A ile B arasındaki Vₛ gerilim kaynağının + ucu A’dadır, bu yüzden VA − VB = Vₛ yapar. Süper düğümlü düğüm analizi kullanarak VA düğüm gerilimini (topraktan ölçülen) bulun.
a–b uçlarından görülen Thévenin gerilimi Vth değerini bulun.
V1 = 18 VR1 = 6 ΩR2 = 6 ΩR3 = 2 Ω
Vth = V
6.Thévenin ve NortonZor
Norton akımı IN değerini bulun: uçlar kısa devre edilirse a’dan b’ye akan akım.
V1 = 12 VIs = 0,5 AR1 = 5 ΩR2 = 3 ΩR3 = 20 Ω
IN = A
7.RC ve RL geçici rejimOrta
Anahtar t = 0’da kapanmadan önce bobinden akım geçmez. Anahtar kapandıktan ne kadar sonra akım son değerinin %95’ine ulaşır? t değerini bulun.
Vs = 6 VR = 100 ΩL = 33 mH
t = ms
8.RC ve RL geçici rejimZor
Bir zamanlayıcı, t = 0’da 9 V’luk bir kaynaktan bir direnç üzerinden yüksüz bir kondansatörü doldurmaya başlıyor. Kondansatör gerilimi 6,75 V’a ulaştığında, başlangıçtan tam 20 ms sonra tetiklemelidir. C = 4,7 µF ile gereken direnç R değerini bulun.
Vs = 9 VVth = 6,75 VT = 20 msC = 4,7 µF
R = kΩ
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 = 80 ΩL = 200 mHC = 2,2 µF
cos φ =
10.AC empedans ve fazörlerZor
Seri bir RLC devresi 230 V (rms), 200 Hz bir kaynağa bağlı. Kondansatör üzerindeki rms gerilim VC değerini bulun.
V = 230 V (rms)f = 200 HzR = 10 ΩL = 20 mHC = 4,7 µF
VC = V
11.AC güç ve güç faktörüOrta
Empedansı Z = 12 + j9 Ω olan bir yük 240 V (rms)’lik tek fazlı bir kaynağa bağlıdır. Harcadığı aktif güç P değerini bulun.
V = 240 VZ = 12 + j9 Ω
P = W
12.AC güç ve güç faktörüZor
Tek fazlı bir yük, 400 V, 50 Hz bir kaynaktan 0,7 geri güç faktöründe 5 kW çekiyor. Paralel bağlanan bir kondansatör güç faktörünü 0,98 değerine yükseltiyor. Yeni hat akımı Inew değerini bulun.
P = 5 kWpf1 = 0,7pf2 = 0,98V = 400 Vf = 50 Hz
Inew = A
13.Üç fazlı güçOrta
Üç fazlı bir asenkron motor tam yükte 55 kW mekanik çıkış gücü veriyor. Bu yükte verimi %88 ve güç faktörü 0,84 geri. Kaynağın fazlar arası gerilimi 480 V. Hat akımı IL değerini bulun.
Pout = 55 kWη = 88%cos φ = 0,84VL = 480 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 100 kW çekiyor. Yüke paralel bağlanan üç fazlı bir kondansatör grubu toplam güç faktörünü 0,98 geriye yükseltmelidir. Aktif güç aynı kalır. Kondansatörler Y bağlıdır. Her kondansatörün kapasitansı Cph değerini µF cinsinden bulun.
P = 100 kWpf1 = 0,7pf2 = 0,98VL = 400 Vf = 60 Hz
Cph = µF
15.TransformatörlerOrta
Tek fazlı 10 kVA, 10000/400 V bir transformatör anma yükünde çalışıyor. İdeal kabul edin. Yüksek gerilim sargısındaki akım IHV değerini bulun.
S = 10 kVAV1 = 10000 VV2 = 400 V
IHV = A
16.TransformatörlerZor
Tek fazlı 250 kVA bir transformatörün demir kaybı 2000 W’tır. Anma yükünde ve 0,85 geri güç faktöründe verimi %96,5’dir. Tam yükteki bakır kaybı Pcu,fl değerini watt cinsinden bulun.
S = 250 kVAPcore = 2000 Wpf = 0,85η = 96,5%
Pcu,fl = W
3Çözeltiler
1.Seri ve paralel dirençler
Cevap: IR1 = 1,972 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 = 20 + 12 = 32 Ω
R2 ∥ 32 = 15·32/(15+32) = 10,21 Ω
Req = R1 + 10,21 = 5 + 10,21 = 15,21 Ω
Kaynaktan çekilen akım
Kaynak yalnızca Req’yi görür; Ohm yasası verdiği akımı bulur. Bu akım R₁’den geçer.
