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.
Is = 4 AVs = 6 VR1 = 12 ΩR2 = 12 Ω
Ix = A
4.Düğüm analiziZor
Akım kaynağı, A’daki düğüm gerilimi VA = 12 V olana kadar ayarlanıyor. Düğüm analizi kullanarak kaynak akımı Is değerini (yönü şekildeki gibi) bulun.
a–b uçlarından görülen Thévenin direnci Rth değerini bulun.
V1 = 9 VR1 = 20 ΩR2 = 8 ΩR3 = 12 Ω
Rth = Ω
6.Thévenin ve NortonZor
Norton akımı IN değerini bulun: uçlar kısa devre edilirse a’dan b’ye akan akım.
V1 = 12 VIs = 2 AR1 = 15 ΩR2 = 6 ΩR3 = 30 Ω
IN = A
7.RC ve RL geçici rejimOrta
Anahtar t = 0’da kapanmadan önce bobinden akım geçmez. t = 5 ms anında bobin üzerindeki vL gerilimini bulun.
Vs = 5 VR = 33 ΩL = 100 mHt = 5 ms
vL = V
8.RC ve RL geçici rejimZor
Anahtar t = 0’da kapanmadan hemen önce kondansatörde gösterilen polaritede 2 V vardır. vC değerinin 10 V’a ulaşması ne kadar sürer? t değerini bulun.
Vs = 12 VR = 3,3 kΩC = 220 µFvC(0) = 2 V
t = ms
9.AC empedans ve fazörlerOrta
Seri bir RLC devresi 24 V (rms), 50 Hz bir kaynağa bağlı. Rms akım I değerini bulun.
V = 24 V (rms)f = 50 HzR = 100 ΩL = 20 mHC = 22 µF
I = A
10.AC empedans ve fazörlerZor
Seri bir RLC devresi, frekansı devrenin rezonans frekansına ayarlanmış 10 V (rms)’lik bir kaynakla sürülüyor. Bobin üzerindeki rms gerilim VL değerini bulun.
V = 10 V (rms)R = 10 ΩL = 5 mHC = 0,47 µF
VL = V
11.AC güç ve güç faktörüOrta
Tek fazlı bir motor, 230 V bir kaynaktan 0,6 geri güç faktöründe 32 kW çekiyor. Hat akımı I değerini bulun.
P = 32 kWpf = 0,6V = 230 V
I = A
12.AC güç ve güç faktörüZor
Tek fazlı bir yük 230 V, 50 Hz’lik bir kaynaktan 0,65 geri güç faktöründe 26 kW çekiyor. Yüke paralel olarak 470 µF’lık bir kondansatör bağlanıyor. Kaynağın gördüğü yeni güç faktörü cos φ değerini bulun.
P = 26 kWpf1 = 0,65V = 230 Vf = 50 HzC = 470 µF
cos φ =
13.Üç fazlı güçOrta
Üç fazlı bir asenkron motor tam yükte 15 kW mekanik çıkış gücü veriyor. Bu yükte verimi %88 ve güç faktörü 0,8 geri. Kaynağın fazlar arası gerilimi 415 V. Hat akımı IL değerini bulun.
Pout = 15 kWη = 88%cos φ = 0,8VL = 415 V
IL = A
14.Üç fazlı güçZor
Dengeli üç fazlı bir yük, 690 V (fazlar arası), 60 Hz bir kaynaktan 0,75 geri güç faktöründe 200 kW çekiyor. Yüke paralel bağlanan üç fazlı bir kondansatör grubu toplam güç faktörünü 0,92 geriye yükseltmelidir. Aktif güç aynı kalır. Kondansatörler Y bağlıdır. Her kondansatörün kapasitansı Cph değerini µF cinsinden bulun.
P = 200 kWpf1 = 0,75pf2 = 0,92VL = 690 Vf = 60 Hz
Cph = µF
15.TransformatörlerOrta
Sarım oranı N₁:N₂ = 2:1 olan ideal bir transformatörün primer sargısına 460 V uygulanıyor. Sekonder sargının uçlarına 10 Ω’luk bir direnç bağlanmıştır. Primer akım I1 değerini bulun.
N1:N2 = 2:1V1 = 460 VRL = 10 Ω
I1 = A
16.TransformatörlerZor
Tek fazlı 75 kVA bir transformatörün demir kaybı 225 W’tır. Anma yükünde ve 0,9 geri güç faktöründe verimi %96’dir. Tam yükteki bakır kaybı Pcu,fl değerini watt cinsinden bulun.
S = 75 kVAPcore = 225 Wpf = 0,9η = 96%
Pcu,fl = W
3Çözeltiler
1.Seri ve paralel dirençler
Cevap: Req = 8,333 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 + 15 = 20 Ω
R2 ∥ 20 = 4·20/(4+20) = 3,333 Ω
Req = R1 + 3,333 = 5 + 3,333 = 8,333 Ω
Cevap
Req = 8,333 Ω
2.Seri ve paralel dirençler
Cevap: Req = 5,175 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 = 25 + 20 = 45 Ω
R4 ∥ 45 = 1,915 Ω
R3 + 1,915 = 7,915 Ω
R2 ∥ 7,915 = 2,175 Ω
Req = R1 + 2,175 = 3 + 2,175 = 5,175 Ω
Cevap
Req = 5,175 Ω
3.Düğüm analizi
Cevap: Ix = 2,25 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 + Vs = VA + 6
VA/R1 + VB/R2 = Is
Çözün
VA/12 + (VA + 6)/12 = 4
VA = (4 − 6/12)/(1/12 + 1/12) = 21 V
VB = 21 + 6 = 27 V
Gerilim kaynağından geçen akım
Kaynaktan A’dan B’ye geçen her şey B düğümünden R₂ üzerinden çıkar.
