Основи електротехніки: шпаргалка-підсумок

Аркуші з формулами, ключові кроки методів для кожної теми та 16 задач для практики, з повними розв’язками наприкінці.

Нові задачіНазад до курсу

У вікні друку виберіть «Зберегти як PDF», щоб зберегти копію на пристрої.

1Формули та методи

Послідовні й паралельні резистори

Послідовне з’єднання резисторів
Req = R1 + R2 + …
Паралельне з’єднання резисторів
1/Req = 1/R1 + 1/R2 + …
Два паралельно
Req = R1R2 / (R1 + R2)
Закон Ома
V = I·R
Потужність
P = V·I = I²R = V²/R

Метод

  1. Почніть з кінця мережі, найдальшого від затискачів.
  2. Послідовні резистори об’єднуйте додаванням, паралельні — за 1/R = 1/R₁ + 1/R₂ + …
  3. Перемальовуйте коло після кожного кроку.
  4. Повторюйте, доки між затискачами не залишиться один резистор.

Метод вузлових потенціалів

Закон струмів Кірхгофа
ΣIin = ΣIout
Струм гілки
I = (Va − Vb)/R
Опорний вузол
Vground = 0

Метод

  1. Оберіть опорний вузол (землю) і позначте напруги інших вузлів.
  2. Запишіть закон струмів Кірхгофа для кожного невідомого вузла: струми, що витікають через гілки, дорівнюють струмам, що втікають.
  3. Виразіть кожен струм гілки як (Va − Vb)/R.
  4. Розв’яжіть систему рівнянь, потім знайдіть потрібний струм.

Тевенен і Нортон

Напруга Тевенена
Vth = Vopen circuit
Опір Тевенена
Rth: усі джерела вимкнені, з боку a–b
Струм Нортона
IN = Vth/Rth
Струм навантаження
IL = Vth/(Rth + RL)
Передача максимальної потужності
RL = Rth, Pmax = Vth²/(4Rth)

Метод

  1. Від’єднайте навантаження й позначте два затискачі a і b.
  2. Знайдіть напругу холостого ходу між a і b: це Vth.
  3. Вимкніть усі незалежні джерела й знайдіть опір з боку a–b: це Rth.
  4. Поверніть навантаження до еквівалентної схеми: Vth послідовно з Rth.
  5. Для еквівалента Нортона перетворіть: IN = Vth/Rth, з паралельним RN = Rth.

Перехідні процеси RC і RL

Стала часу
τ = RC | τ = L/R
Відгук
x(t) = x(∞) + [x(0) − x(∞)]·e−t/τ
Конденсатор на постійному струмі
розрив; vC не може змінитися стрибком
Котушка на постійному струмі
коротке замикання; iL не може змінитися стрибком
Усталений режим
t ≈ 5τ

Метод

  1. Знайдіть початкове значення одразу після комутації: напруга на конденсаторі й струм через котушку не можуть змінитися стрибком.
  2. Знайдіть кінцеве значення через довгий час після комутації: конденсатор поводиться як розрив, котушка — як коротке замикання.
  3. Знайдіть сталу часу: τ = RC або τ = L/R, використовуючи опір з боку конденсатора чи котушки.
  4. Використайте x(t) = x(∞) + [x(0) − x(∞)]·e−t/τ.

Повний опір і комплексні амплітуди

Повні опори
ZR = R, ZL = jωL, ZC = 1/(jωC)
Кутова частота
ω = 2πf
Модуль і кут
|Z| = √(R² + X²), φ = atan(X/R)
Закон Ома в комплексній формі
V = I·Z

Метод

  1. Переведіть частоту: ω = 2πf.
  2. Знайдіть кожен реактивний опір: XL = ωL і XC = 1/(ωC).
  3. Додавайте опори як резистори, з Z = R + jX.
  4. Знайдіть модуль |Z| = √(R² + X²) і кут φ = atan(X/R), потім застосуйте закон Ома для комплексних амплітуд.

Потужність змінного струму й коефіцієнт потужності

Активна потужність
P = V·I·cos φ
Реактивна потужність
Q = V·I·sin φ
Повна потужність
S = V·I = √(P² + Q²)
Коефіцієнт потужності
pf = cos φ = P/S
Компенсувальний конденсатор
QC = P(tan φ1 − tan φ2), C = QC/(ωV²)

Трифазні системи

З’єднання зіркою (Y)
VL = √3·Vph, IL = Iph
З’єднання трикутником (Δ)
VL = Vph, IL = √3·Iph
Сумарна активна потужність
P = √3·VL·IL·cos φ = 3·Iph²·R
Повна й реактивна потужність
S = √3·VL·IL, Q = P·tan φ
Компенсувальні конденсатори
QC = P(tan φ1 − tan φ2), C = QC/(3ωV²)
Напруга на кожному конденсаторі
Δ: VL Y: VL/√3
Вхідна потужність двигуна
Pin = Pout/η

Трансформатори

Коефіцієнт трансформації
a = N1/N2 = V1/V2
Відношення струмів
I1/I2 = N2/N1 = 1/a
Номінальний струм
I = S/V
Зведений опір
Z1′ = a²·ZL
Втрати в міді при неповному навантаженні
Pcu = x²·Pcu,fl
ККД
η = x·S·pf/(x·S·pf + Pcore + x²·Pcu,fl)
Максимальний ККД
x = √(Pcore/Pcu,fl)

2Задачі для практики

1.Послідовні й паралельні резисториСередня
R1​ = 12 ΩR3​ = 6 Ω+−V1​18 VR2​8 ΩAR4​4 ΩB

Знайдіть еквівалентний опір Req, який бачить джерело V1.