IR1 = V1/Req = 30/15,21 = 1,972 A
Cevap
IR1 = 1,972 A
2.Seri ve paralel dirençler
Cevap: IR1 = 0,487 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 = 2 + 2 = 4 Ω
R4 ∥ 4 = 1,714 Ω
R3 + 1,714 = 31,71 Ω
R2 ∥ 31,71 = 4,319 Ω
Req = R1 + 4,319 = 8 + 4,319 = 12,32 Ω
Kaynaktan çekilen akım
Kaynak yalnızca Req’yi görür; Ohm yasası verdiği akımı bulur. Bu akım R₁’den geçer.
IR1 = V1/Req = 6/12,32 = 0,487 A
Cevap
IR1 = 0,487 A
3.Düğüm analizi
Cevap: VB = 8,103 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 = 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/8 + (VA − 12)/3 + (VA − VB)/10 = 0
0,5583·VA − 0,1·VB = 4
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)/10 = 4
−0,1·VA + 0,6·VB = 4
Çözün
Δ = (0,5583)(0,6) − (−0,1)(−0,1) = 0,325
VA = Δ1/Δ = 2,8/0,325 = 8,615 V
VB = Δ2/Δ = 2,633/0,325 = 8,103 V
Cevap
VB = 8,103 V
4.Düğüm analizi
Cevap: VA = 19,67 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.
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 − 5
(VA − V1)/R1 + VA/R2 + VB/R3 = Is
Çözün
(VA − 15)/20 + VA/6 + (VA − 5)/30 = 4
VA·(1/20 + 1/6 + 1/30) = 4 + 15/20 + 5/30 = 4,917
VA = 4,917/0,25 = 19,67 V
VB = 14,67 V
Cevap
VA = 19,67 V
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 = 6·6/(6+6) = 3 Ω
Rth = (R1 ∥ R2) + R3 = 3 + 2 = 5 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) = 18·6/(6+6) = 9 V
6.Thévenin ve Norton
Cevap: IN = −0,2943 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 = 5·3/(5+3) = 1,875 Ω
Rth = (R1 ∥ R2) + R3 = 1,875 + 20 = 21,88 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) = 4,5 + (−0,5)·1,875 = 3,563 V
Vth = VB = VA + Is·R3 = 3,563 + (−0,5)·20 = −6,437 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 = −6,437/21,88 = −0,2943 A
7.RC ve RL geçici rejim
Cevap: t = 0,9886 ms
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 = 6/100 = 0,06 A
Zaman için çözün
0,95 = 1 − e−t/τ → t = −τ·ln(1 − 0,95)
t = −0,33·ln(0,05) = 0,9886 ms
Cevap
t = 0,9886 ms
8.RC ve RL geçici rejim
Cevap: R = 3,07 kΩ
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.
Gerekli zaman sabiti
6,75 = 9·(1 − e−20/τ) → τ = 20/ln(9/(9 − 6,75))
τ = 20/1,386 = 14,43 ms
Direnç
kΩ çarpı µF milisaniye verir.
R = τ/C = 14,43/4,7 = 3,07 kΩ
Cevap
R = 3,07 kΩ
9.AC empedans ve fazörler
Cevap: cos φ = 0,1632
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 = 628,3 Ω, XC = 144,7 Ω
Empedans
|Z| = √(80² + (483,6)²) = 490,2 Ω
Güç faktörü
cos φ = R/|Z| = 80/490,2 = 0,1632
Devre endüktiftir, bu yüzden güç faktörü geridir.
Cevap
cos φ = 0,1632
10.AC empedans ve fazörler
Cevap: VC = 269,4 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.
Reaktanslar
ω = 2πf = 2π·200 = 1257 rad/s
XL = ωL = 1257·0,02 = 25,13 Ω
XC = 1/(ωC) = 1/(1257·4,7·10⁻⁶) = 169,3 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.
Akım
|Z| = √(12² + 9²) = 15 Ω
I = V/|Z| = 240/15 = 16 A
Aktif güç
P = I²·R = 16²·12 = 3072 W
Cevap
P = 3072 W
12.AC güç ve güç faktörü
Cevap: Inew = 12,76 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 = 5·tan(45,57°) = 5,101 kvar
Q2 = P·tan φ2 = 5·tan(11,48°) = 1,015 kvar
QC = Q1 − Q2 = 4,086 kvar
Yeni hat akımı
Inew = P/(V·cos φ2) = 5000/(400·0,98) = 12,76 A
Cevap
Inew = 12,76 A
13.Üç fazlı güç
Cevap: IL = 89,5 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 = 55/0,88 = 62,5 kW
Hat akımı
IL = Pin/(√3·VL·cos φ) = 62500/(√3·480·0,84) = 89,5 A
Cevap
IL = 89,5 A
14.Üç fazlı güç
Cevap: Cph = 1355 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 = 100·tan(acos 0,7) = 100·1,02 = 102 kvar
Q2 = 100·tan(acos 0,98) = 100·0,2031 = 20,31 kvar
Kondansatörlerin sağladığı reaktif güç
QC = Q1 − Q2 = 81,71 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 = 10000/10000 = 1 A
Cevap
IHV = 1 A
16.Transformatörler
Cevap: Pcu,fl = 5707 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.