Джерело струму регулюють, доки вузлова напруга в A не стане VA = 6 V. Методом вузлових потенціалів знайдіть струм джерела Is (напрямок як на схемі).
V1 = 5 VR1 = 8 ΩR2 = 8 ΩR3 = 2 ΩR4 = 25 ΩVA = 6 V
Is = A
5.Тевенен і НортонСередня
Знайдіть струм Нортона IN: струм, що тече від a до b, якщо затискачі закоротити.
V1 = 12 VR1 = 6 ΩR2 = 15 ΩR3 = 3 Ω
IN = A
6.Тевенен і НортонСкладна
Знайдіть струм Нортона IN: струм, що тече від a до b, якщо затискачі закоротити.
V1 = 15 VIs = 4 AR1 = 4 ΩR2 = 6 ΩR3 = 12 Ω
IN = A
7.Перехідні процеси RC і RLСередня
До замикання вимикача в момент t = 0 струму через котушку немає. Знайдіть напругу vL на котушці в момент t = 1 ms.
Vs = 10 VR = 68 ΩL = 68 mHt = 1 ms
vL = V
8.Перехідні процеси RC і RLСкладна
Ключ був замкнений тривалий час, тож коло в усталеному режимі. При t = 0 ключ розмикається. Знайдіть напругу на конденсаторі vC у момент t = 150 ms.
Vs = 24 VR1 = 4,7 kΩR2 = 3,3 kΩC = 68 µFt = 150 ms
vC = V
9.Повний опір і комплексні амплітудиСередня
Послідовне RLC-коло з L = 10 mH має резонувати на частоті 50 Hz. Знайдіть потрібну ємність C.
f0 = 50 HzL = 10 mH
C = µF
10.Повний опір і комплексні амплітудиСкладна
Послідовне коло RLC підключено до мережі 230 V (діюче значення), 500 Hz. Знайдіть резонансну частоту f0 кола.
V = 230 V (rms)f = 500 HzR = 80 ΩL = 200 mHC = 1 µF
f0 = Hz
11.Потужність змінного струму й коефіцієнт потужностіСередня
Однофазний двигун споживає 32 kW при коефіцієнті потужності 0,7 (індуктивному) від мережі 240 V. Знайдіть реактивну потужність Q, яку він споживає.
P = 32 kWpf = 0,7V = 240 V
Q = kvar
12.Потужність змінного струму й коефіцієнт потужностіСкладна
Однофазний трансформатор потужністю 25 kVA живить навантаження 14 kW з коефіцієнтом потужності 0,75 (індуктивним). Яку додаткову активну потужність ΔP можна під’єднати у вигляді активного навантаження (коефіцієнт потужності 1), перш ніж трансформатор досягне номінальної потужності в kVA?
Smax = 25 kVAP1 = 14 kWpf1 = 0,75
ΔP = kW
13.Трифазні системиСередня
Симетричне навантаження, з’єднане зіркою, з повним опором 12 + j9 Ω на фазу підключене до симетричної трифазної мережі з лінійною напругою 208 V. Знайдіть сумарну активну потужність P, яку поглинає навантаження, у kW.
VL = 208 VZ = 12 + j9 Ω на фазу
P = kW
14.Трифазні системиСкладна
Симетричне трифазне навантаження споживає 75 kW при коефіцієнті потужності 0,78 (відстаючому) від мережі 480 V (лінійна напруга), 50 Hz. Трифазна конденсаторна батарея, підключена паралельно до навантаження, має підвищити загальний коефіцієнт потужності до 0,92 (відстаючого). Активна потужність не змінюється. Конденсатори з’єднано зіркою. Знайдіть ємність Cph кожного конденсатора в µF.
P = 75 kWpf1 = 0,78pf2 = 0,92VL = 480 Vf = 50 Hz
Cph = µF
15.ТрансформаториСередня
До первинної обмотки ідеального трансформатора з коефіцієнтом трансформації N₁:N₂ = 4:1 прикладено 480 V. До вторинної обмотки підключено резистор 4 Ω. Знайдіть первинний струм I1.
