До замикання вимикача в момент t = 0 струму через котушку немає. Знайдіть струм i у момент t = 1 ms.
Vs = 12 VR = 68 ΩL = 68 mHt = 1 ms
i = A
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 = 500 ms.
Vs = 15 VR1 = 6,8 kΩR2 = 3,3 kΩC = 100 µFt = 500 ms
vC = V
9.Повний опір і комплексні амплітудиСередня
Послідовне коло RLC підключено до мережі 12 V (діюче значення), 100 Hz. Знайдіть коефіцієнт потужності cos φ кола.
V = 12 V (rms)f = 100 HzR = 50 ΩL = 50 mHC = 22 µF
cos φ =
10.Повний опір і комплексні амплітудиСкладна
Послідовне RLC-коло живиться від джерела 5 V (діюче значення), частоту якого встановлено рівною резонансній частоті кола. Знайдіть діюче значення напруги VL на котушці.
V = 5 V (rms)R = 2 ΩL = 10 mHC = 10 µF
VL = V
11.Потужність змінного струму й коефіцієнт потужностіСередня
Однофазний двигун споживає 39 kW при коефіцієнті потужності 0,7 (індуктивному) від мережі 240 V. Знайдіть реактивну потужність Q, яку він споживає.
P = 39 kWpf = 0,7V = 240 V
Q = kvar
12.Потужність змінного струму й коефіцієнт потужностіСкладна
Джерело 100 V (діюче значення), 1000 Hz має внутрішній опір Zs = 8 + j10 Ω. Опір навантаження ZL можна вибирати довільно. Навантаження для максимальної потужності складається з резистора, послідовно з’єднаного з конденсатором. Знайдіть ємність C.
Vs = 100 V (rms)f = 1000 HzZs = 8 + j10 Ω
C = µF
13.Трифазні системиСередня
Трифазний асинхронний двигун при повному навантаженні розвиває механічну потужність 90 kW. При цьому навантаженні його ККД становить 94%, а коефіцієнт потужності 0,84, відстаючий. Лінійна напруга мережі 480 V. Знайдіть лінійний струм IL.
Pout = 90 kWη = 94%cos φ = 0,84VL = 480 V
IL = A
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. Знайдіть сумарну реактивну потужність QC, яку має постачати конденсаторна батарея, у kvar.
P = 250 kWpf1 = 0,75pf2 = 0,98VL = 400 Vf = 60 Hz
QC = kvar
15.ТрансформаториСередня
До первинної обмотки ідеального трансформатора з коефіцієнтом трансформації N₁:N₂ = 4:1 прикладено 960 V. До вторинної обмотки підключено резистор 60 Ω. Знайдіть первинний струм I1.
N1:N2 = 4:1V1 = 960 VRL = 60 Ω
I1 = A
16.ТрансформаториСкладна
Однофазний трансформатор 25 kVA має втрати в сталі 125 W і втрати в міді 187,5 W при номінальному навантаженні. При якому навантаженні Sη,max, у kVA, його ККД найвищий?
S = 25 kVAPcore = 125 WPcu,fl = 187,5 W
Sη,max = kVA
3Розчини
1.Послідовні й паралельні резистори
Відповідь: IR1 = 0,4228 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 = 15 + 4 = 19 Ω
R2 ∥ 19 = 15·19/(15+19) = 8,382 Ω
Req = R1 + 8,382 = 20 + 8,382 = 28,38 Ω
Струм джерела
Джерело бачить лише Req, тож закон Ома дає струм, який воно віддає. Цей струм тече через R₁.
IR1 = V1/Req = 12/28,38 = 0,4228 A
Відповідь
IR1 = 0,4228 A
2.Послідовні й паралельні резистори
Відповідь: IR1 = 2,082 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 = 3 + 3 = 6 Ω
R4 ∥ 6 = 2,727 Ω
R3 + 2,727 = 4,727 Ω
R2 ∥ 4,727 = 2,644 Ω
Req = R1 + 2,644 = 6 + 2,644 = 8,644 Ω
Струм джерела
Джерело бачить лише Req, тож закон Ома дає струм, який воно віддає. Цей струм тече через R₁.
IR1 = V1/Req = 18/8,644 = 2,082 A
Відповідь
IR1 = 2,082 A
3.Метод вузлових потенціалів
Відповідь: PIs = 14,02 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/2 + (VA − 6)/5 + (VA − VB)/20 = 0
0,75·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/R4 + (VB − VA)/R3 = Is
VB/4 + (VB − VA)/20 = 2
−0,05·VA + 0,3·VB = 2
Розв’яжіть
Δ = (0,75)(0,3) − (−0,05)(−0,05) = 0,2225
VA = Δ1/Δ = 0,46/0,2225 = 2,067 V
VB = Δ2/Δ = 1,56/0,2225 = 7,011 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 = 7,011·2 = 14,02 W
Відповідь
PIs = 14,02 W
4.Метод вузлових потенціалів
Відповідь: VB = 18,86 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.
