Знайдіть струм Нортона IN: струм, що тече від a до b, якщо затискачі закоротити.
V1 = 30 VR1 = 10 ΩR2 = 2 ΩR3 = 4 Ω
IN = A
6.Тевенен і НортонСкладна
Знайдіть напругу Тевенена Vth з боку затискачів a–b.
V1 = 12 VIs = 6 AR1 = 10 ΩR2 = 15 ΩR3 = 3 Ω
Vth = V
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. Скільки часу потрібно, щоб струм зменшився до 0,125 A? Знайдіть t.
i(0) = 0,5 AR = 22 ΩL = 33 mH
t = ms
8.Перехідні процеси RC і RLСкладна
Ключ паралельно R2 був розімкнений тривалий час, тож струм котушки сталий. При t = 0 ключ замикається й закорочує R2. Знайдіть струм котушки i при t = 10 ms.
Vs = 15 VR1 = 47 ΩR2 = 47 ΩL = 220 mHt = 10 ms
i = A
9.Повний опір і комплексні амплітудиСередня
Послідовне коло RLC підключено до мережі 230 V (діюче значення), 200 Hz. Знайдіть діюче значення струму I.
V = 230 V (rms)f = 200 HzR = 30 ΩL = 50 mHC = 10 µF
I = A
10.Повний опір і комплексні амплітудиСкладна
Послідовне коло RLC підключено до мережі 50 V (діюче значення), 100 Hz. Знайдіть діюче значення струму I.
V = 50 V (rms)f = 100 HzR = 100 ΩL = 50 mHC = 10 µF
I = A
11.Потужність змінного струму й коефіцієнт потужностіСередня
Навантаження з повним опором Z = 6 + j8 Ω під’єднано до однофазної мережі 120 V (діюче значення). Знайдіть реактивну потужність Q, яку воно споживає.
V = 120 VZ = 6 + j8 Ω
Q = var
12.Потужність змінного струму й коефіцієнт потужностіСкладна
Однофазне навантаження споживає 30 kW при коефіцієнті потужності 0,7 (індуктивному) від мережі 230 V, 60 Hz. Паралельно підключений конденсатор підвищує коефіцієнт потужності до 0,98. Знайдіть реактивну потужність QC, яку має постачати конденсатор.
P = 30 kWpf1 = 0,7pf2 = 0,98V = 230 Vf = 60 Hz
QC = kvar
13.Трифазні системиСередня
Симетричне трифазне навантаження споживає лінійний струм 120 A від мережі з лінійною напругою 400 V. Коефіцієнт потужності 0,85, відстаючий. Знайдіть сумарну активну потужність P, яку споживає навантаження, у kW.
VL = 400 VIL = 120 Acos φ = 0,85
P = kW
14.Трифазні системиСкладна
Симетричне трифазне навантаження споживає 80 kW при коефіцієнті потужності 0,65 (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. Конденсатори з’єднано зіркою. Знайдіть ємність Cph кожного конденсатора в µF.
P = 80 kWpf1 = 0,65pf2 = 0,9VL = 690 Vf = 50 Hz
Cph = µF
15.ТрансформаториСередня
Підсилювач з вихідним опором 20 Ω живить гучномовець 5 Ω через ідеальний трансформатор. Для передачі максимальної потужності гучномовець з боку підсилювача має виглядати як 20 Ω. Знайдіть коефіцієнт трансформації a = N₁/N₂.
Rs = 20 ΩRL = 5 Ω
a =
16.ТрансформаториСкладна
Однофазний трансформатор 200 kVA має втрати в сталі 1200 W. При номінальному навантаженні й коефіцієнті потужності 0,9 (відстаючому) його ККД становить 96,5%. Знайдіть втрати в міді при повному навантаженні Pcu,fl у ватах.
S = 200 kVAPcore = 1200 Wpf = 0,9η = 96,5%
Pcu,fl = W
3Розчини
1.Послідовні й паралельні резистори
Відповідь: IR2 = 0,8911 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 = 6 + 3 = 9 Ω
R2 ∥ 9 = 4·9/(4+9) = 2,769 Ω
Req = R1 + 2,769 = 5 + 2,769 = 7,769 Ω
Струм джерела
Джерело бачить лише Req, тож закон Ома дає струм, який воно віддає. Цей струм тече через R₁.
IR1 = V1/Req = 10/7,769 = 1,287 A
Струм через R₂
Відніміть спад на R₁, щоб отримати напругу у вузлі A, тобто напругу на R₂.
VA = V1 − IR1·R1 = 10 − 1,287·5 = 3,564 V
IR2 = VA/R2 = 3,564/4 = 0,8911 A
Відповідь
IR2 = 0,8911 A
2.Послідовні й паралельні резистори
Відповідь: IR1 = 1,422 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 + 4 = 7 Ω
R4 ∥ 7 = 4,773 Ω
R3 + 4,773 = 6,773 Ω
R2 ∥ 6,773 = 4,329 Ω
Req = R1 + 4,329 = 2 + 4,329 = 6,329 Ω
Струм джерела
Джерело бачить лише Req, тож закон Ома дає струм, який воно віддає. Цей струм тече через R₁.
