Знайдіть струм Нортона IN: струм, що тече від a до b, якщо затискачі закоротити.
V1 = 6 VR1 = 10 ΩR2 = 15 ΩR3 = 5 Ω
IN = A
6.Тевенен і НортонСкладна
Знайдіть струм Нортона IN: струм, що тече від a до b, якщо затискачі закоротити.
V1 = 9 VIs = 1 AR1 = 6 ΩR2 = 30 ΩR3 = 12 Ω
IN = A
7.Перехідні процеси RC і RLСередня
Через котушку тече сталий струм 0,5 A. При t = 0 ключ замикає контур через R і джерело від’єднується, тож струм котушки спадає через R. Знайдіть струм i у момент t = 10 ms.
i(0) = 0,5 AR = 22 ΩL = 220 mHt = 10 ms
i = A
8.Перехідні процеси RC і RLСкладна
Безпосередньо перед замиканням вимикача в момент t = 0 конденсатор має 8 V з указаною полярністю. Знайдіть напругу на конденсаторі vC у момент t = 300 ms.
Vs = 15 VR = 10 kΩC = 68 µFvC(0) = 8 Vt = 300 ms
vC = V
9.Повний опір і комплексні амплітудиСередня
Послідовне коло RLC підключено до мережі 12 V (діюче значення), 100 Hz. Знайдіть активну потужність P, що споживається від мережі.
V = 12 V (rms)f = 100 HzR = 60 ΩL = 200 mHC = 10 µF
P = W
10.Повний опір і комплексні амплітудиСкладна
Послідовне коло RLC підключено до мережі 24 V (діюче значення), 1000 Hz. Знайдіть резонансну частоту f0 кола.
V = 24 V (rms)f = 1000 HzR = 50 ΩL = 20 mHC = 47 µF
f0 = Hz
11.Потужність змінного струму й коефіцієнт потужностіСередня
Навантаження з повним опором Z = 5 + j12 Ω під’єднано до однофазної мережі 230 V (діюче значення). Знайдіть реактивну потужність Q, яку воно споживає.
V = 230 VZ = 5 + j12 Ω
Q = var
12.Потужність змінного струму й коефіцієнт потужностіСкладна
Однофазне навантаження споживає 15 kW при коефіцієнті потужності 0,65 (індуктивному) від мережі 230 V, 50 Hz. Паралельно підключений конденсатор підвищує коефіцієнт потужності до 0,9. Знайдіть потрібну ємність C.
P = 15 kWpf1 = 0,65pf2 = 0,9V = 230 Vf = 50 Hz
C = µF
13.Трифазні системиСередня
Симетричне трифазне навантаження споживає лінійний струм 120 A від мережі з лінійною напругою 415 V. Коефіцієнт потужності 0,85, відстаючий. Знайдіть сумарну активну потужність P, яку споживає навантаження, у kW.
VL = 415 VIL = 120 Acos φ = 0,85
P = kW
14.Трифазні системиСкладна
Симетричне трифазне навантаження споживає 250 kW при коефіцієнті потужності 0,75 (відстаючому) від мережі 400 V (лінійна напруга), 60 Hz. Трифазна конденсаторна батарея, підключена паралельно до навантаження, має підвищити загальний коефіцієнт потужності до 0,98 (відстаючого). Активна потужність не змінюється. Конденсатори з’єднано зіркою. Знайдіть ємність Cph кожного конденсатора в µF.
P = 250 kWpf1 = 0,75pf2 = 0,98VL = 400 Vf = 60 Hz
Cph = µF
15.ТрансформаториСередня
Однофазний трансформатор 500 kVA, 2400/240 V працює з номінальним навантаженням. Вважайте його ідеальним. Знайдіть струм ILV в обмотці нижчої напруги.
S = 500 kVAV1 = 2400 VV2 = 240 V
ILV = A
16.ТрансформаториСкладна
Однофазний трансформатор 500 kVA має втрати в сталі 1500 W. При номінальному навантаженні й коефіцієнті потужності 0,85 (відстаючому) його ККД становить 97%. Знайдіть втрати в міді при повному навантаженні Pcu,fl у ватах.
S = 500 kVAPcore = 1500 Wpf = 0,85η = 97%
Pcu,fl = W
3Розчини
1.Послідовні й паралельні резистори
Відповідь: Req = 8,571 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 = 6 + 12 = 18 Ω
R2 ∥ 18 = 3·18/(3+18) = 2,571 Ω
Req = R1 + 2,571 = 6 + 2,571 = 8,571 Ω
Відповідь
Req = 8,571 Ω
2.Послідовні й паралельні резистори
Відповідь: IR2 = 0,386 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 = 8 + 6 = 14 Ω
R4 ∥ 14 = 9,545 Ω
R3 + 9,545 = 13,55 Ω
R2 ∥ 13,55 = 6,363 Ω
Req = R1 + 6,363 = 6 + 6,363 = 12,36 Ω
Струм джерела
Джерело бачить лише Req, тож закон Ома дає струм, який воно віддає. Цей струм тече через R₁.
IR1 = V1/Req = 9/12,36 = 0,728 A
Струм через R₂
Відніміть спад на R₁, щоб отримати напругу у вузлі A, тобто напругу на R₂.
