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.
Is = 1,5 AVs = 12 VR1 = 8 ΩR2 = 5 Ω
VA = V
4.Düğüm analiziZor
Düğüm analizi kullanarak ok yönünde R4 üzerinden geçen IR4 akımını bulun.
Anahtar t = 0’da kapanmadan önce bobinden akım geçmez. t = 5 ms anında bobin üzerindeki vL gerilimini bulun.
Vs = 5 VR = 10 ΩL = 47 mHt = 5 ms
vL = V
8.RC ve RL geçici rejimZor
Anahtar uzun süredir kapalıdır, bu yüzden devre kararlı hâldedir. t = 0’da anahtar açılır. t = 200 ms anında kondansatör gerilimi vC değerini bulun.
Vs = 20 VR1 = 2,2 kΩR2 = 10 kΩC = 33 µFt = 200 ms
vC = V
9.AC empedans ve fazörlerOrta
Seri bir RLC devresi 120 V (rms), 100 Hz bir kaynağa bağlı. Rms akım I değerini bulun.
V = 120 V (rms)f = 100 HzR = 25 ΩL = 100 mHC = 47 µF
I = A
10.AC empedans ve fazörlerZor
Seri bir RLC devresi 230 V (rms), 100 Hz bir kaynağa bağlı. Devrenin rezonans frekansı f0 değerini bulun.
V = 230 V (rms)f = 100 HzR = 20 ΩL = 150 mHC = 47 µF
f0 = Hz
11.AC güç ve güç faktörüOrta
Empedansı Z = 3 + j4 Ω olan bir yük 120 V (rms)’lik tek fazlı bir kaynağa bağlıdır. Çektiği reaktif güç Q değerini bulun.
V = 120 VZ = 3 + j4 Ω
Q = var
12.AC güç ve güç faktörüZor
10 V (rms), 60 Hz’lik bir kaynağın iç empedansı Zs = 25 + j15 Ω’dur. Yük empedansı ZL serbestçe seçilebilir. En büyük güç için yük, bir kondansatöre seri bağlı bir dirençten oluşturuluyor. Kapasite C değerini bulun.
Vs = 10 V (rms)f = 60 HzZs = 25 + j15 Ω
C = µF
13.Üç fazlı güçOrta
Üç fazlı bir asenkron motor tam yükte 7,5 kW mekanik çıkış gücü veriyor. Bu yükte verimi %91 ve güç faktörü 0,88 geri. Kaynağın fazlar arası gerilimi 480 V. Hat akımı IL değerini bulun.
Pout = 7,5 kWη = 91%cos φ = 0,88VL = 480 V
IL = A
14.Üç fazlı güçZor
Dengeli üç fazlı bir yük, 480 V (fazlar arası), 60 Hz bir kaynaktan 0,65 geri güç faktöründe 100 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 = 100 kWpf1 = 0,65pf2 = 0,9VL = 480 Vf = 60 Hz
Cph = µF
15.TransformatörlerOrta
Tek fazlı 150 kVA, 480/240 V bir transformatör anma yükünde çalışıyor. İdeal kabul edin. Alçak gerilim sargısındaki akım ILV değerini bulun.
S = 150 kVAV1 = 480 VV2 = 240 V
ILV = A
16.TransformatörlerZor
Tek fazlı 25 kVA bir transformatörün demir kaybı 125 W’tır. Anma yükünde ve 0,85 geri güç faktöründe verimi %98’dir. Tam yükteki bakır kaybı Pcu,fl değerini watt cinsinden bulun.
S = 25 kVAPcore = 125 Wpf = 0,85η = 98%
Pcu,fl = W
3Çözeltiler
1.Seri ve paralel dirençler
Cevap: Req = 6,438 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 = 5 + 8 = 13 Ω
R2 ∥ 13 = 3·13/(3+13) = 2,438 Ω
Req = R1 + 2,438 = 4 + 2,438 = 6,438 Ω
Cevap
Req = 6,438 Ω
2.Seri ve paralel dirençler
Cevap: IR1 = 0,7183 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 + 4 = 12 Ω
R4 ∥ 12 = 8,108 Ω
R3 + 8,108 = 16,11 Ω
R2 ∥ 16,11 = 2,529 Ω
Req = R1 + 2,529 = 10 + 2,529 = 12,53 Ω
Kaynaktan çekilen akım
Kaynak yalnızca Req’yi görür; Ohm yasası verdiği akımı bulur. Bu akım R₁’den geçer.