V1 = 18 VR1 = 12 ΩR2 = 8 ΩR3 = 6 ΩR4 = 4 Ω
Req = Ω
2.Послідовні й паралельні резисториСкладна
R1​ = 20 ΩIR1​R3​ = 3 ΩR5​ = 4 Ω+−V1​12 VR2​12 ΩAR4​8 ΩBR6​30 Ω

Знайдіть струм IR1, який віддає джерело і який тече через R1.

V1 = 12 VR1 = 20 ΩR2 = 12 ΩR3 = 3 ΩR4 = 8 ΩR5 = 4 ΩR6 = 30 Ω
IR1 = A
3.Метод вузлових потенціалівСередня
R1​ = 12 ΩR3​ = 12 Ω+−V1​6 VR2​10 ΩAR4​4 ΩBIs​2,5 A

Методом вузлових потенціалів знайдіть потужність PIs, яку віддає джерело струму Is.

V1 = 6 VIs = 2,5 AR1 = 12 ΩR2 = 10 ΩR3 = 12 ΩR4 = 4 Ω
PIs = W
4.Метод вузлових потенціалівСкладна
R1​ = 8 ΩR3​ = 2 Ω+−V1​5 VR2​8 ΩAR4​25 ΩBIs​?

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
R1​ = 6 ΩR3​ = 3 Ω+−V1​12 VR2​15 ΩAab

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
R1​ = 4 ΩR3​ = 12 Ω+−V1​15 VR2​6 ΩAIs​4 ABab

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
+−Vs​10 Vt = 0R = 68 ΩL68 mHi(t)

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
+−Vs​24 Vрозмикається при t = 0R1​ = 4,7 kΩR2​ = 3,3 kΩC68 µF+−vC​

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
Vf0​ = 50 HzRL = 10 mHC = ?

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
230 V500 HzR = 80 ΩL = 200 mHC = 1 µF

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
P = 32 kWQ = ?Sφ

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
P1​ = 14 kWQ1​S1​φ

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
ABCVL​ = 208 VNZ = 12 + j9 Ωна фазу

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
P = 75 kWφ1​S1​Q2​QC​

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
RL​ = 4 Ω41480 VV2​I1​ = ?I2​

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
pf 0,8500 kVA, 50% навантаження

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.

S = 500 kVAPcore = 4000 WPcu,fl = 12000 Wx = 0,5pf = 0,8
Ploss = W

3Розчини

1.Послідовні й паралельні резистори

Відповідь: Req = 16,44 Ω

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.

R1​ = 12 ΩR3​ = 6 Ω+−V1​18 VR2​8 ΩAR4​4 ΩB

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.

R1​ = 20 ΩR3​ = 3 ΩR5​ = 4 Ω+−V1​12 VR2​12 ΩAR4​8 ΩBR6​30 Ω

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.

VB/R4 + (VB − VA)/R3 = Is
VB/4 + (VB − VA)/12 = 2,5
−0,08333·VA + 0,3333·VB = 2,5

Розв’яжіть

Δ = (0,2667)(0,3333) − (−0,08333)(−0,08333) = 0,08194
VA = Δ1/Δ = 0,375/0,08194 = 4,576 V
VB = Δ2/Δ = 0,7083/0,08194 = 8,644 V

Потужність, яку віддає джерело струму

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.

R1​ = 6 ΩR3​ = 3 ΩКЗR2​15 ΩAabRth​

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
R1​ = 6 ΩR3​ = 3 Ω+−V1​12 VR2​15 ΩAab+−Vth​

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
IN​1,176 ARth​7,286 Ωab

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.

R1​ = 4 ΩR3​ = 12 ΩКЗR2​6 ΩAОБРИВBabRth​

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
R1​ = 4 ΩR3​ = 12 Ω+−V1​15 VR2​6 ΩAIs​4 ABab+−Vth​

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
IN​3,375 ARth​14,4 Ωab

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.

f0 = 1/(2π√(LC)) = 1/(2π·√(0,2·1·10⁻⁶)) = 355,9 Hz

Відповідь

f0 = 355,9 Hz
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.

V = 480/√3 = 277,1 V, ω = 2π·50 = 314,2 rad/s
Cph = (QC/3)/(ω·V²) = 9407/(314,2·277,1²) = 389,9 µF

Відповідь

Cph = 389,9 µF
15.Трансформатори

Відповідь: I1 = 7,5 A

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.

Ploss = 4000 + 3000 = 7000 W

Відповідь

Ploss = 7000 W

ККД при цьому навантаженні η = 96,62%.

ExamProblems · examproblems.com/courses/electrical-engineering-fundamentals