Між вузлом A і землею ввімкнено три вітки, як показано на схемі. Методом вузлових потенціалів знайдіть струм I2 у вітці 2, що тече вгору у вузол A в напрямку стрілки.
V1 = 9 VR1 = 3 ΩV2 = 9 VR2 = 20 ΩR3 = 5 Ω
I2 = A
4.Метод вузлових потенціалівСкладна
Скористайтеся методом вузлових потенціалів, щоб знайти струм IR1 через R1 у напрямку стрілки.
Знайдіть напругу Тевенена Vth з боку затискачів a–b.
V1 = 10 VR1 = 4 ΩR2 = 2 ΩR3 = 10 Ω
Vth = V
6.Тевенен і НортонСкладна
Знайдіть напругу Тевенена Vth з боку затискачів a–b.
V1 = 15 VIs = 2,5 AR1 = 4 ΩR2 = 4 ΩR3 = 2 Ω
Vth = V
7.Перехідні процеси RC і RLСередня
До замикання вимикача в момент t = 0 струму через котушку немає. Знайдіть струм i у момент t = 25 ms.
Vs = 5 VR = 15 ΩL = 150 mHt = 25 ms
i = A
8.Перехідні процеси RC і RLСкладна
Таймер при t = 0 починає заряджати незаряджений конденсатор через резистор від джерела 12 V. Він має спрацювати, коли напруга на конденсаторі досягне 10,8 V, рівно через 25 ms після старту. При R = 4,7 kΩ знайдіть потрібну ємність C.
Vs = 12 VVth = 10,8 VT = 25 msR = 4,7 kΩ
C = µF
9.Повний опір і комплексні амплітудиСередня
Послідовне коло RLC підключено до мережі 10 V (діюче значення), 200 Hz. Знайдіть діюче значення струму I.
V = 10 V (rms)f = 200 HzR = 60 ΩL = 200 mHC = 47 µF
I = A
10.Повний опір і комплексні амплітудиСкладна
Послідовне RLC-коло має R = 50 Ω, L = 20 mH і C = 0,22 µF. Знайдіть його добротність Q при резонансі.
R = 50 ΩL = 20 mHC = 0,22 µF
Q =
11.Потужність змінного струму й коефіцієнт потужностіСередня
Однофазний двигун споживає 24 kW при коефіцієнті потужності 0,6 (індуктивному) від мережі 240 V. Знайдіть реактивну потужність Q, яку він споживає.
P = 24 kWpf = 0,6V = 240 V
Q = kvar
12.Потужність змінного струму й коефіцієнт потужностіСкладна
Однофазний трансформатор потужністю 150 kVA живить навантаження 58 kW з коефіцієнтом потужності 0,7 (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 = 150 kVAP1 = 58 kWpf1 = 0,7
ΔP = kW
13.Трифазні системиСередня
Трифазний асинхронний двигун при повному навантаженні розвиває механічну потужність 18,5 kW. При цьому навантаженні його ККД становить 88%, а коефіцієнт потужності 0,82, відстаючий. Лінійна напруга мережі 690 V. Знайдіть лінійний струм IL.
Pout = 18,5 kWη = 88%cos φ = 0,82VL = 690 V
IL = A
14.Трифазні системиСкладна
Симетричне трифазне навантаження споживає 150 kW при коефіцієнті потужності 0,7 (відстаючому) від мережі 480 V (лінійна напруга), 50 Hz. Трифазна конденсаторна батарея, підключена паралельно до навантаження, має підвищити загальний коефіцієнт потужності до 0,9 (відстаючого). Активна потужність не змінюється. Конденсатори з’єднано трикутником. Знайдіть ємність Cph кожного конденсатора в µF.
P = 150 kWpf1 = 0,7pf2 = 0,9VL = 480 Vf = 50 Hz
Cph = µF
15.ТрансформаториСередня
Підсилювач з вихідним опором 1000 Ω живить гучномовець 10 Ω через ідеальний трансформатор. Для передачі максимальної потужності гучномовець з боку підсилювача має виглядати як 1000 Ω. Знайдіть коефіцієнт трансформації a = N₁/N₂.
Rs = 1000 ΩRL = 10 Ω
a =
16.ТрансформаториСкладна
Однофазний трансформатор 50 kVA має втрати в сталі 150 W і втрати в міді 600 W при номінальному навантаженні. При якому навантаженні Sη,max, у kVA, його ККД найвищий?
S = 50 kVAPcore = 150 WPcu,fl = 600 W
Sη,max = kVA
3Розчини
1.Послідовні й паралельні резистори
Відповідь: IR1 = 0,6605 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.
R3 + R4 = 8 + 20 = 28 Ω
R2 ∥ 28 = 3·28/(3+28) = 2,71 Ω
Req = R1 + 2,71 = 20 + 2,71 = 22,71 Ω
Струм джерела
Джерело бачить лише Req, тож закон Ома дає струм, який воно віддає. Цей струм тече через R₁.
IR1 = V1/Req = 15/22,71 = 0,6605 A
Відповідь
IR1 = 0,6605 A
2.Послідовні й паралельні резистори
Відповідь: IR2 = 0,218 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 + 4 = 14 Ω
R4 ∥ 14 = 6,462 Ω
R3 + 6,462 = 16,46 Ω
R2 ∥ 16,46 = 3,218 Ω
Req = R1 + 3,218 = 30 + 3,218 = 33,22 Ω
Струм джерела
Джерело бачить лише Req, тож закон Ома дає струм, який воно віддає. Цей струм тече через R₁.