IR1 = V1/Req = 9/6,329 = 1,422 A
Відповідь
IR1 = 1,422 A
3.Метод вузлових потенціалів
Відповідь: PIs = 209,4 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/8 + (VA − 30)/12 + (VA − VB)/15 = 0
0,275·VA − 0,06667·VB = 2,5
ЗСК у вузлі B
Струми, що виходять із B через резистори, дорівнюють струму, який джерела подають у B.
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 = 41,89·5 = 209,4 W
Відповідь
PIs = 209,4 W
4.Метод вузлових потенціалів
Відповідь: VA = 7,419 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 = 5 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/10 + (VA − 5)/2 + (VA − VB)/3 = 0
0,9333·VA − 0,3333·VB = 2,5
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/12 + (VB − VA)/3 + (VB − 15)/30 = 3
−0,3333·VA + 0,45·VB = 3,5
Розв’яжіть
Δ = (0,9333)(0,45) − (−0,3333)(−0,3333) = 0,3089
VA = Δ1/Δ = 2,292/0,3089 = 7,419 V
VB = Δ2/Δ = 4,1/0,3089 = 13,27 V
Відповідь
VA = 7,419 V
5.Тевенен і Нортон
Відповідь: IN = 0,8824 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 = 10·2/(10+2) = 1,667 Ω
Rth = (R1 ∥ R2) + R3 = 1,667 + 4 = 5,667 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) = 30·2/(10+2) = 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 = 5/5,667 = 0,8824 A
6.Тевенен і Нортон
Відповідь: Vth = 61,2 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 = 10·15/(10+15) = 6 Ω
Rth = (R1 ∥ R2) + R3 = 6 + 3 = 9 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) = 7,2 + 6·6 = 43,2 V
Vth = VB = VA + Is·R3 = 43,2 + 6·3 = 61,2 V
7.Перехідні процеси RC і RL
Відповідь: t = 2,079 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
τ = L/R = 33 mH / 22 Ω = 1,5 ms
Виразіть час
0,125 = 0,5·e−t/τ → t = τ·ln(0,5/0,125)
t = 1,5·ln(4) = 2,079 ms
Відповідь
t = 2,079 ms
8.Перехідні процеси RC і RL
Відповідь: i = 0,3003 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.
Початкове значення, кінцеве значення, стала часу
До t = 0 у контурі обидва резистори; після цього замкнений ключ шунтує R₂.
i(0) = 15/(47 + 47) = 0,1596 A
i(∞) = 15/47 = 0,3191 A
τ = L/R = 220/47 = 4,681 ms
i(t) = 0,3191 + (0,1596 − 0,3191)·e−t/τ
Струм у заданий момент
i(10) = 0,3191 + (−0,1596)·e−10/4,681 = 0,3003 A
Відповідь
i = 0,3003 A
9.Повний опір і комплексні амплітуди
Відповідь: I = 6,694 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|.
Реактивні опори
ω = 2πf = 2π·200 = 1257 rad/s
XL = ωL = 1257·0,05 = 62,83 Ω
XC = 1/(ωC) = 1/(1257·10·10⁻⁶) = 79,58 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| = 230/34,36 = 6,694 A
Відповідь
I = 6,694 A
10.Повний опір і комплексні амплітуди
Відповідь: I = 0,3082 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|.
Реактивні опори
ω = 2πf = 2π·100 = 628,3 rad/s
XL = ωL = 628,3·0,05 = 31,42 Ω
XC = 1/(ωC) = 1/(628,3·10·10⁻⁶) = 159,2 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| = 50/162,2 = 0,3082 A
Відповідь
I = 0,3082 A
11.Потужність змінного струму й коефіцієнт потужності
Відповідь: Q = 1152 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| = √(6² + 8²) = 10 Ω
I = V/|Z| = 120/10 = 12 A
Реактивна потужність
Q = I²·X = 12²·8 = 1152 var
Відповідь
Q = 1152 var
12.Потужність змінного струму й коефіцієнт потужності
Відповідь: QC = 24,51 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.
Реактивна потужність до і після
Активна потужність P не змінюється; змінюється лише реактивна потужність із мережі.
Q1 = P·tan φ1 = 30·tan(45,57°) = 30,61 kvar
Q2 = P·tan φ2 = 30·tan(11,48°) = 6,092 kvar
QC = Q1 − Q2 = 24,51 kvar
Відповідь
QC = 24,51 kvar
13.Трифазні системи
Відповідь: P = 70,67 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 = √3·400·120 = 83,14 kVA
Активна потужність
P = S·cos φ = 83,14·0,85 = 70,67 kW
Відповідь
P = 70,67 kW
14.Трифазні системи
Відповідь: Cph = 366,3 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 = 80·tan(acos 0,65) = 80·1,169 = 93,53 kvar
Q2 = 80·tan(acos 0,9) = 80·0,4843 = 38,75 kvar
Реактивна потужність від конденсаторів
QC = Q1 − Q2 = 54,78 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.
Узгодьте зведене навантаження
a²·5 = 20
a = √(20/5) = √4 = 2
Відповідь
a = 2
16.Трансформатори
Відповідь: Pcu,fl = 5328 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.