Джерело напруги Vₛ між A і B має затискач + біля B, тож забезпечує VB − VA = Vₛ. Методом вузлових потенціалів із надвузлом знайдіть вузлову напругу VA (відносно землі).
Is = 1 AVs = 4 VR1 = 12 ΩR2 = 6 Ω
VA = V
4.Метод вузлових потенціалівСкладна
Джерело струму регулюють, доки вузлова напруга в A не стане VA = 9,5 V. Методом вузлових потенціалів знайдіть струм джерела Is (напрямок як на схемі).
Знайдіть струм Нортона IN: струм, що тече від a до b, якщо затискачі закоротити.
V1 = 24 VR1 = 12 ΩR2 = 20 ΩR3 = 8 Ω
IN = A
6.Тевенен і НортонСкладна
Знайдіть струм Нортона IN: струм, що тече від a до b, якщо затискачі закоротити.
V1 = 6 VIs = 5 AR1 = 6 ΩR2 = 6 ΩR3 = 25 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 = 5 VR = 50 ΩL = 47 mHt = 1 ms
vL = V
8.Перехідні процеси RC і RLСкладна
Таймер при t = 0 починає заряджати незаряджений конденсатор через резистор від джерела 5 V. Він має спрацювати, коли напруга на конденсаторі досягне 4 V, рівно через 250 ms після старту. При R = 100 kΩ знайдіть потрібну ємність C.
Vs = 5 VVth = 4 VT = 250 msR = 100 kΩ
C = µF
9.Повний опір і комплексні амплітудиСередня
Послідовне коло RLC підключено до мережі 24 V (діюче значення), 200 Hz. Знайдіть активну потужність P, що споживається від мережі.
V = 24 V (rms)f = 200 HzR = 15 ΩL = 50 mHC = 22 µF
P = W
10.Повний опір і комплексні амплітудиСкладна
Резистор R1 увімкнено послідовно з паралельним з’єднанням R2 і конденсатора C; коло під’єднано до мережі 230 V (діюче значення), 200 Hz. Знайдіть діюче значення струму I.
V = 230 V (rms)f = 200 HzR1 = 40 ΩR2 = 80 ΩC = 22 µF
I = A
11.Потужність змінного струму й коефіцієнт потужностіСередня
Навантаження з повним опором Z = 15 + j20 Ω під’єднано до однофазної мережі 240 V (діюче значення). Знайдіть активну потужність P, яку воно споживає.
V = 240 VZ = 15 + j20 Ω
P = W
12.Потужність змінного струму й коефіцієнт потужностіСкладна
Однофазне навантаження споживає 40 kW при коефіцієнті потужності 0,7 (індуктивному) від мережі 400 V, 50 Hz. Паралельно підключений конденсатор підвищує коефіцієнт потужності до 0,95. Знайдіть потрібну ємність C.
P = 40 kWpf1 = 0,7pf2 = 0,95V = 400 Vf = 50 Hz
C = µF
13.Трифазні системиСередня
Симетричне трифазне навантаження споживає лінійний струм 20 A від мережі з лінійною напругою 415 V. Коефіцієнт потужності 0,8, відстаючий. Знайдіть сумарну активну потужність P, яку споживає навантаження, у kW.
VL = 415 VIL = 20 Acos φ = 0,8
P = kW
14.Трифазні системиСкладна
Симетричне трифазне навантаження споживає 75 kW при коефіцієнті потужності 0,75 (відстаючому) від мережі 480 V (лінійна напруга), 60 Hz. Трифазна конденсаторна батарея, підключена паралельно до навантаження, має підвищити загальний коефіцієнт потужності до 0,95 (відстаючого). Активна потужність не змінюється. Конденсатори з’єднано трикутником. Знайдіть ємність Cph кожного конденсатора в µF.
P = 75 kWpf1 = 0,75pf2 = 0,95VL = 480 Vf = 60 Hz
Cph = µF
15.ТрансформаториСередня
Підсилювач з вихідним опором 3200 Ω живить гучномовець 50 Ω через ідеальний трансформатор. Для передачі максимальної потужності гучномовець з боку підсилювача має виглядати як 3200 Ω. Знайдіть коефіцієнт трансформації a = N₁/N₂.
Rs = 3200 ΩRL = 50 Ω
a =
16.ТрансформаториСкладна
Однофазний трансформатор 150 kVA має втрати в сталі 450 W. При номінальному навантаженні й коефіцієнті потужності 0,8 (відстаючому) його ККД становить 99%. Знайдіть втрати в міді при повному навантаженні Pcu,fl у ватах.
S = 150 kVAPcore = 450 Wpf = 0,8η = 99%
Pcu,fl = W
3Розчини
1.Послідовні й паралельні резистори
Відповідь: Req = 17,54 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 = 8·18/(8+18) = 5,538 Ω
Req = R1 + 5,538 = 12 + 5,538 = 17,54 Ω
Відповідь
Req = 17,54 Ω
2.Послідовні й паралельні резистори
Відповідь: IR1 = 0,1522 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 = 25 + 3 = 28 Ω
R4 ∥ 28 = 11,67 Ω
R3 + 11,67 = 36,67 Ω
R2 ∥ 36,67 = 7,857 Ω
Req = R1 + 7,857 = 25 + 7,857 = 32,86 Ω
Струм джерела
Джерело бачить лише Req, тож закон Ома дає струм, який воно віддає. Цей струм тече через R₁.
