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.
A ile B arasındaki Vₛ gerilim kaynağının + ucu A’dadır, bu yüzden VA − VB = Vₛ yapar. Süper düğümlü düğüm analizi kullanarak ok yönünde R1 üzerinden geçen IR1 akımını bulun.
a–b uçlarından görülen Thévenin gerilimi Vth değerini bulun.
V1 = 15 VR1 = 4 ΩR2 = 6 ΩR3 = 6 Ω
Vth = V
6.Thévenin ve NortonZor
a–b uçlarından görülen Thévenin gerilimi Vth değerini bulun.
V1 = 15 VIs = 3 AR1 = 30 ΩR2 = 30 ΩR3 = 30 Ω
Vth = V
7.RC ve RL geçici rejimOrta
Anahtar t = 0’da kapanmadan önce bobinden akım geçmez. t = 1 ms anında i akımını bulun.
Vs = 24 VR = 33 ΩL = 22 mHt = 1 ms
i = A
8.RC ve RL geçici rejimZor
Anahtar t = 0’da kapanmadan hemen önce kondansatörde gösterilen polaritede 24 V vardır. vC değerinin 12 V’a ulaşması ne kadar sürer? t değerini bulun.
Vs = 9 VR = 2,2 kΩC = 68 µFvC(0) = 24 V
t = ms
9.AC empedans ve fazörlerOrta
Bir direnç ve bir bobin, 120 V (rms), 200 Hz’lik bir kaynağın uçlarına paralel bağlıdır. Empedansın faz açısı φ değerini derece cinsinden bulun (akım gerilimden geride olduğunda pozitif).
V = 120 V (rms)f = 200 HzR = 50 ΩL = 20 mH
φ = °
10.AC empedans ve fazörlerZor
Seri bir RLC devresi 10 V (rms), 500 Hz bir kaynağa bağlı. Rms akım I değerini bulun.
V = 10 V (rms)f = 500 HzR = 30 ΩL = 20 mHC = 1 µF
I = A
11.AC güç ve güç faktörüOrta
Tek fazlı bir motor, 240 V bir kaynaktan 0,8 geri güç faktöründe 30 kW çekiyor. Hat akımı I değerini bulun.
P = 30 kWpf = 0,8V = 240 V
I = A
12.AC güç ve güç faktörüZor
Tek fazlı bir yük 400 V, 50 Hz’lik bir kaynaktan 0,65 geri güç faktöründe 6 kW çekiyor. Yüke paralel olarak 33 µF’lık bir kondansatör bağlanıyor. Kaynağın gördüğü yeni güç faktörü cos φ değerini bulun.
P = 6 kWpf1 = 0,65V = 400 Vf = 50 HzC = 33 µF
cos φ =
13.Üç fazlı güçOrta
Üç fazlı bir asenkron motor tam yükte 110 kW mekanik çıkış gücü veriyor. Bu yükte verimi %90 ve güç faktörü 0,8 geri. Kaynağın fazlar arası gerilimi 480 V. Hat akımı IL değerini bulun.
Pout = 110 kWη = 90%cos φ = 0,8VL = 480 V
IL = A
14.Üç fazlı güçZor
Dengeli üç fazlı bir yük, 480 V (fazlar arası), 60 Hz bir kaynaktan 0,72 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. Kondansatör grubunun sağlaması gereken toplam reaktif güç QC değerini kvar cinsinden bulun.
P = 100 kWpf1 = 0,72pf2 = 0,9VL = 480 Vf = 60 Hz
QC = kvar
15.TransformatörlerOrta
Tek fazlı 15 kVA, 7200/240 V bir transformatör anma yükünde çalışıyor. İdeal kabul edin. Alçak gerilim sargısındaki akım ILV değerini bulun.
S = 15 kVAV1 = 7200 VV2 = 240 V
ILV = A
16.TransformatörlerZor
Tek fazlı 250 kVA bir transformatörün demir kaybı 1000 W, anma yükündeki bakır kaybı 2000 W’tır. Transformatör anma kVA değerinin %75 kadarını 0,95 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 = 6 + 3 = 9 Ω
R2 ∥ 9 = 8·9/(8+9) = 4,235 Ω
Req = R1 + 4,235 = 4 + 4,235 = 8,235 Ω
Cevap
Req = 8,235 Ω
2.Seri ve paralel dirençler
Cevap: IR1 = 0,9538 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 + 25 = 33 Ω
R4 ∥ 33 = 2,75 Ω
R3 + 2,75 = 17,75 Ω
R2 ∥ 17,75 = 4,484 Ω
Req = R1 + 4,484 = 6 + 4,484 = 10,48 Ω
Kaynaktan çekilen akım
Kaynak yalnızca Req’yi görür; Ohm yasası verdiği akımı bulur. Bu akım R₁’den geçer.