Визначте вузли
Земля — нижній провід. Відомі вузлові напруги беруться прямо з джерел (V1 = 15 V, V2 = 15 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/25 + (VA − 15)/5 + (VA − VB)/4 = 0
0,49·VA − 0,25·VB = 3
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)/4 + (VB − 15)/4 = 2,5
−0,25·VA + 0,54·VB = 6,25
Розв’яжіть
Δ = (0,49)(0,54) − (−0,25)(−0,25) = 0,2021
VA = Δ1/Δ = 3,183/0,2021 = 15,75 V
VB = Δ2/Δ = 3,813/0,2021 = 18,86 V
Відповідь
VB = 18,86 V
5.Тевенен і Нортон
Відповідь: Rth = 21,67 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 = 15·12/(15+12) = 6,667 Ω
Rth = (R1 ∥ R2) + R3 = 6,667 + 15 = 21,67 Ω
6.Тевенен і Нортон
Відповідь: IL = −0,9818 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 = 8·6/(8+6) = 3,429 Ω
Rth = (R1 ∥ R2) + R3 = 3,429 + 20 = 23,43 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) = 4,286 + (−1,5)·3,429 = −0,8571 V
Vth = VB = VA + Is·R3 = −0,8571 + (−1,5)·20 = −30,86 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) = −30,86/(23,43 + 8) = −0,9818 A
7.Перехідні процеси RC і RL
Відповідь: i = 0,1116 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.
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) = 15·3,3/(6,8 + 3,3) = 4,901 V
Стала часу після розмикання ключа
τ = R2·C = 3,3·100 = 330 ms
Розряджання
vC(t) = 4,901·e−500/330 = 1,077 V
Відповідь
vC = 1,077 V
9.Повний опір і комплексні амплітуди
Відповідь: cos φ = 0,7738
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 = 31,42 Ω, XC = 72,34 Ω
Повний опір
|Z| = √(50² + (−40,93)²) = 64,61 Ω
Коефіцієнт потужності
cos φ = R/|Z| = 50/64,61 = 0,7738
Коло ємнісне, тож коефіцієнт потужності ємнісний (струм випереджає).
Відповідь
cos φ = 0,7738
10.Повний опір і комплексні амплітуди
Відповідь: VL = 79,06 V
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 реактивні опори компенсуються, тож повний опір дорівнює просто R.
ω₀ = 1/√(LC) = 1/√(0,01·10·10⁻⁶) = 3162 rad/s
I = V/R = 5/2 = 2,5 A
Напруга на котушці
XL = ω₀L = 3162·0,01 = 31,62 Ω
VL = I·XL = 2,5·31,62 = 79,06 V
Відповідь
VL = 79,06 V
Це в Q = 15,81 разів більше за напругу мережі.
11.Потужність змінного струму й коефіцієнт потужності
Відповідь: Q = 39,79 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 = 39·1,02 = 39,79 kvar
Відповідь
Q = 39,79 kvar
12.Потужність змінного струму й коефіцієнт потужності
Відповідь: C = 15,92 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.
Спряжене узгодження
Реактивний опір навантаження компенсує реактивний опір джерела, а активний опір навантаження дорівнює активному опору джерела.
ZL = Zs* = 8 − j10 Ω
Ємність
XC = 10 Ω → C = 1/(2π·1000·10) = 15,92 µF
Відповідь
C = 15,92 µF
13.Трифазні системи
Відповідь: IL = 137,1 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 = 90/0,94 = 95,74 kW
Струм лінії
IL = Pin/(√3·VL·cos φ) = 95745/(√3·480·0,84) = 137,1 A
Відповідь
IL = 137,1 A
14.Трифазні системи
Відповідь: QC = 169,7 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 = 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
Відповідь
QC = 169,7 kvar
15.Трансформатори
Відповідь: I1 = 1 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 = 960/4 = 240 V
I2 = 240/60 = 4 A
Первинний струм
Ідеальний трансформатор не має втрат: V₁·I₁ = V₂·I₂.
I1 = I2/4 = 1 A
Відповідь
I1 = 1 A
Перевірка: навантаження з боку первинної обмотки a²·RL = 960 Ω, і 960/960 дає той самий струм.
16.Трансформатори
Відповідь: Sη,max = 20,41 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.