N1:N2 = 4:1V1 = 480 VRL = 4 Ω
I1 = A
16.ТрансформаториСкладна
Однофазний трансформатор 500 kVA має втрати в сталі 4000 W і втрати в міді 12000 W при номінальному навантаженні. Він віддає 50% своєї номінальної потужності в kVA при коефіцієнті потужності 0,8 (відстаючому). Знайдіть сумарні втрати Ploss у ватах при цьому навантаженні.
Послідовне й паралельне з’єднання: послідовно через кожен резистор тече той самий струм і R = R₁ + R₂ + …. Паралельно на кожному резисторі та сама напруга і 1/R = 1/R₁ + 1/R₂ + …. Драбинчасту мережу спрощують по одній парі, доки не залишиться один еквівалентний опір.
Об’єднуйте резистори з дальнього кінця
Почніть із кінця, найдальшого від джерела, і рухайтеся до нього. Резистори з однаковим струмом з’єднані послідовно; резистори між тими самими двома вузлами — паралельно.
R3 + R4 = 6 + 4 = 10 Ω
R2 ∥ 10 = 8·10/(8+10) = 4,444 Ω
Req = R1 + 4,444 = 12 + 4,444 = 16,44 Ω
Відповідь
Req = 16,44 Ω
2.Послідовні й паралельні резистори
Відповідь: IR1 = 0,4744 A
Послідовне й паралельне з’єднання: послідовно через кожен резистор тече той самий струм і R = R₁ + R₂ + …. Паралельно на кожному резисторі та сама напруга і 1/R = 1/R₁ + 1/R₂ + …. Драбинчасту мережу спрощують по одній парі, доки не залишиться один еквівалентний опір.
Об’єднуйте резистори з дальнього кінця
Почніть із кінця, найдальшого від джерела, і рухайтеся до нього. Резистори з однаковим струмом з’єднані послідовно; резистори між тими самими двома вузлами — паралельно.
R5 + R6 = 4 + 30 = 34 Ω
R4 ∥ 34 = 6,476 Ω
R3 + 6,476 = 9,476 Ω
R2 ∥ 9,476 = 5,295 Ω
Req = R1 + 5,295 = 20 + 5,295 = 25,29 Ω
Струм джерела
Джерело бачить лише Req, тож закон Ома дає струм, який воно віддає. Цей струм тече через R₁.
IR1 = V1/Req = 12/25,29 = 0,4744 A
Відповідь
IR1 = 0,4744 A
3.Метод вузлових потенціалів
Відповідь: PIs = 21,61 W
Метод вузлових потенціалів: оберіть опорний вузол, позначте невідомі вузлові напруги, запишіть закон струмів Кірхгофа для кожного невідомого вузла за законом Ома (I = ΔV/R) і розв’яжіть отримані рівняння.
ЗСК у вузлі A
Струми, що виходять із A через резистори, дорівнюють струму, який джерела подають у A.
VA/R2 + (VA − V1)/R1 + (VA − VB)/R3 = 0
VA/10 + (VA − 6)/12 + (VA − VB)/12 = 0
0,2667·VA − 0,08333·VB = 0,5
ЗСК у вузлі B
Струми, що виходять із B через резистори, дорівнюють струму, який джерела подають у B.
Джерело подає Iₛ угору у вузол B, від землі (0 V) до VB. Джерело, струм якого виходить з його затискача +, віддає потужність P = V·I.
PIs = VB·Is = 8,644·2,5 = 21,61 W
Відповідь
PIs = 21,61 W
4.Метод вузлових потенціалів
Відповідь: Is = 1,185 A
Метод вузлових потенціалів: оберіть опорний вузол, позначте невідомі вузлові напруги, запишіть закон струмів Кірхгофа для кожного невідомого вузла за законом Ома (I = ΔV/R) і розв’яжіть отримані рівняння.
