Eşkenar dörtgen, B düğümüne yukarı doğru 0,4·VA akımını (A cinsinden, VA V cinsinden) iten gerilim kontrollü bir akım kaynağıdır. Düğüm analizi kullanarak VB düğüm gerilimini (topraktan ölçülen) bulun.
a–b uçlarından görülen Thévenin direnci Rth değerini bulun.
V1 = 6 VR1 = 5 ΩR2 = 4 ΩR3 = 20 Ω
Rth = Ω
6.Thévenin ve NortonZor
Norton akımı IN değerini bulun: uçlar kısa devre edilirse a’dan b’ye akan akım.
V1 = 15 VIs = 1 AR1 = 20 ΩR2 = 5 ΩR3 = 3 Ω
IN = A
7.RC ve RL geçici rejimOrta
Anahtar t = 0’da kapanmadan önce bobinden akım geçmez. t = 25 ms anında bobinde depolanan enerji W değerini mJ cinsinden bulun.
Vs = 10 VR = 10 ΩL = 150 mHt = 25 ms
W = mJ
8.RC ve RL geçici rejimZor
Anahtar t = 0’da kapanmadan hemen önce kondansatörde gösterilen polaritede 3 V vardır. t = 200 ms anında kondansatör gerilimi vC değerini bulun.
Vs = 12 VR = 2,2 kΩC = 220 µFvC(0) = 3 Vt = 200 ms
vC = V
9.AC empedans ve fazörlerOrta
Seri bir RLC devresi 24 V (rms), 60 Hz bir kaynağa bağlı. Rms akım I değerini bulun.
V = 24 V (rms)f = 60 HzR = 40 ΩL = 20 mHC = 4,7 µF
I = A
10.AC empedans ve fazörlerZor
Seri bir RLC devresi 10 V (rms), 100 Hz bir kaynağa bağlı. Devrenin rezonans frekansı f0 değerini bulun.
V = 10 V (rms)f = 100 HzR = 25 ΩL = 200 mHC = 22 µF
f0 = Hz
11.AC güç ve güç faktörüOrta
Tek fazlı bir motor, 230 V bir kaynaktan 0,9 geri güç faktöründe 20 kW çekiyor. Çektiği reaktif güç Q değerini bulun.
P = 20 kWpf = 0,9V = 230 V
Q = kvar
12.AC güç ve güç faktörüZor
Tek fazlı bir yük, 240 V, 50 Hz bir kaynaktan 0,6 geri güç faktöründe 35 kW çekiyor. Paralel bağlanan bir kondansatör güç faktörünü 0,98 değerine yükseltiyor. Yeni hat akımı Inew değerini bulun.
P = 35 kWpf1 = 0,6pf2 = 0,98V = 240 Vf = 50 Hz
Inew = A
13.Üç fazlı güçOrta
Dengeli üç fazlı bir yük, fazlar arası gerilimi 400 V olan bir kaynaktan 100 A hat akımı çekiyor. Güç faktörü 0,8 geri. Yükün çektiği toplam aktif güç P değerini kW cinsinden bulun.
VL = 400 VIL = 100 Acos φ = 0,8
P = kW
14.Üç fazlı güçZor
Dengeli üç fazlı bir yük, 415 V (fazlar arası), 50 Hz bir kaynaktan 0,75 geri güç faktöründe 120 kW çekiyor. Yüke paralel bağlanan üç fazlı bir kondansatör grubu toplam güç faktörünü 0,95 geriye yükseltmelidir. Aktif güç aynı kalır. Kondansatörler Δ bağlıdır. Her kondansatörün kapasitansı Cph değerini µF cinsinden bulun.
P = 120 kWpf1 = 0,75pf2 = 0,95VL = 415 Vf = 50 Hz
Cph = µF
15.TransformatörlerOrta
Tek fazlı 100 kVA, 6600/230 V bir transformatör anma yükünde çalışıyor. İdeal kabul edin. Yüksek gerilim sargısındaki akım IHV değerini bulun.
S = 100 kVAV1 = 6600 VV2 = 230 V
IHV = A
16.TransformatörlerZor
Tek fazlı 25 kVA bir transformatörün demir kaybı 150 W, anma yükündeki bakır kaybı 375 W’tır. Verimi hangi yükte Sη,max, kVA cinsinden, en yüksektir?
S = 25 kVAPcore = 150 WPcu,fl = 375 W
Sη,max = kVA
3Çözeltiler
1.Seri ve paralel dirençler
Cevap: IR1 = 1,44 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 = 4 + 5 = 9 Ω
R2 ∥ 9 = 3·9/(3+9) = 2,25 Ω
Req = R1 + 2,25 = 4 + 2,25 = 6,25 Ω
Kaynaktan çekilen akım
Kaynak yalnızca Req’yi görür; Ohm yasası verdiği akımı bulur. Bu akım R₁’den geçer.
IR1 = V1/Req = 9/6,25 = 1,44 A
Cevap
IR1 = 1,44 A
2.Seri ve paralel dirençler
Cevap: Req = 8,75 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.