VA = V1 − IR1·R1 = 9 − 0,728·6 = 4,632 V
IR2 = VA/R2 = 4,632/12 = 0,386 A
Відповідь
IR2 = 0,386 A
3.Метод вузлових потенціалів
Відповідь: IR3 = −1,481 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 = 30 V). Невідомі: VA, VB.
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/3 + (VA − 30)/6 + (VA − VB)/5 = 0
0,7·VA − 0,2·VB = 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/20 + (VB − VA)/5 = 2,5
−0,2·VA + 0,25·VB = 2,5
Розв’яжіть
Δ = (0,7)(0,25) − (−0,2)(−0,2) = 0,135
VA = Δ1/Δ = 1,75/0,135 = 12,96 V
VB = Δ2/Δ = 2,75/0,135 = 20,37 V
Відповідь
IR3 = (VA − VB)/R3 = (12,96 − 20,37)/5 = −1,481 A
4.Метод вузлових потенціалів
Відповідь: IR4 = −0,5154 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 = 18 V, V2 = −5 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/20 + (VA − 18)/15 + (VA − VB)/20 = 0
0,1667·VA − 0,05·VB = 1,2
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/8 + (VB − VA)/20 + (VB − (−5))/10 = (−2,5)
−0,05·VA + 0,275·VB = −3
Розв’яжіть
Δ = (0,1667)(0,275) − (−0,05)(−0,05) = 0,04333
VA = Δ1/Δ = 0,18/0,04333 = 4,154 V
VB = Δ2/Δ = −0,44/0,04333 = −10,15 V
Відповідь
IR4 = (VB − V2)/R4 = (−10,15 − −5)/10 = −0,5154 A
5.Тевенен і Нортон
Відповідь: IN = 0,3273 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 = 10·15/(10+15) = 6 Ω
Rth = (R1 ∥ R2) + R3 = 6 + 5 = 11 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) = 6·15/(10+15) = 3,6 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 = 3,6/11 = 0,3273 A
6.Тевенен і Нортон
Відповідь: IN = 1,441 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 = 6·30/(6+30) = 5 Ω
Rth = (R1 ∥ R2) + R3 = 5 + 12 = 17 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 + 1·5 = 12,5 V
Vth = VB = VA + Is·R3 = 12,5 + 1·12 = 24,5 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 = 24,5/17 = 1,441 A
7.Перехідні процеси RC і RL
Відповідь: i = 0,1839 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
τ = L/R = 220 mH / 22 Ω = 10 ms
Спадання струму
i(t) = 0,5·e−10/10 = 0,1839 A
Відповідь
i = 0,1839 A
8.Перехідні процеси RC і RL
Відповідь: vC = 10,5 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.
Початкове значення, кінцеве значення, стала часу
Напруга на конденсаторі не може змінитися стрибком, тож вона починає з накопиченого значення й прямує до напруги джерела.
vC(0) = 8 V, vC(∞) = Vs = 15 V
τ = R·C = 10 kΩ · 68 µF = 680 ms
vC(t) = 15 + (8 − 15)·e−t/τ
Напруга в заданий момент
vC(300) = 15 + (−7)·e−300/680 = 10,5 V
Відповідь
vC = 10,5 V
9.Повний опір і комплексні амплітуди
Відповідь: P = 1,83 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 = 125,7 Ω, XC = 159,2 Ω
Повний опір
|Z| = √(60² + (−33,49)²) = 68,71 Ω
Активна потужність
Котушки й конденсатори лише накопичують і повертають енергію; усю активну потужність споживає резистор.
I = 12/68,71 = 0,1746 A
P = I²·R = 0,1746²·60 = 1,83 W
Відповідь
P = 1,83 W
10.Повний опір і комплексні амплітуди
Відповідь: f0 = 164,2 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 = 3756 var
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| = √(5² + 12²) = 13 Ω
I = V/|Z| = 230/13 = 17,69 A
Реактивна потужність
Q = I²·X = 17,69²·12 = 3756 var
Відповідь
Q = 3756 var
12.Потужність змінного струму й коефіцієнт потужності
Відповідь: C = 618,1 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 = 15·tan(49,46°) = 17,54 kvar
Q2 = P·tan φ2 = 15·tan(25,84°) = 7,265 kvar
QC = Q1 − Q2 = 10,27 kvar
Ємність
Конденсатор, підключений до мережі, постачає Q = V²·ωC.
C = QC/(2πf·V²) = 10272/(2π·50·230²) = 618,1 µF
Відповідь
C = 618,1 µF
13.Трифазні системи
Відповідь: P = 73,32 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 = √3·415·120 = 86,26 kVA
Активна потужність
P = S·cos φ = 86,26·0,85 = 73,32 kW
Відповідь
P = 73,32 kW
14.Трифазні системи
Відповідь: Cph = 2814 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 = 250·tan(acos 0,75) = 250·0,8819 = 220,5 kvar
Q2 = 250·tan(acos 0,98) = 250·0,2031 = 50,76 kvar
Реактивна потужність від конденсаторів
QC = Q1 − Q2 = 169,7 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.
Номінальний струм
Обидві обмотки передають однакову повну потужність.
ILV = S/V = 500000/240 = 2083 A
Відповідь
ILV = 2083 A
16.Трансформатори
Відповідь: Pcu,fl = 11644 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.