IR1 = V1/Req = 5/32,86 = 0,1522 A
Відповідь
IR1 = 0,1522 A
3.Метод вузлових потенціалів
Відповідь: VA = 1,333 V
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 + Vs = VA + 4
VA/R1 + VB/R2 = Is
Розв’яжіть
VA/12 + (VA + 4)/6 = 1
VA = (1 − 4/6)/(1/12 + 1/6) = 1,333 V
VB = 1,333 + 4 = 5,333 V
Відповідь
VA = 1,333 V
4.Метод вузлових потенціалів
Відповідь: Is = 1,717 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
(9,5 − 24)/12 + 9,5/4 = (VB − 9,5)/6
1,167 = (VB − 9,5)/6 → VB = 16,5 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 = (16,5 − 9,5)/6 + 16,5/30 = 1,717 A
Відповідь
Is = 1,717 A
5.Тевенен і Нортон
Відповідь: IN = 0,9677 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 = 12·20/(12+20) = 7,5 Ω
Rth = (R1 ∥ R2) + R3 = 7,5 + 8 = 15,5 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) = 24·20/(12+20) = 15 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 = 15/15,5 = 0,9677 A
6.Тевенен і Нортон
Відповідь: IN = 5,107 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 = 6·6/(6+6) = 3 Ω
Rth = (R1 ∥ R2) + R3 = 3 + 25 = 28 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) = 3 + 5·3 = 18 V
Vth = VB = VA + Is·R3 = 18 + 5·25 = 143 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 = 143/28 = 5,107 A
7.Перехідні процеси RC і RL
Відповідь: vL = 1,726 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 = 47 mH / 50 Ω = 0,94 ms
i(∞) = Vs/R = 5/50 = 0,1 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 = 5·e−1/0,94 = 1,726 V
Відповідь
vL = 1,726 V
8.Перехідні процеси RC і RL
Відповідь: C = 1,553 µF
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.
Потрібна стала часу
4 = 5·(1 − e−250/τ) → τ = 250/ln(5/(5 − 4))
τ = 250/1,609 = 155,3 ms
Ємність
kΩ помножити на µF дає мілісекунди.
C = τ/R = 155,3/100 = 1,553 µF
Відповідь
C = 1,553 µF
9.Повний опір і комплексні амплітуди
Відповідь: P = 9,233 W
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
XL = 62,83 Ω, XC = 36,17 Ω
Повний опір
|Z| = √(15² + (26,66)²) = 30,59 Ω
Активна потужність
Котушки й конденсатори лише накопичують і повертають енергію; усю активну потужність споживає резистор.
I = 24/30,59 = 0,7846 A
P = I²·R = 0,7846²·15 = 9,233 W
Відповідь
P = 9,233 W
10.Повний опір і комплексні амплітуди
Відповідь: I = 3,745 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|.
Реактивний опір
XC = 1/(2π·200·22·10⁻⁶) = 36,17 Ω
Паралельне з’єднання
Помножте чисельник і знаменник на комплексно спряжене, щоб розділити Zp на дійсну й уявну частини.
11.Потужність змінного струму й коефіцієнт потужності
Відповідь: P = 1382 W
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.
Струм
|Z| = √(15² + 20²) = 25 Ω
I = V/|Z| = 240/25 = 9,6 A
Активна потужність
P = I²·R = 9,6²·15 = 1382 W
Відповідь
P = 1382 W
12.Потужність змінного струму й коефіцієнт потужності
Відповідь: C = 550,3 µF
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
Ємність
Конденсатор, підключений до мережі, постачає Q = V²·ωC.
C = QC/(2πf·V²) = 27661/(2π·50·400²) = 550,3 µF
Відповідь
C = 550,3 µF
13.Трифазні системи
Відповідь: P = 11,5 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.
Повна потужність
S = √3·VL·IL = √3·415·20 = 14,38 kVA
Активна потужність
P = S·cos φ = 14,38·0,8 = 11,5 kW
Відповідь
P = 11,5 kW
14.Трифазні системи
Відповідь: Cph = 159,2 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 0,75) = 75·0,8819 = 66,14 kvar
Q2 = 75·tan(acos 0,95) = 75·0,3287 = 24,65 kvar
Реактивна потужність від конденсаторів
QC = Q1 − Q2 = 41,49 kvar
Ємність на фазу
У батареї, з’єднаній трикутником, кожен конденсатор увімкнено між двома лінійними проводами.
V = 480 V, ω = 2π·60 = 377 rad/s
Cph = (QC/3)/(ω·V²) = 13831/(377·480²) = 159,2 µF
Відповідь
Cph = 159,2 µF
15.Трансформатори
Відповідь: a = 8
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.
Узгодьте зведене навантаження
a²·50 = 3200
a = √(3200/50) = √64 = 8
Відповідь
a = 8
16.Трансформатори
Відповідь: Pcu,fl = 762,1 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.