ЗСК для вузла A
VA відоме, тож це рівняння дає VB.
(VA − V1)/R1 + VA/R2 + (VA − VB)/R3 = 0
(6 − 5)/8 + 6/8 = (VB − 6)/2
0,875 = (VB − 6)/2 → VB = 7,75 V
ЗСК для вузла B
Струми, що виходять з B через резистори, дорівнюють струму, який джерела подають у B.
Is = (VB − VA)/R3 + VB/R4 = (7,75 − 6)/2 + 7,75/25 = 1,185 A
Відповідь
Is = 1,185 A
5.Тевенен і Нортон
Відповідь: IN = 1,176 A
Теорема Тевенена: будь-яке лінійне двополюсне коло поводиться як одне джерело напруги Vth, послідовне з опором Rth. Теорема Нортона подає те саме коло як джерело струму IN = Vth/Rth, паралельне Rth.
Знайдіть Rth з усіма вимкненими джерелами
Замініть джерела напруги короткими замиканнями, а джерела струму — розривами, а тоді подивіться на коло з боку a–b.
R1 ∥ R2 = 6·15/(6+15) = 4,286 Ω
Rth = (R1 ∥ R2) + R3 = 4,286 + 3 = 7,286 Ω
Знайдіть Vth — напругу холостого ходу
Коли a–b розімкнені, через R₃ струм не тече, тож спаду на ньому немає і V_b = V_A. R₁ і R₂ утворюють дільник напруги.
Vth = V1·R2/(R1+R2) = 12·15/(6+15) = 8,571 V
Еквівалент Нортона
Джерело Нортона — те саме коло, подане як джерело струму, паралельне R_th. Його струм — це струм короткого замикання на a–b.
IN = Vth/Rth = 8,571/7,286 = 1,176 A
6.Тевенен і Нортон
Відповідь: IN = −3,375 A
Теорема Тевенена: будь-яке лінійне двополюсне коло поводиться як одне джерело напруги Vth, послідовне з опором Rth. Теорема Нортона подає те саме коло як джерело струму IN = Vth/Rth, паралельне Rth.
Знайдіть Rth з усіма вимкненими джерелами
Замініть джерела напруги короткими замиканнями, а джерела струму — розривами, а тоді подивіться на коло з боку a–b.
R1 ∥ R2 = 4·6/(4+6) = 2,4 Ω
Rth = (R1 ∥ R2) + R3 = 2,4 + 12 = 14,4 Ω
Знайдіть Vth — напругу холостого ходу
Коли a–b розімкнені, Iₛ може текти лише через R₃ у вузол A. Знайдіть V_A накладанням V₁ та Iₛ, потім додайте спад на R₃.
VA = V1·R2/(R1+R2) + Is·(R1∥R2) = 9 + (−4)·2,4 = −0,6 V
Vth = VB = VA + Is·R3 = −0,6 + (−4)·12 = −48,6 V
Еквівалент Нортона
Джерело Нортона — те саме коло, подане як джерело струму, паралельне R_th. Його струм — це струм короткого замикання на a–b.
IN = Vth/Rth = −48,6/14,4 = −3,375 A
7.Перехідні процеси RC і RL
Відповідь: vL = 3,679 V
Перехідні процеси першого порядку: у колі з одним конденсатором або однією котушкою кожна напруга й кожен струм експоненційно змінюються від початкового до кінцевого значення: x(t) = x(∞) + [x(0) − x(∞)]·e−t/τ, де τ = RC або τ = L/R. Приблизно через 5τ коло виходить на усталений режим.
Стала часу і кінцевий струм
Через тривалий час після замикання котушка поводиться як коротке замикання, тож кінцевий струм визначає лише R.
