Şekildeki gibi A düğümü ile toprak arasına üç kol bağlıdır. Düğüm analizi kullanarak 3 kolunda ok yönünde yukarı, A düğümüne doğru akan I3 akımını bulun.
V1 = 10 VR1 = 6 ΩV2 = 30 VR2 = 10 ΩR3 = 8 Ω
I3 = A
4.Düğüm analiziZor
Düğüm analizi kullanarak VA düğüm gerilimini (topraktan ölçülen) bulun.
a–b uçlarından görülen Thévenin gerilimi Vth değerini bulun.
V1 = 6 VR1 = 8 ΩR2 = 2 ΩR3 = 10 Ω
Vth = V
6.Thévenin ve NortonZor
a–b uçlarından görülen Thévenin gerilimi Vth değerini bulun.
V1 = 6 VIs = 5 AR1 = 5 ΩR2 = 3 ΩR3 = 15 Ω
Vth = V
7.RC ve RL geçici rejimOrta
Anahtar t = 0’da kapanmadan önce bobinden akım geçmez. t = 1 ms anında bobin üzerindeki vL gerilimini bulun.
Vs = 15 VR = 100 ΩL = 33 mHt = 1 ms
vL = V
8.RC ve RL geçici rejimZor
Anahtar t = 0’da kapanmadan hemen önce kondansatörde gösterilen polaritede 20 V vardır. t = 60 ms anında kondansatör gerilimi vC değerini bulun.
Vs = 24 VR = 3,3 kΩC = 22 µFvC(0) = 20 Vt = 60 ms
vC = V
9.AC empedans ve fazörlerOrta
Seri bir RLC devresi 12 V (rms), 60 Hz bir kaynağa bağlı. Devrenin güç faktörü cos φ değerini bulun.
V = 12 V (rms)f = 60 HzR = 60 ΩL = 50 mHC = 47 µF
cos φ =
10.AC empedans ve fazörlerZor
Seri bir RLC devresi 230 V (rms), 200 Hz bir kaynağa bağlı. Rms akım I değerini bulun.
V = 230 V (rms)f = 200 HzR = 10 ΩL = 50 mHC = 10 µF
I = A
11.AC güç ve güç faktörüOrta
Endüktif bir yük, 240 V (rms)’lik tek fazlı bir kaynaktan 17,5 A ve 3570 W çekiyor. Onu bir X reaktansına seri bağlı bir R direnci olarak modelleyin. X değerini bulun.
V = 240 VI = 17,5 AP = 3570 W
X = Ω
12.AC güç ve güç faktörüZor
10 V (rms), 60 Hz’lik bir kaynağın iç empedansı Zs = 8 + j3 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 = 8 + j3 Ω
C = µF
13.Üç fazlı güçOrta
Üç fazlı bir asenkron motor tam yükte 18,5 kW mekanik çıkış gücü veriyor. Bu yükte verimi %95 ve güç faktörü 0,84 geri. Kaynağın fazlar arası gerilimi 690 V. Hat akımı IL değerini bulun.
Pout = 18,5 kWη = 95%cos φ = 0,84VL = 690 V
IL = A
14.Üç fazlı güçZor
Dengeli üç fazlı bir yük, 690 V (fazlar arası), 50 Hz bir kaynaktan 0,75 geri güç faktöründe 150 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 = 150 kWpf1 = 0,75pf2 = 0,95VL = 690 Vf = 50 Hz
QC = kvar
15.TransformatörlerOrta
Tek fazlı 500 kVA, 11000/400 V bir transformatör anma yükünde çalışıyor. İdeal kabul edin. Yüksek gerilim sargısındaki akım IHV değerini bulun.
S = 500 kVAV1 = 11000 VV2 = 400 V
IHV = A
16.TransformatörlerZor
Tek fazlı 50 kVA bir transformatörün demir kaybı 250 W, anma yükündeki bakır kaybı 625 W’tır. Transformatör anma kVA değerinin %75 kadarını 0,9 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 = 4 + 8 = 12 Ω
R2 ∥ 12 = 6·12/(6+12) = 4 Ω
Req = R1 + 4 = 10 + 4 = 14 Ω
Kaynaktan çekilen akım
Kaynak yalnızca Req’yi görür; Ohm yasası verdiği akımı bulur. Bu akım R₁’den geçer.
IR1 = V1/Req = 6/14 = 0,4286 A
Cevap
IR1 = 0,4286 A
2.Seri ve paralel dirençler
Cevap: IR1 = 0,3563 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 = 15 + 20 = 35 Ω
R4 ∥ 35 = 12,73 Ω
R3 + 12,73 = 42,73 Ω
R2 ∥ 42,73 = 5,261 Ω
Req = R1 + 5,261 = 20 + 5,261 = 25,26 Ω
Kaynaktan çekilen akım
Kaynak yalnızca Req’yi görür; Ohm yasası verdiği akımı bulur. Bu akım R₁’den geçer.
