Eşkenar dörtgen, B düğümüne yukarı doğru 0,4·VA akımını (A cinsinden, VA V cinsinden) iten gerilim kontrollü bir akım kaynağıdır. Düğüm analizi kullanarak VA düğüm gerilimini (topraktan ölçülen) bulun.
a–b uçlarından görülen Thévenin direnci Rth değerini bulun.
V1 = 6 VR1 = 5 ΩR2 = 2 ΩR3 = 8 Ω
Rth = Ω
6.Thévenin ve NortonZor
a–b uçlarından görülen Thévenin gerilimi Vth değerini bulun.
V1 = 15 VIs = 6 AR1 = 30 ΩR2 = 3 ΩR3 = 25 Ω
Vth = V
7.RC ve RL geçici rejimOrta
Anahtar t = 0’da kapanmadan önce bobinden akım geçmez. Devre kararlı hâle geldiğinde bobinde depolanan enerji W(∞) değerini mJ cinsinden bulun.
Vs = 24 VR = 47 ΩL = 33 mH
W(∞) = mJ
8.RC ve RL geçici rejimZor
Bir zamanlayıcı, t = 0’da 15 V’luk bir kaynaktan bir direnç üzerinden yüksüz bir kondansatörü doldurmaya başlıyor. Kondansatör gerilimi 13,5 V’a ulaştığında, başlangıçtan tam 20 ms sonra tetiklemelidir. R = 22 kΩ ile gereken kapasite C değerini bulun.
Vs = 15 VVth = 13,5 VT = 20 msR = 22 kΩ
C = µF
9.AC empedans ve fazörlerOrta
Seri bir RLC devresi 10 V (rms), 200 Hz bir kaynağa bağlı. Empedansın faz açısı φ değerini derece cinsinden bulun (akım gerilimden geride olduğunda pozitif).
V = 10 V (rms)f = 200 HzR = 40 ΩL = 100 mHC = 10 µF
φ = °
10.AC empedans ve fazörlerZor
Seri bir RLC devresi, frekansı devrenin rezonans frekansına ayarlanmış 24 V (rms)’lik bir kaynakla sürülüyor. Bobin üzerindeki rms gerilim VL değerini bulun.
V = 24 V (rms)R = 15 ΩL = 10 mHC = 4,7 µF
VL = V
11.AC güç ve güç faktörüOrta
Tek fazlı bir motor, 400 V bir kaynaktan 0,6 geri güç faktöründe 19 kW çekiyor. Hat akımı I değerini bulun.
P = 19 kWpf = 0,6V = 400 V
I = A
12.AC güç ve güç faktörüZor
Tek fazlı bir yük 240 V, 50 Hz’lik bir kaynaktan 0,65 geri güç faktöründe 13 kW çekiyor. Yüke paralel olarak 150 µF’lık bir kondansatör bağlanıyor. Yeni hat akımı I değerini bulun.
P = 13 kWpf1 = 0,65V = 240 Vf = 50 HzC = 150 µF
I = A
13.Üç fazlı güçOrta
Üç fazlı bir asenkron motor tam yükte 15 kW mekanik çıkış gücü veriyor. Bu yükte verimi %93 ve güç faktörü 0,9 geri. Kaynağın fazlar arası gerilimi 690 V. Hat akımı IL değerini bulun.
Pout = 15 kWη = 93%cos φ = 0,9VL = 690 V
IL = A
14.Üç fazlı güçZor
Dengeli üç fazlı bir yük, 480 V (fazlar arası), 60 Hz bir kaynaktan 0,75 geri güç faktöründe 75 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 = 75 kWpf1 = 0,75pf2 = 0,9VL = 480 Vf = 60 Hz
Cph = µF
15.TransformatörlerOrta
Sarım oranı N₁:N₂ = 4:1 olan ideal bir transformatörün primer sargısına 480 V uygulanıyor. Sekonder sargının uçlarına 48 Ω’luk bir direnç bağlanmıştır. Primer akım I1 değerini bulun.
N1:N2 = 4:1V1 = 480 VRL = 48 Ω
I1 = A
16.TransformatörlerZor
Tek fazlı 500 kVA bir transformatörün demir kaybı 3000 W, anma yükündeki bakır kaybı 9000 W’tır. Verimi hangi yükte Sη,max, kVA cinsinden, en yüksektir?
S = 500 kVAPcore = 3000 WPcu,fl = 9000 W
Sη,max = kVA
3Çözeltiler
1.Seri ve paralel dirençler
Cevap: Req = 29,38 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 = 5 + 20 = 25 Ω
R2 ∥ 25 = 15·25/(15+25) = 9,375 Ω
Req = R1 + 9,375 = 20 + 9,375 = 29,38 Ω
Cevap
Req = 29,38 Ω
2.Seri ve paralel dirençler
Cevap: Req = 34,2 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 = 5 + 5 = 10 Ω
R4 ∥ 10 = 2,857 Ω
R3 + 2,857 = 32,86 Ω
R2 ∥ 32,86 = 14,2 Ω
Req = R1 + 14,2 = 20 + 14,2 = 34,2 Ω
Cevap
Req = 34,2 Ω
3.Düğüm analizi
Cevap: IR3 = −1,936 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 = 18 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 − 18)/20 + (VA − VB)/5 = 0
0,3333·VA − 0,2·VB = 0,9
B düğümünde KAY
B düğümünden dirençler üzerinden çıkan akımlar, kaynakların B düğümüne verdiği akıma eşittir.
