Джерело напруги Vₛ між A і B має затискач + біля B, тож забезпечує VB − VA = Vₛ. Методом вузлових потенціалів із надвузлом знайдіть струм IR1 через R1 у напрямку стрілки.
V1 = 5 VIs = 2 AVs = 4 VR1 = 12 ΩR2 = 8 ΩR3 = 8 Ω
IR1 = A
5.Тевенен і НортонСередня
Знайдіть опір Тевенена Rth з боку затискачів a–b.
V1 = 30 VR1 = 6 ΩR2 = 4 ΩR3 = 15 Ω
Rth = Ω
6.Тевенен і НортонСкладна
До a–b підключено навантаження RL = 20 Ω. За допомогою еквівалента Тевенена знайдіть потужність PL, що передається навантаженню.
До замикання вимикача в момент t = 0 струму через котушку немає. Знайдіть енергію W, накопичену в котушці при t = 10 ms, у mJ.
Vs = 6 VR = 22 ΩL = 220 mHt = 10 ms
W = mJ
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 = 100 ms.
Vs = 12 VR1 = 2,2 kΩR2 = 3,3 kΩC = 22 µFt = 100 ms
vC = V
9.Повний опір і комплексні амплітудиСередня
Послідовне коло RLC підключено до мережі 24 V (діюче значення), 200 Hz. Знайдіть діюче значення струму I.
V = 24 V (rms)f = 200 HzR = 60 ΩL = 50 mHC = 4,7 µF
I = A
10.Повний опір і комплексні амплітудиСкладна
Послідовне RLC-коло має R = 50 Ω, L = 1 mH і C = 0,047 µF. Знайдіть його добротність Q при резонансі.
R = 50 ΩL = 1 mHC = 0,047 µF
Q =
11.Потужність змінного струму й коефіцієнт потужностіСередня
Однофазний двигун споживає 9 kW при коефіцієнті потужності 0,9 (індуктивному) від мережі 400 V. Знайдіть реактивну потужність Q, яку він споживає.
P = 9 kWpf = 0,9V = 400 V
Q = kvar
12.Потужність змінного струму й коефіцієнт потужностіСкладна
Однофазне навантаження споживає 40 kW при коефіцієнті потужності 0,7 (індуктивному) від мережі 400 V, 60 Hz. Паралельно підключений конденсатор підвищує коефіцієнт потужності до 0,95. Знайдіть новий струм лінії Inew.
P = 40 kWpf1 = 0,7pf2 = 0,95V = 400 Vf = 60 Hz
Inew = A
13.Трифазні системиСередня
Трифазний асинхронний двигун при повному навантаженні розвиває механічну потужність 18,5 kW. При цьому навантаженні його ККД становить 92%, а коефіцієнт потужності 0,86, відстаючий. Лінійна напруга мережі 415 V. Знайдіть лінійний струм IL.
Pout = 18,5 kWη = 92%cos φ = 0,86VL = 415 V
IL = A
14.Трифазні системиСкладна
Симетричне трифазне навантаження споживає 60 kW при коефіцієнті потужності 0,78 (відстаючому) від мережі 400 V (лінійна напруга), 60 Hz. Трифазна конденсаторна батарея, підключена паралельно до навантаження, має підвищити загальний коефіцієнт потужності до 0,9 (відстаючого). Активна потужність не змінюється. Знайдіть сумарну реактивну потужність QC, яку має постачати конденсаторна батарея, у kvar.
P = 60 kWpf1 = 0,78pf2 = 0,9VL = 400 Vf = 60 Hz
QC = kvar
15.ТрансформаториСередня
Однофазний трансформатор 25 kVA, 10000/400 V працює з номінальним навантаженням. Вважайте його ідеальним. Знайдіть струм IHV в обмотці вищої напруги.
S = 25 kVAV1 = 10000 VV2 = 400 V
IHV = A
16.ТрансформаториСкладна
Однофазний трансформатор 250 kVA має втрати в сталі 1500 W і втрати в міді 3750 W при номінальному навантаженні. При якому навантаженні Sη,max, у kVA, його ККД найвищий?
S = 250 kVAPcore = 1500 WPcu,fl = 3750 W
Sη,max = kVA
3Розчини
1.Послідовні й паралельні резистори
Відповідь: Req = 23,27 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.
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 = 8 + 10 = 18 Ω
R2 ∥ 18 = 4·18/(4+18) = 3,273 Ω
Req = R1 + 3,273 = 20 + 3,273 = 23,27 Ω
Відповідь
Req = 23,27 Ω
2.Послідовні й паралельні резистори
Відповідь: IR1 = 1,969 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 = 10 + 6 = 16 Ω
R4 ∥ 16 = 3,2 Ω
R3 + 3,2 = 18,2 Ω
R2 ∥ 18,2 = 3,279 Ω
Req = R1 + 3,279 = 15 + 3,279 = 18,28 Ω
Струм джерела
Джерело бачить лише Req, тож закон Ома дає струм, який воно віддає. Цей струм тече через R₁.
IR1 = V1/Req = 36/18,28 = 1,969 A
Відповідь
IR1 = 1,969 A
3.Метод вузлових потенціалів
Відповідь: PIs = 103,3 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/20 + (VA − 30)/2 + (VA − VB)/3 = 0
0,8833·VA − 0,3333·VB = 15
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/6 + (VB − VA)/3 = 4
−0,3333·VA + 0,5·VB = 4
Розв’яжіть
Δ = (0,8833)(0,5) − (−0,3333)(−0,3333) = 0,3306
VA = Δ1/Δ = 8,833/0,3306 = 26,72 V
VB = Δ2/Δ = 8,533/0,3306 = 25,82 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 = 25,82·4 = 103,3 W
Відповідь
PIs = 103,3 W
4.Метод вузлових потенціалів
Відповідь: IR1 = −0,0625 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.