R5 + R6 = 8 + 12 = 20 Ω
R4 ∥ 20 = 12 Ω
R3 + 12 = 15 Ω
R2 ∥ 15 = 3,75 Ω
Req = R1 + 3,75 = 5 + 3,75 = 8,75 Ω
Cevap
Req = 8,75 Ω
3.Düğüm analizi
Cevap: VB = 6,409 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). 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/20 + (VA − 15)/15 + (VA − VB)/2 = 0
0,6167·VA − 0,5·VB = 1
B düğümünde KAY
B düğümünden dirençler üzerinden çıkan akımlar, kaynakların B düğümüne verdiği akıma eşittir.
VB/R4 + (VB − VA)/R3 = Is
VB/2 + (VB − VA)/2 = 3
−0,5·VA + VB = 3
Çözün
Δ = (0,6167)(1) − (−0,5)(−0,5) = 0,3667
VA = Δ1/Δ = 2,5/0,3667 = 6,818 V
VB = Δ2/Δ = 2,35/0,3667 = 6,409 V
Cevap
VB = 6,409 V
4.Düğüm analizi
Cevap: VB = 44,26 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.
A düğümünde KAY
Dirençler üzerinden A’dan çıkan akımlar, kaynakların A’ya ittiği akıma eşittir.
(VA − V1)/R1 + VA/R2 + (VA − VB)/R3 = 0
1,04·VA − 0,5·VB = 6
B düğümünde KAY
Bağımlı kaynak B düğümüne g·VA iter. Onu bağımsız bir kaynak gibi ele alın, sonra VA terimini sol tarafa taşıyın.
(VB − VA)/R3 + VB/R4 = 0,4·VA
−0,9·VA + 0,55·VB = 0
Çözün
Δ = (1,04)(0,55) − (−0,5)(−0,9) = 0,122
VA = Δ1/Δ = 3,3/0,122 = 27,05 V
VB = Δ2/Δ = 5,4/0,122 = 44,26 V
Cevap
VB = 44,26 V
5.Thévenin ve Norton
Cevap: Rth = 22,22 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 = 5·4/(5+4) = 2,222 Ω
Rth = (R1 ∥ R2) + R3 = 2,222 + 20 = 22,22 Ω
6.Thévenin ve Norton
Cevap: IN = 1,429 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 = 20·5/(20+5) = 4 Ω
Rth = (R1 ∥ R2) + R3 = 4 + 3 = 7 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) = 3 + 1·4 = 7 V
Vth = VB = VA + Is·R3 = 7 + 1·3 = 10 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 = 10/7 = 1,429 A
7.RC ve RL geçici rejim
Cevap: W = 49,34 mJ
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 = 150 mH / 10 Ω = 15 ms
i(∞) = Vs/R = 10/10 = 1 A
Verilen andaki akım
i(t) = 1·(1 − e−25/15) = 0,8111 A
Depolanan enerji
W = ½·L·i² = ½·150·0,8111² = 49,34 mJ
Cevap
W = 49,34 mJ
8.RC ve RL geçici rejim
Cevap: vC = 6,046 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) = 3 V, vC(∞) = Vs = 12 V
τ = R·C = 2,2 kΩ · 220 µF = 484 ms
vC(t) = 12 + (3 − 12)·e−t/τ
Verilen andaki gerilim
vC(200) = 12 + (−9)·e−200/484 = 6,046 V
Cevap
vC = 6,046 V
9.AC empedans ve fazörler
Cevap: I = 0,04299 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·60 = 377 rad/s
XL = ωL = 377·0,02 = 7,54 Ω
XC = 1/(ωC) = 1/(377·4,7·10⁻⁶) = 564,4 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.
Açı
φ = arccos(0,9) = 25,84°, tan φ = 0,4843
Reaktif güç
Q = P·tan φ = 20·0,4843 = 9,686 kvar
Cevap
Q = 9,686 kvar
12.AC güç ve güç faktörü
Cevap: Inew = 148,8 A
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 = 35·tan(53,13°) = 46,67 kvar
Q2 = P·tan φ2 = 35·tan(11,48°) = 7,107 kvar
QC = Q1 − Q2 = 39,56 kvar
Yeni hat akımı
Inew = P/(V·cos φ2) = 35000/(240·0,98) = 148,8 A
Cevap
Inew = 148,8 A
13.Üç fazlı güç
Cevap: P = 55,43 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.
Görünür güç
S = √3·VL·IL = √3·400·100 = 69,28 kVA
Aktif güç
P = S·cos φ = 69,28·0,8 = 55,43 kW
Cevap
P = 55,43 kW
14.Üç fazlı güç
Cevap: Cph = 409 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 = 120·tan(acos 0,75) = 120·0,8819 = 105,8 kvar
Q2 = 120·tan(acos 0,95) = 120·0,3287 = 39,44 kvar
Kondansatörlerin sağladığı reaktif güç
QC = Q1 − Q2 = 66,39 kvar
Faz başına kapasitans
Δ grupta her kondansatör iki hat arasına bağlıdır.
V = 415 V, ω = 2π·50 = 314,2 rad/s
Cph = (QC/3)/(ω·V²) = 22129/(314,2·415²) = 409 µF
Cevap
Cph = 409 µF
15.Transformatörler
Cevap: IHV = 15,15 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 = 100000/6600 = 15,15 A
Cevap
IHV = 15,15 A
16.Transformatörler
Cevap: Sη,max = 15,81 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.