A ile B arasındaki Vₛ gerilim kaynağının + ucu B’dedir, bu yüzden VB − VA = Vₛ yapar. Süper düğümlü düğüm analizi kullanarak gerilim kaynağından, okla gösterildiği gibi A’dan B’ye geçen Ix akımını bulun.
a–b uçlarından görülen Thévenin direnci Rth değerini bulun.
V1 = 6 VR1 = 5 ΩR2 = 8 ΩR3 = 8 Ω
Rth = Ω
6.Thévenin ve NortonZor
a–b uçlarından görülen Thévenin gerilimi Vth değerini bulun.
V1 = 9 VIs = 1 AR1 = 2 ΩR2 = 6 ΩR3 = 6 Ω
Vth = V
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 = 9 VR = 5 ΩL = 68 mHt = 25 ms
W = mJ
8.RC ve RL geçici rejimZor
Anahtar t = 0’da kapanmadan hemen önce kondansatörde gösterilen polaritede 18 V vardır. t = 15 ms anında kondansatör gerilimi vC değerini bulun.
Vs = 12 VR = 1 kΩC = 10 µFvC(0) = 18 Vt = 15 ms
vC = V
9.AC empedans ve fazörlerOrta
Seri bir RLC devresi 120 V (rms), 500 Hz bir kaynağa bağlı. Devrenin güç faktörü cos φ değerini bulun.
V = 120 V (rms)f = 500 HzR = 20 ΩL = 50 mHC = 100 µF
cos φ =
10.AC empedans ve fazörlerZor
Seri bir RLC devresi, frekansı devrenin rezonans frekansına ayarlanmış 2 V (rms)’lik bir kaynakla sürülüyor. Bobin üzerindeki rms gerilim VL değerini bulun.
V = 2 V (rms)R = 20 ΩL = 20 mHC = 4,7 µF
VL = V
11.AC güç ve güç faktörüOrta
Endüktif bir yük, 240 V (rms)’lik tek fazlı bir kaynaktan 17,5 A ve 2940 W çekiyor. Onu bir X reaktansına seri bağlı bir R direnci olarak modelleyin. R değerini bulun.
V = 240 VI = 17,5 AP = 2940 W
R = Ω
12.AC güç ve güç faktörüZor
Tek fazlı bir yük, 240 V, 60 Hz bir kaynaktan 0,8 geri güç faktöründe 45 kW çekiyor. Paralel bağlanan bir kondansatör güç faktörünü 0,92 değerine yükseltiyor. Gereken kapasitans C değerini bulun.
P = 45 kWpf1 = 0,8pf2 = 0,92V = 240 Vf = 60 Hz
C = µF
13.Üç fazlı güçOrta
Üç fazlı bir asenkron motor tam yükte 90 kW mekanik çıkış gücü veriyor. Bu yükte verimi %95 ve güç faktörü 0,8 geri. Kaynağın fazlar arası gerilimi 415 V. Hat akımı IL değerini bulun.
Pout = 90 kWη = 95%cos φ = 0,8VL = 415 V
IL = A
14.Üç fazlı güçZor
Dengeli üç fazlı bir yük, 400 V (fazlar arası), 60 Hz bir kaynaktan 0,7 geri güç faktöründe 50 kW çekiyor. Yüke paralel bağlanan üç fazlı bir kondansatör grubu toplam güç faktörünü 0,95 geriye yükseltmelidir. Aktif güç aynı kalır. Kondansatörler Y bağlıdır. Her kondansatörün kapasitansı Cph değerini µF cinsinden bulun.
P = 50 kWpf1 = 0,7pf2 = 0,95VL = 400 Vf = 60 Hz
Cph = µF
15.TransformatörlerOrta
Tek fazlı 250 kVA, 7200/240 V bir transformatör anma yükünde çalışıyor. İdeal kabul edin. Yüksek gerilim sargısındaki akım IHV değerini bulun.
S = 250 kVAV1 = 7200 VV2 = 240 V
IHV = A
16.TransformatörlerZor
Tek fazlı 250 kVA bir transformatörün demir kaybı 1500 W’tır. Anma yükünde ve 0,85 geri güç faktöründe verimi %98’dir. Tam yükteki bakır kaybı Pcu,fl değerini watt cinsinden bulun.
S = 250 kVAPcore = 1500 Wpf = 0,85η = 98%
Pcu,fl = W
3Çözeltiler
1.Seri ve paralel dirençler
Cevap: Req = 12,38 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 = 4 + 15 = 19 Ω
R2 ∥ 19 = 15·19/(15+19) = 8,382 Ω
Req = R1 + 8,382 = 4 + 8,382 = 12,38 Ω
Cevap
Req = 12,38 Ω
2.Seri ve paralel dirençler
Cevap: IR1 = 0,2705 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 + 25 = 37 Ω
R4 ∥ 37 = 14,92 Ω
R3 + 14,92 = 19,92 Ω
R2 ∥ 19,92 = 11,97 Ω
Req = R1 + 11,97 = 25 + 11,97 = 36,97 Ω
Kaynaktan çekilen akım
Kaynak yalnızca Req’yi görür; Ohm yasası verdiği akımı bulur. Bu akım R₁’den geçer.
IR1 = V1/Req = 10/36,97 = 0,2705 A
Cevap
IR1 = 0,2705 A
3.Düğüm analizi
Cevap: IR3 = −1,156 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 = 12 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/12 + (VA − 12)/2 + (VA − VB)/4 = 0
0,8333·VA − 0,25·VB = 6
B düğümünde KAY
B düğümünden dirençler üzerinden çıkan akımlar, kaynakların B düğümüne verdiği akıma eşittir.