IR1 = V1/Req = 9/25,26 = 0,3563 A
Cevap
IR1 = 0,3563 A
3.Düğüm analizi
Cevap: I3 = 0,4255 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 − 10)/6 + (VA − (−30))/10 + VA/8 = 0
VA’yı çözün
VA = (10/6 + (−30)/10 + 0/8) / (1/6 + 1/10 + 1/8) = −1,333/0,3917 = −3,404 V
Kol akımı
Ok kol boyunca yukarı, A düğümüne doğru gösterir.
I3 = (0 − VA)/R3 = (0 − (−3,404))/8 = 0,4255 A
Cevap
I3 = 0,4255 A
Negatif sonuç, gerçek akımın oka ters yönde aktığı anlamına gelir.
4.Düğüm analizi
Cevap: VA = 13,26 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 = 15 V, V2 = 15 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/20 + (VA − 15)/2 + (VA − VB)/8 = 0
0,675·VA − 0,125·VB = 7,5
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/5 + (VB − VA)/8 + (VB − 15)/30 = 2
−0,125·VA + 0,3583·VB = 2,5
Çözün
Δ = (0,675)(0,3583) − (−0,125)(−0,125) = 0,2263
VA = Δ1/Δ = 3/0,2263 = 13,26 V
VB = Δ2/Δ = 2,625/0,2263 = 11,6 V
Cevap
VA = 13,26 V
5.Thévenin ve Norton
Cevap: Vth = 1,2 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 = 8·2/(8+2) = 1,6 Ω
Rth = (R1 ∥ R2) + R3 = 1,6 + 10 = 11,6 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) = 6·2/(8+2) = 1,2 V
6.Thévenin ve Norton
Cevap: Vth = 86,63 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 = 5·3/(5+3) = 1,875 Ω
Rth = (R1 ∥ R2) + R3 = 1,875 + 15 = 16,88 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) = 2,25 + 5·1,875 = 11,63 V
Vth = VB = VA + Is·R3 = 11,63 + 5·15 = 86,63 V
7.RC ve RL geçici rejim
Cevap: vL = 0,7245 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 = 33 mH / 100 Ω = 0,33 ms
i(∞) = Vs/R = 15/100 = 0,15 A
Bobin gerilimi
t = 0’da besleme geriliminin tamamı bobin üzerindedir; sonra sıfıra söner.
vL(t) = Vs·e−t/τ = 15·e−1/0,33 = 0,7245 V
Cevap
vL = 0,7245 V
8.RC ve RL geçici rejim
Cevap: vC = 22,25 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.
Başlangıç değeri, son değer, zaman sabiti
Kondansatör gerilimi sıçrayamaz; bu yüzden depolanan değerden başlar ve kaynak gerilimine yönelir.
vC(0) = 20 V, vC(∞) = Vs = 24 V
τ = R·C = 3,3 kΩ · 22 µF = 72,6 ms
vC(t) = 24 + (20 − 24)·e−t/τ
Verilen andaki gerilim
vC(60) = 24 + (−4)·e−60/72,6 = 22,25 V
Cevap
vC = 22,25 V
9.AC empedans ve fazörler
Cevap: cos φ = 0,8474
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 = 18,85 Ω, XC = 56,44 Ω
Empedans
|Z| = √(60² + (−37,59)²) = 70,8 Ω
Güç faktörü
cos φ = R/|Z| = 60/70,8 = 0,8474
Devre kapasitiftir, bu yüzden güç faktörü ileridir.
Cevap
cos φ = 0,8474
10.AC empedans ve fazörler
Cevap: I = 11,79 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·200 = 1257 rad/s
XL = ωL = 1257·0,05 = 62,83 Ω
XC = 1/(ωC) = 1/(1257·10·10⁻⁶) = 79,58 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.
Aktif güçten direnç
R = P/I² = 3570/17,5² = 11,66 Ω
Empedanstan reaktans
|Z| = V/I = 240/17,5 = 13,71 Ω
X = √(|Z|² − R²) = √(13,71² − 11,66²) = 7,224 Ω
Cevap
X = 7,224 Ω
12.AC güç ve güç faktörü
Cevap: C = 884,2 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* = 8 − j3 Ω
Kapasitans
XC = 3 Ω → C = 1/(2π·60·3) = 884,2 µF
Cevap
C = 884,2 µF
13.Üç fazlı güç
Cevap: IL = 19,4 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 = 18,5/0,95 = 19,47 kW
Hat akımı
IL = Pin/(√3·VL·cos φ) = 19474/(√3·690·0,84) = 19,4 A
Cevap
IL = 19,4 A
14.Üç fazlı güç
Cevap: QC = 82,98 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 = 150·tan(acos 0,75) = 150·0,8819 = 132,3 kvar
Q2 = 150·tan(acos 0,95) = 150·0,3287 = 49,3 kvar
Kondansatörlerin sağladığı reaktif güç
QC = Q1 − Q2 = 82,98 kvar
Cevap
QC = 82,98 kvar
15.Transformatörler
Cevap: IHV = 45,45 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 = 500000/11000 = 45,45 A
Cevap
IHV = 45,45 A
16.Transformatörler
Cevap: Ploss = 601,6 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.