL²·RL = 2,035²·8 = 33,12 W
7.RC ve RL geçici rejim
Cevap: i = 0,09296 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.
Gerekli zaman sabiti
6,75 = 9·(1 − e−250/τ) → τ = 250/ln(9/(9 − 6,75))
τ = 250/1,386 = 180,3 ms
Direnç
kΩ çarpı µF milisaniye verir.
R = τ/C = 180,3/22 = 8,197 kΩ
Cevap
R = 8,197 kΩ
9.AC empedans ve fazörler
Cevap: cos φ = 0,8099
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 = 62,83 Ω, XC = 33,86 Ω
Empedans
|Z| = √(40² + (28,97)²) = 49,39 Ω
Güç faktörü
cos φ = R/|Z| = 40/49,39 = 0,8099
Devre endüktiftir, bu yüzden güç faktörü geridir.
Cevap
cos φ = 0,8099
10.AC empedans ve fazörler
Cevap: Q = 14,14
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 frekansı
f0 = 1/(2π·√(0,02·0,01·10⁻⁶)) = 11254 Hz
Kalite faktörü
Q, rezonanstaki reaktansı dirençle karşılaştırır: Q = ω₀L/R.
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.
Her yükün reaktif gücü
Geri güç faktörlü yük reaktif güç çeker (Q > 0); ileri güç faktörlü yük reaktif güç verir (Q < 0).
Q1 = 30·tan(arccos 0,65) = 35,07 kvar
Q2 = 0 = 0 kvar
Toplamlar
P = 30 + 14 = 44 kW
Q = 35,07 + 0 = 35,07 kvar
S = √(44² + 35,07²) = 56,27 kVA
Toplam akım
I = S/V = 56269/240 = 234,5 A
Cevap
I = 234,5 A
12.AC güç ve güç faktörü
Cevap: QC = 5,651 kvar
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.
Önce ve sonra reaktif güç
Aktif güç P değişmez; yalnızca şebekeden çekilen reaktif güç değişir.
Q1 = P·tan φ1 = 5·tan(53,13°) = 6,667 kvar
Q2 = P·tan φ2 = 5·tan(11,48°) = 1,015 kvar
QC = Q1 − Q2 = 5,651 kvar
Cevap
QC = 5,651 kvar
13.Üç fazlı güç
Cevap: IL = 85,27 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 = 75/0,92 = 81,52 kW
Hat akımı
IL = Pin/(√3·VL·cos φ) = 81522/(√3·690·0,8) = 85,27 A
Cevap
IL = 85,27 A
14.Üç fazlı güç
Cevap: QC = 22,58 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 = 60·tan(acos 0,78) = 60·0,8023 = 48,14 kvar
Q2 = 60·tan(acos 0,92) = 60·0,426 = 25,56 kvar
Kondansatörlerin sağladığı reaktif güç
QC = Q1 − Q2 = 22,58 kvar
Cevap
QC = 22,58 kvar
15.Transformatörler
Cevap: R1′ = 450 Ω
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 direnç
Gerilim a kat artar, akım a kat azalır; bu yüzden V/I oranı a² kat artar.
R1′ = a²·RL = 3²·50 = 450 Ω
Cevap
R1′ = 450 Ω
16.Transformatörler
Cevap: Sη,max = 47,43 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.