VB/R4 + (VB − VA)/R3 = Is
VB/15 + (VB − VA)/5 = 4
−0,2·VA + 0,2667·VB = 4
Çözün
Δ = (0,3333)(0,2667) − (−0,2)(−0,2) = 0,04889
VA = Δ1/Δ = 1,04/0,04889 = 21,27 V
VB = Δ2/Δ = 1,513/0,04889 = 30,95 V
Cevap
IR3 = (VA − VB)/R3 = (21,27 − 30,95)/5 = −1,936 A
4.Düğüm analizi
Cevap: VA = 7,877 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
0,2417·VA − 0,06667·VB = 0,625
B düğümünde KAY
Bağımlı kaynak B düğümüne g·VA iter. Onu bağımsız bir kaynak gibi ele alın, sonra VA terimini sol tarafa taşıyın.
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 = 5·2/(5+2) = 1,429 Ω
Rth = (R1 ∥ R2) + R3 = 1,429 + 8 = 9,429 Ω
6.Thévenin ve Norton
Cevap: Vth = 167,7 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 = 30·3/(30+3) = 2,727 Ω
Rth = (R1 ∥ R2) + R3 = 2,727 + 25 = 27,73 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) = 1,364 + 6·2,727 = 17,73 V
Vth = VB = VA + Is·R3 = 17,73 + 6·25 = 167,7 V
7.RC ve RL geçici rejim
Cevap: W(∞) = 4,302 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 = 33 mH / 47 Ω = 0,7021 ms
i(∞) = Vs/R = 24/47 = 0,5106 A
Depolanan enerji
W(∞) = ½·L·i(∞)² = ½·33·0,5106² = 4,302 mJ
Cevap
W(∞) = 4,302 mJ
8.RC ve RL geçici rejim
Cevap: C = 0,3948 µF
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.
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 = 1257·0,1 = 125,7 Ω
XC = 1/(ωC) = 1/(1257·10·10⁻⁶) = 79,58 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 reaktanslar birbirini götürür, bu yüzden empedans yalnızca R’dir.
ω₀ = 1/√(LC) = 1/√(0,01·4,7·10⁻⁶) = 4613 rad/s
I = V/R = 24/15 = 1,6 A
Bobin üzerindeki gerilim
XL = ω₀L = 4613·0,01 = 46,13 Ω
VL = I·XL = 1,6·46,13 = 73,8 V
Cevap
VL = 73,8 V
Bu, kaynak geriliminin Q = 3,075 katıdır.
11.AC güç ve güç faktörü
Cevap: I = 79,17 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.
Hat akımı
Gücün yalnızca aktif kısmı iş yapar, bu yüzden güç faktörüne bölün.
I = P/(V·cos φ) = 19000/(400·0,6) = 79,17 A
Cevap
I = 79,17 A
12.AC güç ve güç faktörü
Cevap: I = 75,1 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 = 13·tan(arccos 0,65) = 15,2 kvar
QC = V²·2πf·C = 240²·2π·50·150·10⁻⁶ = 2714 var = 2,714 kvar
Q2 = 15,2 − 2,714 = 12,48 kvar
Yeni görünür güç
S2 = √(13² + 12,48²) = 18,02 kVA
Yeni hat akımı
I = S2/V = 18024/240 = 75,1 A
Cevap
I = 75,1 A
13.Üç fazlı güç
Cevap: IL = 15 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 = 15/0,93 = 16,13 kW
Hat akımı
IL = Pin/(√3·VL·cos φ) = 16129/(√3·690·0,9) = 15 A
Cevap
IL = 15 A
14.Üç fazlı güç
Cevap: Cph = 343,3 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 = 75·tan(acos 0,75) = 75·0,8819 = 66,14 kvar
Q2 = 75·tan(acos 0,9) = 75·0,4843 = 36,32 kvar
Kondansatörlerin sağladığı reaktif güç
QC = Q1 − Q2 = 29,82 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.
Sekonder gerilim ve akım
V2 = 480/4 = 120 V
I2 = 120/48 = 2,5 A
Primer akım
İdeal bir transformatörün kaybı yoktur: V₁·I₁ = V₂·I₂.
I1 = I2/4 = 0,625 A
Cevap
I1 = 0,625 A
Kontrol: primerden görülen yük a²·RL = 768 Ω’dur ve 480/768 aynı akımı verir.
16.Transformatörler
Cevap: Sη,max = 288,7 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.