IR1 = V1/Req = 9/12,53 = 0,7183 A
Cevap
IR1 = 0,7183 A
3.Düğüm analizi
Cevap: VA = −2,769 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 + Vs = VA + 12
VA/R1 + VB/R2 = Is
Çözün
VA/8 + (VA + 12)/5 = 1,5
VA = (1,5 − 12/5)/(1/8 + 1/5) = −2,769 V
VB = −2,769 + 12 = 9,231 V
Cevap
VA = −2,769 V
4.Düğüm analizi
Cevap: IR4 = 7,069 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 = 30 V, V2 = −24 V). Bilinmeyenler: VA, VB.
A düğümünde KAY
A düğümünden dirençler üzerinden çıkan akımlar, kaynakların A düğümüne verdiği akıma eşittir.
VA/R3 + (VA − V1)/R1 + (VA − VB)/R2 = 0
VA/3 + (VA − 30)/20 + (VA − VB)/15 = 0
0,45·VA − 0,06667·VB = 1,5
B düğümünde KAY
B düğümünden dirençler üzerinden çıkan akımlar, kaynakların B düğümüne verdiği akıma eşittir.
VB/R5 + (VB − VA)/R2 + (VB − V2)/R4 = Is
VB/3 + (VB − VA)/15 + (VB − (−24))/2 = 3
−0,06667·VA + 0,9·VB = −9
Çözün
Δ = (0,45)(0,9) − (−0,06667)(−0,06667) = 0,4006
VA = Δ1/Δ = 0,75/0,4006 = 1,872 V
VB = Δ2/Δ = −3,95/0,4006 = −9,861 V
Cevap
IR4 = (VB − V2)/R4 = (−9,861 − −24)/2 = 7,069 A
5.Thévenin ve Norton
Cevap: Rth = 20 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 = 20·20/(20+20) = 10 Ω
Rth = (R1 ∥ R2) + R3 = 10 + 10 = 20 Ω
6.Thévenin ve Norton
Cevap: IL = 1,162 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 = 15·12/(15+12) = 6,667 Ω
Rth = (R1 ∥ R2) + R3 = 6,667 + 6 = 12,67 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) = 16 + 1·6,667 = 22,67 V
Vth = VB = VA + Is·R3 = 22,67 + 1·6 = 28,67 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) = 28,67/(12,67 + 12) = 1,162 A
7.RC ve RL geçici rejim
Cevap: vL = 1,726 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.
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 = 47 mH / 10 Ω = 4,7 ms
i(∞) = Vs/R = 5/10 = 0,5 A
Bobin gerilimi
t = 0’da besleme geriliminin tamamı bobin üzerindedir; sonra sıfıra söner.
vL(t) = Vs·e−t/τ = 5·e−5/4,7 = 1,726 V
Cevap
vL = 1,726 V
8.RC ve RL geçici rejim
Cevap: vC = 8,943 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.
Başlangıçtaki kondansatör gerilimi
Kararlı hâlde kondansatör açık devredir, bu yüzden R₁ ve R₂ bir gerilim bölücü oluşturur. Anahtar açıldığında kondansatör gerilimi sıçrayamaz.
vC(0) = 20·10/(2,2 + 10) = 16,39 V
Anahtar açıldıktan sonraki zaman sabiti
τ = R2·C = 10·33 = 330 ms
Boşalma
vC(t) = 16,39·e−200/330 = 8,943 V
Cevap
vC = 8,943 V
9.AC empedans ve fazörler
Cevap: I = 3,136 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/(628,3·47·10⁻⁶) = 33,86 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.
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.
Akım
|Z| = √(3² + 4²) = 5 Ω
I = V/|Z| = 120/5 = 24 A
Reaktif güç
Q = I²·X = 24²·4 = 2304 var
Cevap
Q = 2304 var
12.AC güç ve güç faktörü
Cevap: C = 176,8 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* = 25 − j15 Ω
Kapasitans
XC = 15 Ω → C = 1/(2π·60·15) = 176,8 µF
Cevap
C = 176,8 µF
13.Üç fazlı güç
Cevap: IL = 11,27 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 = 7,5/0,91 = 8,242 kW
Hat akımı
IL = Pin/(√3·VL·cos φ) = 8242/(√3·480·0,88) = 11,27 A
Cevap
IL = 11,27 A
14.Üç fazlı güç
Cevap: Cph = 788,4 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 = 100·tan(acos 0,65) = 100·1,169 = 116,9 kvar
Q2 = 100·tan(acos 0,9) = 100·0,4843 = 48,43 kvar
Kondansatörlerin sağladığı reaktif güç
QC = Q1 − Q2 = 68,48 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.
Anma akımı
İki sargı da aynı görünür gücü taşır.
ILV = S/V = 150000/240 = 625 A
Cevap
ILV = 625 A
16.Transformatörler
Cevap: Pcu,fl = 308,7 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.