τ = L/R = 68 mH / 68 Ω = 1 ms
i(∞) = Vs/R = 10/68 = 0,1471 A
Напруга на котушці
У момент t = 0 уся напруга живлення прикладена до котушки; далі вона спадає до нуля.
vL(t) = Vs·e−t/τ = 10·e−1/1 = 3,679 V
Відповідь
vL = 3,679 V
8.Перехідні процеси RC і RL
Відповідь: vC = 5,074 V
Перехідні процеси першого порядку: у колі з одним конденсатором або однією котушкою кожна напруга й кожен струм експоненційно змінюються від початкового до кінцевого значення: x(t) = x(∞) + [x(0) − x(∞)]·e−t/τ, де τ = RC або τ = L/R. Приблизно через 5τ коло виходить на усталений режим.
Початкова напруга на конденсаторі
В усталеному режимі конденсатор — розрив кола, тож R₁ і R₂ утворюють подільник напруги. Напруга на конденсаторі не може змінитися стрибком у момент розмикання ключа.
vC(0) = 24·3,3/(4,7 + 3,3) = 9,9 V
Стала часу після розмикання ключа
τ = R2·C = 3,3·68 = 224,4 ms
Розряджання
vC(t) = 9,9·e−150/224,4 = 5,074 V
Відповідь
vC = 5,074 V
9.Повний опір і комплексні амплітуди
Відповідь: C = 1013 µF
Кола змінного струму й комплексний метод: резистори, котушки й конденсатори мають повні опори R, jωL і 1/(jωC), де ω = 2πf. Послідовно повні опори додаються як опори, але як комплексні числа. Діючі значення струму й напруги підкоряються закону Ома з |Z|.
Умова резонансу
При резонансі індуктивний і ємнісний опори взаємно компенсуються: ωL = 1/(ωC).
ω₀ = 2π·50 = 314,2 rad/s
C = 1/(ω₀²·L) = 1/(314,2²·0,01) = 1013 µF
Відповідь
C = 1013 µF
10.Повний опір і комплексні амплітуди
Відповідь: f0 = 355,9 Hz
Кола змінного струму й комплексний метод: резистори, котушки й конденсатори мають повні опори R, jωL і 1/(jωC), де ω = 2πf. Послідовно повні опори додаються як опори, але як комплексні числа. Діючі значення струму й напруги підкоряються закону Ома з |Z|.
Резонанс
При резонансі індуктивний і ємнісний опори взаємно компенсуються: ωL = 1/(ωC). Частота мережі не має значення.
11.Потужність змінного струму й коефіцієнт потужності
Відповідь: Q = 32,65 kvar
Потужність змінного струму: повна потужність S = V·I (VA) складається з активної потужності P = S·cos φ (W), що виконує корисну роботу, і реактивної потужності Q = S·sin φ (var), що коливається між джерелом і навантаженням. Коефіцієнт потужності — cos φ. Паралельний конденсатор постачає реактивну потужність на місці, тож струм лінії зменшується за тієї самої активної потужності.
Кут
φ = arccos(0,7) = 45,57°, tan φ = 1,02
Реактивна потужність
Q = P·tan φ = 32·1,02 = 32,65 kvar
Відповідь
Q = 32,65 kvar
12.Потужність змінного струму й коефіцієнт потужності
Відповідь: ΔP = 7,738 kW
Потужність змінного струму: повна потужність S = V·I (VA) складається з активної потужності P = S·cos φ (W), що виконує корисну роботу, і реактивної потужності Q = S·sin φ (var), що коливається між джерелом і навантаженням. Коефіцієнт потужності — cos φ. Паралельний конденсатор постачає реактивну потужність на місці, тож струм лінії зменшується за тієї самої активної потужності.
Реактивна потужність наявного навантаження
Q1 = 14·tan(arccos 0,75) = 12,35 kvar
Найбільша сумарна активна потужність
За повного навантаження S = Smax, а Q від активного навантаження не змінюється.