Ix = VB/R2 = 27/12 = 2,25 A
Cevap
Ix = 2,25 A
Negatif sonuç, gerçek akımın oka ters yönde aktığı anlamına gelir.
4.Düğüm analizi
Cevap: Is = 3,2 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
VA bilindiği için bu denklem VB’yi verir.
(VA − V1)/R1 + VA/R2 + (VA − VB)/R3 = 0
(12 − 36)/25 + 12/30 = (VB − 12)/8
−0,56 = (VB − 12)/8 → VB = 7,52 V
B düğümünde KAY
Dirençler üzerinden B’den çıkan akımlar, kaynakların B’ye ittiği akıma eşittir.
Is = (VB − VA)/R3 + VB/R4 = (7,52 − 12)/8 + 7,52/2 = 3,2 A
Cevap
Is = 3,2 A
5.Thévenin ve Norton
Cevap: Rth = 17,71 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 = 20·8/(20+8) = 5,714 Ω
Rth = (R1 ∥ R2) + R3 = 5,714 + 12 = 17,71 Ω
6.Thévenin ve Norton
Cevap: IN = 2,1 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 = 15·6/(15+6) = 4,286 Ω
Rth = (R1 ∥ R2) + R3 = 4,286 + 30 = 34,29 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) = 3,429 + 2·4,286 = 12 V
Vth = VB = VA + Is·R3 = 12 + 2·30 = 72 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 = 72/34,29 = 2,1 A
7.RC ve RL geçici rejim
Cevap: vL = 0,9602 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.
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 = 100 mH / 33 Ω = 3,03 ms
i(∞) = Vs/R = 5/33 = 0,1515 A
Bobin gerilimi
t = 0’da besleme geriliminin tamamı bobin üzerindedir; sonra sıfıra söner.
vL(t) = Vs·e−t/τ = 5·e−5/3,03 = 0,9602 V
Cevap
vL = 0,9602 V
8.RC ve RL geçici rejim
Cevap: t = 1168 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.
Başlangıç değeri, son değer, zaman sabiti
Kondansatör gerilimi sıçrayamaz; bu yüzden depolanan değerden başlar ve kaynak gerilimine yönelir.
t = τ·ln((2 − 12)/(10 − 12)) = 726·ln(5) = 1168 ms
Cevap
t = 1168 ms
9.AC empedans ve fazörler
Cevap: I = 0,1406 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·50 = 314,2 rad/s
XL = ωL = 314,2·0,02 = 6,283 Ω
XC = 1/(ωC) = 1/(314,2·22·10⁻⁶) = 144,7 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/√(0,005·0,47·10⁻⁶) = 20628 rad/s
I = V/R = 10/10 = 1 A
Bobin üzerindeki gerilim
XL = ω₀L = 20628·0,005 = 103,1 Ω
VL = I·XL = 1·103,1 = 103,1 V
Cevap
VL = 103,1 V
Bu, kaynak geriliminin Q = 10,31 katıdır.
11.AC güç ve güç faktörü
Cevap: I = 231,9 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) = 32000/(230·0,6) = 231,9 A
Cevap
I = 231,9 A
12.AC güç ve güç faktörü
Cevap: cos φ = 0,7549
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 = 26·tan(arccos 0,65) = 30,4 kvar
QC = V²·2πf·C = 230²·2π·50·470·10⁻⁶ = 7811 var = 7,811 kvar
Q2 = 30,4 − 7,811 = 22,59 kvar
Yeni görünür güç
S2 = √(26² + 22,59²) = 34,44 kVA
Yeni güç faktörü
cos φ = P/S2 = 26/34,44 = 0,7549
Cevap
cos φ = 0,7549
13.Üç fazlı güç
Cevap: IL = 29,64 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 = 15/0,88 = 17,05 kW
Hat akımı
IL = Pin/(√3·VL·cos φ) = 17045/(√3·415·0,8) = 29,64 A
Cevap
IL = 29,64 A
14.Üç fazlı güç
Cevap: Cph = 508 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 = 200·tan(acos 0,75) = 200·0,8819 = 176,4 kvar
Q2 = 200·tan(acos 0,92) = 200·0,426 = 85,2 kvar
Kondansatörlerin sağladığı reaktif güç
QC = Q1 − Q2 = 91,18 kvar
Faz başına kapasitans
Y grupta her kondansatör bir hat ile yıldız noktası arasına bağlıdır.
V = 690/√3 = 398,4 V, ω = 2π·60 = 377 rad/s
Cph = (QC/3)/(ω·V²) = 30395/(377·398,4²) = 508 µF
Cevap
Cph = 508 µF
15.Transformatörler
Cevap: I1 = 11,5 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.
Sekonder gerilim ve akım
V2 = 460/2 = 230 V
I2 = 230/10 = 23 A
Primer akım
İdeal bir transformatörün kaybı yoktur: V₁·I₁ = V₂·I₂.
I1 = I2/2 = 11,5 A
Cevap
I1 = 11,5 A
Kontrol: primerden görülen yük a²·RL = 40 Ω’dur ve 460/40 aynı akımı verir.
16.Transformatörler
Cevap: Pcu,fl = 2588 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.