VB/R4 + (VB − VA)/R3 = Is
VB/20 + (VB − VA)/4 = 2
−0,25·VA + 0,3·VB = 2
Çözün
Δ = (0,8333)(0,3) − (−0,25)(−0,25) = 0,1875
VA = Δ1/Δ = 2,3/0,1875 = 12,27 V
VB = Δ2/Δ = 3,167/0,1875 = 16,89 V
Cevap
IR3 = (VA − VB)/R3 = (12,27 − 16,89)/4 = −1,156 A
4.Düğüm analizi
Cevap: Ix = −2,209 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.
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 + 6
(VA − V1)/R1 + VA/R2 + VB/R3 = Is
Çözün
(VA − 24)/15 + VA/6 + (VA + 6)/8 = 5
VA·(1/15 + 1/6 + 1/8) = 5 + 24/15 − 6/8 = 5,85
VA = 5,85/0,3583 = 16,33 V
VB = 22,33 V
Gerilim kaynağından geçen akım
Yalnızca A düğümünde KAY: R₁ üzerinden gelen akım R₂ ve gerilim kaynağı üzerinden çıkar.
IR1 = (24 − 16,33)/15 = 0,5116 A
Ix = IR1 − VA/R2 = 0,5116 − 16,33/6 = −2,209 A
Cevap
Ix = −2,209 A
Negatif sonuç, gerçek akımın oka ters yönde aktığı anlamına gelir.
5.Thévenin ve Norton
Cevap: Rth = 11,08 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 = 5·8/(5+8) = 3,077 Ω
Rth = (R1 ∥ R2) + R3 = 3,077 + 8 = 11,08 Ω
6.Thévenin ve Norton
Cevap: Vth = 14,25 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 = 2·6/(2+6) = 1,5 Ω
Rth = (R1 ∥ R2) + R3 = 1,5 + 6 = 7,5 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) = 6,75 + 1·1,5 = 8,25 V
Vth = VB = VA + Is·R3 = 8,25 + 1·6 = 14,25 V
7.RC ve RL geçici rejim
Cevap: W = 77,9 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 = 68 mH / 5 Ω = 13,6 ms
i(∞) = Vs/R = 9/5 = 1,8 A
Verilen andaki akım
i(t) = 1,8·(1 − e−25/13,6) = 1,514 A
Depolanan enerji
W = ½·L·i² = ½·68·1,514² = 77,9 mJ
Cevap
W = 77,9 mJ
8.RC ve RL geçici rejim
Cevap: vC = 13,34 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) = 18 V, vC(∞) = Vs = 12 V
τ = R·C = 1 kΩ · 10 µF = 10 ms
vC(t) = 12 + (18 − 12)·e−t/τ
Verilen andaki gerilim
vC(15) = 12 + (6)·e−15/10 = 13,34 V
Cevap
vC = 13,34 V
9.AC empedans ve fazörler
Cevap: cos φ = 0,1289
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 = 157,1 Ω, XC = 3,183 Ω
Empedans
|Z| = √(20² + (153,9)²) = 155,2 Ω
Güç faktörü
cos φ = R/|Z| = 20/155,2 = 0,1289
Devre endüktiftir, bu yüzden güç faktörü geridir.
Cevap
cos φ = 0,1289
10.AC empedans ve fazörler
Cevap: VL = 6,523 V
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 reaktanslar birbirini götürür, bu yüzden empedans yalnızca R’dir.
ω₀ = 1/√(LC) = 1/√(0,02·4,7·10⁻⁶) = 3262 rad/s
I = V/R = 2/20 = 0,1 A
Bobin üzerindeki gerilim
XL = ω₀L = 3262·0,02 = 65,23 Ω
VL = I·XL = 0,1·65,23 = 6,523 V
Cevap
VL = 6,523 V
Bu, kaynak geriliminin Q = 3,262 katıdır.
11.AC güç ve güç faktörü
Cevap: R = 9,6 Ω
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 = 2940/17,5² = 9,6 Ω
Cevap
R = 9,6 Ω
12.AC güç ve güç faktörü
Cevap: C = 671,4 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.
Önce ve sonra reaktif güç
Aktif güç P değişmez; yalnızca şebekeden çekilen reaktif güç değişir.
Q1 = P·tan φ1 = 45·tan(36,87°) = 33,75 kvar
Q2 = P·tan φ2 = 45·tan(23,07°) = 19,17 kvar
QC = Q1 − Q2 = 14,58 kvar
Kapasitans
Kaynağa bağlı bir kondansatör Q = V²·ωC sağlar.
C = QC/(2πf·V²) = 14580/(2π·60·240²) = 671,4 µF
Cevap
C = 671,4 µF
13.Üç fazlı güç
Cevap: IL = 164,7 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 = 90/0,95 = 94,74 kW
Hat akımı
IL = Pin/(√3·VL·cos φ) = 94737/(√3·415·0,8) = 164,7 A
Cevap
IL = 164,7 A
14.Üç fazlı güç
Cevap: Cph = 573,2 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 = 50·tan(acos 0,7) = 50·1,02 = 51,01 kvar
Q2 = 50·tan(acos 0,95) = 50·0,3287 = 16,43 kvar
Kondansatörlerin sağladığı reaktif güç
QC = Q1 − Q2 = 34,58 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.
IHV = S/V = 250000/7200 = 34,72 A
Cevap
IHV = 34,72 A
16.Transformatörler
Cevap: Pcu,fl = 2837 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.