Між вузлом A і землею ввімкнено три вітки, як показано на схемі. Методом вузлових потенціалів знайдіть струм I3 у вітці 3, що тече вгору у вузол A в напрямку стрілки.
V1 = 18 VR1 = 8 ΩV2 = 6 VR2 = 5 ΩR3 = 5 Ω
I3 = A
4.Метод вузлових потенціалівСкладна
Скористайтеся методом вузлових потенціалів, щоб знайти вузлову напругу VA (відносно землі).
Знайдіть напругу Тевенена Vth з боку затискачів a–b.
V1 = 6 VIs = 3 AR1 = 4 ΩR2 = 8 ΩR3 = 30 Ω
Vth = V
7.Перехідні процеси RC і RLСередня
До замикання вимикача в момент t = 0 струму через котушку немає. Через який час після замикання вимикача струм досягне 50% кінцевого значення? Знайдіть t.
Vs = 24 VR = 50 ΩL = 10 mH
t = ms
8.Перехідні процеси RC і RLСкладна
Безпосередньо перед замиканням вимикача в момент t = 0 конденсатор має 20 V з указаною полярністю. Знайдіть напругу на конденсаторі vC у момент t = 400 ms.
Vs = 15 VR = 6,8 kΩC = 220 µFvC(0) = 20 Vt = 400 ms
vC = V
9.Повний опір і комплексні амплітудиСередня
Послідовне RLC-коло з L = 2 mH має резонувати на частоті 2000 Hz. Знайдіть потрібну ємність C.
f0 = 2000 HzL = 2 mH
C = µF
10.Повний опір і комплексні амплітудиСкладна
Послідовне коло RLC підключено до мережі 120 V (діюче значення), 1000 Hz. Знайдіть резонансну частоту f0 кола.
V = 120 V (rms)f = 1000 HzR = 60 ΩL = 100 mHC = 47 µF
f0 = Hz
11.Потужність змінного струму й коефіцієнт потужностіСередня
Однофазний двигун споживає 8 kW при коефіцієнті потужності 0,7 (індуктивному) від мережі 240 V. Знайдіть реактивну потужність Q, яку він споживає.
P = 8 kWpf = 0,7V = 240 V
Q = kvar
12.Потужність змінного струму й коефіцієнт потужностіСкладна
Однофазне навантаження споживає 17 kW з коефіцієнтом потужності 0,8 (індуктивним) від мережі 240 V, 60 Hz. Паралельно навантаженню під’єднують конденсатор ємністю 100 µF. Знайдіть новий коефіцієнт потужності cos φ з боку мережі.
P = 17 kWpf1 = 0,8V = 240 Vf = 60 HzC = 100 µF
cos φ =
13.Трифазні системиСередня
Трифазний асинхронний двигун при повному навантаженні розвиває механічну потужність 55 kW. При цьому навантаженні його ККД становить 91%, а коефіцієнт потужності 0,9, відстаючий. Лінійна напруга мережі 415 V. Знайдіть лінійний струм IL.
Pout = 55 kWη = 91%cos φ = 0,9VL = 415 V
IL = A
14.Трифазні системиСкладна
Симетричне трифазне навантаження споживає 50 kW при коефіцієнті потужності 0,75 (відстаючому) від мережі 690 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. Знайдіть сумарну реактивну потужність QC, яку має постачати конденсаторна батарея, у kvar.
P = 50 kWpf1 = 0,75pf2 = 0,9VL = 690 Vf = 50 Hz
QC = kvar
15.ТрансформаториСередня
Однофазний трансформатор 10 kVA, 4160/480 V працює з номінальним навантаженням. Вважайте його ідеальним. Знайдіть струм IHV в обмотці вищої напруги.
S = 10 kVAV1 = 4160 VV2 = 480 V
IHV = A
16.ТрансформаториСкладна
Однофазний трансформатор 500 kVA має втрати в сталі 3000 W. При номінальному навантаженні й коефіцієнті потужності 0,85 (відстаючому) його ККД становить 98%. Знайдіть втрати в міді при повному навантаженні Pcu,fl у ватах.
S = 500 kVAPcore = 3000 Wpf = 0,85η = 98%
Pcu,fl = W
3Розчини
1.Послідовні й паралельні резистори
Відповідь: IR1 = 1,918 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 = 5 + 4 = 9 Ω
R2 ∥ 9 = 5·9/(5+9) = 3,214 Ω
Req = R1 + 3,214 = 2 + 3,214 = 5,214 Ω
Струм джерела
Джерело бачить лише Req, тож закон Ома дає струм, який воно віддає. Цей струм тече через R₁.