P = √(Smax² − Q1²) = √(25² − 12,35²) = 21,74 kW
Додаткова активна потужність
ΔP = 21,74 − 14 = 7,738 kW
Відповідь
ΔP = 7,738 kW
13.Трифазні системи
Відповідь: P = 2,307 kW
Симетричні трифазні системи: у з’єднанні зіркою (Y) лінійна напруга в √3 разів більша за фазну, VL = √3·Vph, а лінійний струм дорівнює фазному. У з’єднанні трикутником (Δ) лінійна напруга дорівнює фазній, а лінійний струм у √3 разів більший за фазний, IL = √3·Iph. Сумарна потужність утричі більша за потужність однієї фази: P = 3·Vph·Iph·cos φ = √3·VL·IL·cos φ.
Фазна напруга
Vph = 208/√3 = 120,1 V
Фазний струм
|Z| = √(12² + 9²) = 15 Ω
Iph = 120,1/15 = 8,006 A
Сумарна активна потужність
Активну потужність поглинає лише активна складова кожного опору.
P = 3·Iph²·R = 3·8,006²·12 = 2,307 kW
Відповідь
P = 2,307 kW
Перевірка: cos φ = R/|Z| = 0,8, і √3·VL·IL·cos φ дає ту саму потужність.
14.Трифазні системи
Відповідь: Cph = 389,9 µF
Симетричні трифазні системи: у з’єднанні зіркою (Y) лінійна напруга в √3 разів більша за фазну, VL = √3·Vph, а лінійний струм дорівнює фазному. У з’єднанні трикутником (Δ) лінійна напруга дорівнює фазній, а лінійний струм у √3 разів більший за фазний, IL = √3·Iph. Сумарна потужність утричі більша за потужність однієї фази: P = 3·Vph·Iph·cos φ = √3·VL·IL·cos φ. Компенсація реактивної потужності: конденсатори постачають реактивну потужність на місці, QC = P·(tan φ1 − tan φ2). Кожен із трьох конденсаторів дає QC/3 = V²·ω·C, де V — напруга на цьому конденсаторі: VL у батареї, з’єднаній трикутником, VL/√3 — у батареї, з’єднаній зіркою.
Реактивна потужність до і після
Активна потужність не змінюється, тож кожен коефіцієнт потужності визначає реактивну потужність: Q = P·tan φ.
Q1 = 75·tan(acos 0,78) = 75·0,8023 = 60,17 kvar
Q2 = 75·tan(acos 0,92) = 75·0,426 = 31,95 kvar
Реактивна потужність від конденсаторів
QC = Q1 − Q2 = 28,22 kvar
Ємність на фазу
У батареї, з’єднаній зіркою, кожен конденсатор увімкнено між лінійним проводом і нейтральною точкою.
Ідеальний трансформатор: напруги відносяться як кількості витків, а струми — обернено: V₁/V₂ = N₁/N₂ = a і I₁/I₂ = N₂/N₁ = 1/a, тож вхідна потужність дорівнює вихідній, V₁·I₁ = V₂·I₂. Опір навантаження Z у вторинному колі з боку первинної обмотки виглядає як a²·Z.
Вторинні напруга й струм
V2 = 480/4 = 120 V
I2 = 120/4 = 30 A
Первинний струм
Ідеальний трансформатор не має втрат: V₁·I₁ = V₂·I₂.
I1 = I2/4 = 7,5 A
Відповідь
I1 = 7,5 A
Перевірка: навантаження з боку первинної обмотки a²·RL = 64 Ω, і 480/64 дає той самий струм.
16.Трансформатори
Відповідь: Ploss = 7000 W
Втрати в трансформаторі: втрати в сталі (гістерезис і вихрові струми) залежать від напруги й однакові за будь-якого навантаження. Втрати в міді обмоток пропорційні квадрату струму, тож при частці навантаження x від номінального вони становлять x²·Pcu,fl. ККД η = Pout/(Pout + Pcore + Pcu), де Pout = x·S·pf. ККД максимальний при навантаженні, за якого втрати в міді дорівнюють втратам у сталі.
Втрати в міді при цьому навантаженні
Pcu = x²·Pcu,fl = 0,25·12000 = 3000 W
Сумарні втрати
Втрати в сталі однакові за будь-якого навантаження.