Утворіть надвузол
Струм через джерело напруги між A і B невідомий, тож ЗСК не можна записати для A чи B окремо. Об’єднайте A, B і джерело в один надвузол: струм, що входить у нього, дорівнює струму, що виходить.
VB = VA + 4
(VA − V1)/R1 + VA/R2 + VB/R3 = Is
Розв’яжіть
(VA − 5)/12 + VA/8 + (VA + 4)/8 = 2
VA·(1/12 + 1/8 + 1/8) = 2 + 5/12 − 4/8 = 1,917
VA = 1,917/0,3333 = 5,75 V
VB = 9,75 V
Струм через R₁
IR1 = (V1 − VA)/R1 = (5 − 5,75)/12 = −0,0625 A
Відповідь
IR1 = −0,0625 A
Від’ємний результат означає, що дійсний струм тече проти стрілки.
5.Тевенен і Нортон
Відповідь: Rth = 17,4 Ω
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 = 6·4/(6+4) = 2,4 Ω
Rth = (R1 ∥ R2) + R3 = 2,4 + 15 = 17,4 Ω
6.Тевенен і Нортон
Відповідь: PL = 22,66 W
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 = 4·30/(4+30) = 3,529 Ω
Rth = (R1 ∥ R2) + R3 = 3,529 + 2 = 5,529 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) = 10,59 + 3·3,529 = 21,18 V
Vth = VB = VA + Is·R3 = 21,18 + 3·2 = 27,18 V
Підключіть навантаження до еквівалента Тевенена
Джерело Тевенена і послідовний R_th поводяться на a–b точно як початкове коло, тож навантаження бачить простий послідовний контур.
IL = Vth/(Rth + RL) = 27,18/(5,529 + 20) = 1,065 A
PL = IL²·RL = 1,065²·20 = 22,66 W
7.Перехідні процеси RC і RL
Відповідь: W = 3,269 mJ
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 = 220 mH / 22 Ω = 10 ms
i(∞) = Vs/R = 6/22 = 0,2727 A
Струм у заданий момент
i(t) = 0,2727·(1 − e−10/10) = 0,1724 A
Накопичена енергія
W = ½·L·i² = ½·220·0,1724² = 3,269 mJ
Відповідь
W = 3,269 mJ
8.Перехідні процеси RC і RL
Відповідь: vC = 1,816 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) = 12·3,3/(2,2 + 3,3) = 7,2 V
Стала часу після розмикання ключа
τ = R2·C = 3,3·22 = 72,6 ms
Розряджання
vC(t) = 7,2·e−100/72,6 = 1,816 V
Відповідь
vC = 1,816 V
9.Повний опір і комплексні амплітуди
Відповідь: I = 0,1964 A
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|.
Реактивні опори
ω = 2πf = 2π·200 = 1257 rad/s
XL = ωL = 1257·0,05 = 62,83 Ω
XC = 1/(ωC) = 1/(1257·4,7·10⁻⁶) = 169,3 Ω
Повний опір
Послідовно повні опори додаються як комплексні числа: Z = R + j(XL − XC).
Через кожен елемент послідовного кола тече той самий струм.
I = V/|Z| = 24/122,2 = 0,1964 A
Відповідь
I = 0,1964 A
10.Повний опір і комплексні амплітуди
Відповідь: Q = 2,917
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|.
Резонансна частота
f0 = 1/(2π·√(0,001·0,047·10⁻⁶)) = 23215 Hz
Добротність
Q порівнює реактивний опір при резонансі з активним опором: Q = ω₀L/R.
11.Потужність змінного струму й коефіцієнт потужності
Відповідь: Q = 4,359 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(0,9) = 25,84°, tan φ = 0,4843
Реактивна потужність
Q = P·tan φ = 9·0,4843 = 4,359 kvar
Відповідь
Q = 4,359 kvar
12.Потужність змінного струму й коефіцієнт потужності
Відповідь: Inew = 105,3 A
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 до і після
Активна потужність P не змінюється; змінюється лише реактивна потужність із мережі.
Q1 = P·tan φ1 = 40·tan(45,57°) = 40,81 kvar
Q2 = P·tan φ2 = 40·tan(18,19°) = 13,15 kvar
QC = Q1 − Q2 = 27,66 kvar
Новий струм лінії
Inew = P/(V·cos φ2) = 40000/(400·0,95) = 105,3 A
Відповідь
Inew = 105,3 A
13.Трифазні системи
Відповідь: IL = 32,53 A
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.
Електрична вхідна потужність
Pin = Pout/η = 18,5/0,92 = 20,11 kW
Струм лінії
IL = Pin/(√3·VL·cos φ) = 20109/(√3·415·0,86) = 32,53 A
Відповідь
IL = 32,53 A
14.Трифазні системи
Відповідь: QC = 19,08 kvar
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 = 60·tan(acos 0,78) = 60·0,8023 = 48,14 kvar
Q2 = 60·tan(acos 0,9) = 60·0,4843 = 29,06 kvar
Реактивна потужність від конденсаторів
QC = Q1 − Q2 = 19,08 kvar
Відповідь
QC = 19,08 kvar
15.Трансформатори
Відповідь: IHV = 2,5 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.
Номінальний струм
Обидві обмотки передають однакову повну потужність.
IHV = S/V = 25000/10000 = 2,5 A
Відповідь
IHV = 2,5 A
16.Трансформатори
Відповідь: Sη,max = 158,1 kVA
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.