IR1 = V1/Req = 10/5,214 = 1,918 A
Відповідь
IR1 = 1,918 A
2.Послідовні й паралельні резистори
Відповідь: IR1 = 0,5117 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 + 30 = 55 Ω
R4 ∥ 55 = 4,583 Ω
R3 + 4,583 = 24,58 Ω
R2 ∥ 24,58 = 9,316 Ω
Req = R1 + 9,316 = 20 + 9,316 = 29,32 Ω
Струм джерела
Джерело бачить лише Req, тож закон Ома дає струм, який воно віддає. Цей струм тече через R₁.
IR1 = V1/Req = 15/29,32 = 0,5117 A
Відповідь
IR1 = 0,5117 A
3.Метод вузлових потенціалів
Відповідь: I3 = −1,314 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 − 18)/8 + (VA − 6)/5 + VA/5 = 0
Знайдіть VA
VA = (18/8 + 6/5 + 0/5) / (1/8 + 1/5 + 1/5) = 3,45/0,525 = 6,571 V
Струм гілки
Стрілка спрямована вгору вздовж вітки, у вузол A.
I3 = (0 − VA)/R3 = (0 − 6,571)/5 = −1,314 A
Відповідь
I3 = −1,314 A
Від’ємний результат означає, що дійсний струм тече проти стрілки.
4.Метод вузлових потенціалів
Відповідь: VA = 11,56 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 = 30 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 − 30)/25 + (VA − VB)/15 = 0
0,2067·VA − 0,06667·VB = 1,2
ЗСК у вузлі B
Струми, що виходять із B через резистори, дорівнюють струму, який джерела подають у B.
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 = 10·3/(10+3) = 2,308 Ω
Rth = (R1 ∥ R2) + R3 = 2,308 + 5 = 7,308 Ω
6.Тевенен і Нортон
Відповідь: Vth = 102 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 = 4·8/(4+8) = 2,667 Ω
Rth = (R1 ∥ R2) + R3 = 2,667 + 30 = 32,67 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 + 3·2,667 = 12 V
Vth = VB = VA + Is·R3 = 12 + 3·30 = 102 V
7.Перехідні процеси RC і RL
Відповідь: t = 0,1386 ms
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 = 10 mH / 50 Ω = 0,2 ms
i(∞) = Vs/R = 24/50 = 0,48 A
Виразіть час
0,5 = 1 − e−t/τ → t = −τ·ln(1 − 0,5)
t = −0,2·ln(0,5) = 0,1386 ms
Відповідь
t = 0,1386 ms
8.Перехідні процеси RC і RL
Відповідь: vC = 18,83 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) = 20 V, vC(∞) = Vs = 15 V
τ = R·C = 6,8 kΩ · 220 µF = 1496 ms
vC(t) = 15 + (20 − 15)·e−t/τ
Напруга в заданий момент
vC(400) = 15 + (5)·e−400/1496 = 18,83 V
Відповідь
vC = 18,83 V
9.Повний опір і комплексні амплітуди
Відповідь: C = 3,166 µF
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|.
Умова резонансу
При резонансі індуктивний і ємнісний опори взаємно компенсуються: ωL = 1/(ωC).
ω₀ = 2π·2000 = 12566 rad/s
C = 1/(ω₀²·L) = 1/(12566²·0,002) = 3,166 µF
Відповідь
C = 3,166 µF
10.Повний опір і комплексні амплітуди
Відповідь: f0 = 73,41 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 = 8,162 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 = 8·1,02 = 8,162 kvar
Відповідь
Q = 8,162 kvar
12.Потужність змінного струму й коефіцієнт потужності
Відповідь: cos φ = 0,849
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 = 17·tan(arccos 0,8) = 12,75 kvar
QC = V²·2πf·C = 240²·2π·60·100·10⁻⁶ = 2171 var = 2,171 kvar
Q2 = 12,75 − 2,171 = 10,58 kvar
Нова повна потужність
S2 = √(17² + 10,58²) = 20,02 kVA
Новий коефіцієнт потужності
cos φ = P/S2 = 17/20,02 = 0,849
Відповідь
cos φ = 0,849
13.Трифазні системи
Відповідь: IL = 93,43 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 = 55/0,91 = 60,44 kW
Струм лінії
IL = Pin/(√3·VL·cos φ) = 60440/(√3·415·0,9) = 93,43 A
Відповідь
IL = 93,43 A
14.Трифазні системи
Відповідь: QC = 19,88 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 = 50·tan(acos 0,75) = 50·0,8819 = 44,1 kvar
Q2 = 50·tan(acos 0,9) = 50·0,4843 = 24,22 kvar
Реактивна потужність від конденсаторів
QC = Q1 − Q2 = 19,88 kvar
Відповідь
QC = 19,88 kvar
15.Трансформатори
Відповідь: IHV = 2,404 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 = 10000/4160 = 2,404 A
Відповідь
IHV = 2,404 A
16.Трансформатори
Відповідь: Pcu,fl = 5673 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.