IR1 = V1/Req = 10/10,48 = 0,9538 A
Cevap
IR1 = 0,9538 A
3.Düğüm analizi
Cevap: I3 = −0,6667 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)/10 + (VA − 15)/15 + (VA − 6)/3 = 0
VA’yı çözün
VA = (10/10 + 15/15 + 6/3) / (1/10 + 1/15 + 1/3) = 4/0,5 = 8 V
Kol akımı
Ok kol boyunca yukarı, A düğümüne doğru gösterir.
I3 = (6 − VA)/R3 = (6 − 8)/3 = −0,6667 A
Cevap
I3 = −0,6667 A
Negatif sonuç, gerçek akımın oka ters yönde aktığı anlamına gelir.
4.Düğüm analizi
Cevap: IR1 = 0,5905 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 − 4
(VA − V1)/R1 + VA/R2 + VB/R3 = Is
Çözün
(VA − 18)/15 + VA/30 + (VA − 4)/4 = 1
VA·(1/15 + 1/30 + 1/4) = 1 + 18/15 + 4/4 = 3,2
VA = 3,2/0,35 = 9,143 V
VB = 5,143 V
R₁’den geçen akım
IR1 = (V1 − VA)/R1 = (18 − 9,143)/15 = 0,5905 A
Cevap
IR1 = 0,5905 A
Negatif sonuç, gerçek akımın oka ters yönde aktığı anlamına gelir.
5.Thévenin ve Norton
Cevap: Vth = 9 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 = 4·6/(4+6) = 2,4 Ω
Rth = (R1 ∥ R2) + R3 = 2,4 + 6 = 8,4 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) = 15·6/(4+6) = 9 V
6.Thévenin ve Norton
Cevap: Vth = −127,5 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 = 30·30/(30+30) = 15 Ω
Rth = (R1 ∥ R2) + R3 = 15 + 30 = 45 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) = 7,5 + (−3)·15 = −37,5 V
Vth = VB = VA + Is·R3 = −37,5 + (−3)·30 = −127,5 V
7.RC ve RL geçici rejim
Cevap: i = 0,565 A
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.
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.
t = τ·ln((24 − 9)/(12 − 9)) = 149,6·ln(5) = 240,8 ms
Cevap
t = 240,8 ms
9.AC empedans ve fazörler
Cevap: φ = 63,31 °
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.
Reaktans
XL = ωL = 2π·200·0,02 = 25,13 Ω
Kol akımları
İki kol da doğrudan kaynağın uçlarına bağlıdır, bu yüzden her biri V geriliminin tamamını görür.
IR = V/R = 120/50 = 2,4 A
IX = V/XL = 120/25,13 = 4,775 A
Toplam akım
Direnç akımı V ile aynı fazdadır, reaktif akım ise 90° faz farklıdır, bu yüzden bir dik üçgenin kenarları gibi toplanırlar.
I = √(IR² + IX²) = √(2,4² + 4,775²) = 5,344 A
Faz açısı
Bobin akımı V’den geridedir, bu yüzden toplam akım geridedir ve açı pozitiftir.
φ = arctan(IX/IR) = arctan(4,775/2,4) = 63,31°
Cevap
φ = 63,31°
10.AC empedans ve fazörler
Cevap: I = 0,03888 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·500 = 3142 rad/s
XL = ωL = 3142·0,02 = 62,83 Ω
XC = 1/(ωC) = 1/(3142·1·10⁻⁶) = 318,3 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.
Hat akımı
Gücün yalnızca aktif kısmı iş yapar, bu yüzden güç faktörüne bölün.
I = P/(V·cos φ) = 30000/(240·0,8) = 156,3 A
Cevap
I = 156,3 A
12.AC güç ve güç faktörü
Cevap: cos φ = 0,746
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 = 6·tan(arccos 0,65) = 7,015 kvar
QC = V²·2πf·C = 400²·2π·50·33·10⁻⁶ = 1659 var = 1,659 kvar
Q2 = 7,015 − 1,659 = 5,356 kvar
Yeni görünür güç
S2 = √(6² + 5,356²) = 8,043 kVA
Yeni güç faktörü
cos φ = P/S2 = 6/8,043 = 0,746
Cevap
cos φ = 0,746
13.Üç fazlı güç
Cevap: IL = 183,8 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 = 110/0,9 = 122,2 kW
Hat akımı
IL = Pin/(√3·VL·cos φ) = 122222/(√3·480·0,8) = 183,8 A
Cevap
IL = 183,8 A
14.Üç fazlı güç
Cevap: QC = 47,95 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 = 100·tan(acos 0,72) = 100·0,9639 = 96,39 kvar
Q2 = 100·tan(acos 0,9) = 100·0,4843 = 48,43 kvar
Kondansatörlerin sağladığı reaktif güç
QC = Q1 − Q2 = 47,95 kvar
Cevap
QC = 47,95 kvar
15.Transformatörler
Cevap: ILV = 62,5 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.
ILV = S/V = 15000/240 = 62,5 A
Cevap
ILV = 62,5 A
16.Transformatörler
Cevap: Ploss = 2125 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.