IR1 = V1/Req = 9/33,22 = 0,2709 A
Струм через R₂
Відніміть спад на R₁, щоб отримати напругу у вузлі A, тобто напругу на R₂.
VA = V1 − IR1·R1 = 9 − 0,2709·30 = 0,8719 V
IR2 = VA/R2 = 0,8719/4 = 0,218 A
Відповідь
IR2 = 0,218 A
3.Метод вузлових потенціалів
Відповідь: I2 = 0,6686 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
Нижній провід візьміть за землю. Кожна вітка проводить від A струм (VA − Vk)/Rk, де Vk — напруга її джерела (нуль для простого резистора). Сума струмів, що виходять з A, дорівнює нулю.
(VA − (−9))/3 + (VA − 9)/20 + VA/5 = 0
Знайдіть VA
VA = ((−9)/3 + 9/20 + 0/5) / (1/3 + 1/20 + 1/5) = −2,55/0,5833 = −4,371 V
Струм гілки
Стрілка спрямована вгору вздовж вітки, у вузол A.
I2 = (9 − VA)/R2 = (9 − (−4,371))/20 = 0,6686 A
Відповідь
I2 = 0,6686 A
Від’ємний результат означає, що дійсний струм тече проти стрілки.
4.Метод вузлових потенціалів
Відповідь: IR1 = 0,4134 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.
Визначте вузли
Земля — нижній провід. Відомі вузлові напруги беруться прямо з джерел (V1 = 9 V, V2 = 10 V). Невідомі: VA, VB.
ЗСК у вузлі A
Струми, що виходять із A через резистори, дорівнюють струму, який джерела подають у A.
VA/R3 + (VA − V1)/R1 + (VA − VB)/R2 = 0
VA/10 + (VA − 9)/25 + (VA − VB)/10 = 0
0,24·VA − 0,1·VB = 0,36
ЗСК у вузлі B
Струми, що виходять із B через резистори, дорівнюють струму, який джерела подають у B.
VB/R5 + (VB − VA)/R2 + (VB − V2)/R4 = Is
VB/25 + (VB − VA)/10 + (VB − 10)/10 = (−2,5)
−0,1·VA + 0,24·VB = −1,5
Розв’яжіть
Δ = (0,24)(0,24) − (−0,1)(−0,1) = 0,0476
VA = Δ1/Δ = −0,0636/0,0476 = −1,336 V
VB = Δ2/Δ = −0,324/0,0476 = −6,807 V
Відповідь
IR1 = (V1 − VA)/R1 = (9 − −1,336)/25 = 0,4134 A
5.Тевенен і Нортон
Відповідь: Vth = 3,333 V
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 = 4·2/(4+2) = 1,333 Ω
Rth = (R1 ∥ R2) + R3 = 1,333 + 10 = 11,33 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) = 10·2/(4+2) = 3,333 V
6.Тевенен і Нортон
Відповідь: Vth = −2,5 V
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 = 4·4/(4+4) = 2 Ω
Rth = (R1 ∥ R2) + R3 = 2 + 2 = 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) = 7,5 + (−2,5)·2 = 2,5 V
Vth = VB = VA + Is·R3 = 2,5 + (−2,5)·2 = −2,5 V
7.Перехідні процеси RC і RL
Відповідь: i = 0,306 A
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.
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.
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 = 1257·0,2 = 251,3 Ω
XC = 1/(ωC) = 1/(1257·47·10⁻⁶) = 16,93 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| = 10/242 = 0,04133 A
Відповідь
I = 0,04133 A
10.Повний опір і комплексні амплітуди
Відповідь: Q = 6,03
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·√(0,02·0,22·10⁻⁶)) = 2399 Hz
Добротність
Q порівнює реактивний опір при резонансі з активним опором: Q = ω₀L/R.
11.Потужність змінного струму й коефіцієнт потужності
Відповідь: Q = 32 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(0,6) = 53,13°, tan φ = 1,333
Реактивна потужність
Q = P·tan φ = 24·1,333 = 32 kvar
Відповідь
Q = 32 kvar
12.Потужність змінного струму й коефіцієнт потужності
Відповідь: ΔP = 79,84 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 = 58·tan(arccos 0,7) = 59,17 kvar
Найбільша сумарна активна потужність
За повного навантаження S = Smax, а Q від активного навантаження не змінюється.
P = √(Smax² − Q1²) = √(150² − 59,17²) = 137,8 kW
Додаткова активна потужність
ΔP = 137,8 − 58 = 79,84 kW
Відповідь
ΔP = 79,84 kW
13.Трифазні системи
Відповідь: IL = 21,45 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 = 18,5/0,88 = 21,02 kW
Струм лінії
IL = Pin/(√3·VL·cos φ) = 21023/(√3·690·0,82) = 21,45 A
Відповідь
IL = 21,45 A
14.Трифазні системи
Відповідь: Cph = 370,2 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 = 150·tan(acos 0,7) = 150·1,02 = 153 kvar
Q2 = 150·tan(acos 0,9) = 150·0,4843 = 72,65 kvar
Реактивна потужність від конденсаторів
QC = Q1 − Q2 = 80,38 kvar
Ємність на фазу
У батареї, з’єднаній трикутником, кожен конденсатор увімкнено між двома лінійними проводами.
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
a²·10 = 1000
a = √(1000/10) = √100 = 10
Відповідь
a = 10
16.Трансформатори
Відповідь: Sη,max = 25 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.