Основи електротехніки: шпаргалка-підсумок

Аркуші з формулами, ключові кроки методів для кожної теми та 16 задач для практики, з повними розв’язками наприкінці.

Нові задачіНазад до курсу

У вікні друку виберіть «Зберегти як PDF», щоб зберегти копію на пристрої.

1Формули та методи

Послідовні й паралельні резистори

Послідовне з’єднання резисторів
Req = R1 + R2 + …
Паралельне з’єднання резисторів
1/Req = 1/R1 + 1/R2 + …
Два паралельно
Req = R1R2 / (R1 + R2)
Закон Ома
V = I·R
Потужність
P = V·I = I²R = V²/R

Метод

  1. Почніть з кінця мережі, найдальшого від затискачів.
  2. Послідовні резистори об’єднуйте додаванням, паралельні — за 1/R = 1/R₁ + 1/R₂ + …
  3. Перемальовуйте коло після кожного кроку.
  4. Повторюйте, доки між затискачами не залишиться один резистор.

Метод вузлових потенціалів

Закон струмів Кірхгофа
ΣIin = ΣIout
Струм гілки
I = (Va − Vb)/R
Опорний вузол
Vground = 0

Метод

  1. Оберіть опорний вузол (землю) і позначте напруги інших вузлів.
  2. Запишіть закон струмів Кірхгофа для кожного невідомого вузла: струми, що витікають через гілки, дорівнюють струмам, що втікають.
  3. Виразіть кожен струм гілки як (Va − Vb)/R.
  4. Розв’яжіть систему рівнянь, потім знайдіть потрібний струм.

Тевенен і Нортон

Напруга Тевенена
Vth = Vopen circuit
Опір Тевенена
Rth: усі джерела вимкнені, з боку a–b
Струм Нортона
IN = Vth/Rth
Струм навантаження
IL = Vth/(Rth + RL)
Передача максимальної потужності
RL = Rth, Pmax = Vth²/(4Rth)

Метод

  1. Від’єднайте навантаження й позначте два затискачі a і b.
  2. Знайдіть напругу холостого ходу між a і b: це Vth.
  3. Вимкніть усі незалежні джерела й знайдіть опір з боку a–b: це Rth.
  4. Поверніть навантаження до еквівалентної схеми: Vth послідовно з Rth.
  5. Для еквівалента Нортона перетворіть: IN = Vth/Rth, з паралельним RN = Rth.

Перехідні процеси RC і RL

Стала часу
τ = RC | τ = L/R
Відгук
x(t) = x(∞) + [x(0) − x(∞)]·e−t/τ
Конденсатор на постійному струмі
розрив; vC не може змінитися стрибком
Котушка на постійному струмі
коротке замикання; iL не може змінитися стрибком
Усталений режим
t ≈ 5τ

Метод

  1. Знайдіть початкове значення одразу після комутації: напруга на конденсаторі й струм через котушку не можуть змінитися стрибком.
  2. Знайдіть кінцеве значення через довгий час після комутації: конденсатор поводиться як розрив, котушка — як коротке замикання.
  3. Знайдіть сталу часу: τ = RC або τ = L/R, використовуючи опір з боку конденсатора чи котушки.
  4. Використайте x(t) = x(∞) + [x(0) − x(∞)]·e−t/τ.

Повний опір і комплексні амплітуди

Повні опори
ZR = R, ZL = jωL, ZC = 1/(jωC)
Кутова частота
ω = 2πf
Модуль і кут
|Z| = √(R² + X²), φ = atan(X/R)
Закон Ома в комплексній формі
V = I·Z

Метод

  1. Переведіть частоту: ω = 2πf.
  2. Знайдіть кожен реактивний опір: XL = ωL і XC = 1/(ωC).
  3. Додавайте опори як резистори, з Z = R + jX.
  4. Знайдіть модуль |Z| = √(R² + X²) і кут φ = atan(X/R), потім застосуйте закон Ома для комплексних амплітуд.

Потужність змінного струму й коефіцієнт потужності

Активна потужність
P = V·I·cos φ
Реактивна потужність
Q = V·I·sin φ
Повна потужність
S = V·I = √(P² + Q²)
Коефіцієнт потужності
pf = cos φ = P/S
Компенсувальний конденсатор
QC = P(tan φ1 − tan φ2), C = QC/(ωV²)

Трифазні системи

З’єднання зіркою (Y)
VL = √3·Vph, IL = Iph
З’єднання трикутником (Δ)
VL = Vph, IL = √3·Iph
Сумарна активна потужність
P = √3·VL·IL·cos φ = 3·Iph²·R
Повна й реактивна потужність
S = √3·VL·IL, Q = P·tan φ
Компенсувальні конденсатори
QC = P(tan φ1 − tan φ2), C = QC/(3ωV²)
Напруга на кожному конденсаторі
Δ: VL Y: VL/√3
Вхідна потужність двигуна
Pin = Pout/η

Трансформатори

Коефіцієнт трансформації
a = N1/N2 = V1/V2
Відношення струмів
I1/I2 = N2/N1 = 1/a
Номінальний струм
I = S/V
Зведений опір
Z1′ = a²·ZL
Втрати в міді при неповному навантаженні
Pcu = x²·Pcu,fl
ККД
η = x·S·pf/(x·S·pf + Pcore + x²·Pcu,fl)
Максимальний ККД
x = √(Pcore/Pcu,fl)

2Задачі для практики

1.Послідовні й паралельні резисториСередня
R1​ = 10 ΩR3​ = 15 Ω+−V1​12 VR2​8 ΩAR4​3 ΩB

Знайдіть еквівалентний опір Req, який бачить джерело V1.

V1 = 12 VR1 = 10 ΩR2 = 8 ΩR3 = 15 ΩR4 = 3 Ω
Req = Ω
2.Послідовні й паралельні резисториСкладна
R1​ = 6 ΩR3​ = 6 ΩR5​ = 6 Ω+−V1​30 VR2​25 ΩAR4​10 ΩBR6​5 Ω

Знайдіть еквівалентний опір Req, який бачить джерело V1.

V1 = 30 VR1 = 6 ΩR2 = 25 ΩR3 = 6 ΩR4 = 10 ΩR5 = 6 ΩR6 = 5 Ω
Req = Ω
3.Метод вузлових потенціалівСередня
R1​ = 12 ΩR3​ = 15 Ω+−V1​6 VR2​5 ΩAR4​3 ΩBIs​3 A

Методом вузлових потенціалів знайдіть потужність PIs, яку віддає джерело струму Is.

V1 = 6 VIs = 3 AR1 = 12 ΩR2 = 5 ΩR3 = 15 ΩR4 = 3 Ω
PIs = W
4.Метод вузлових потенціалівСкладна
R1​ = 3 ΩR2​ = 15 ΩR4​ = 10 Ω+−V1​30 VR3​10 ΩAR5​25 ΩBIs​0,5 A+−V2​18 V

Скористайтеся методом вузлових потенціалів, щоб знайти вузлову напругу VB (відносно землі).

V1 = 30 VIs = 0,5 AV2 = 18 VR1 = 3 ΩR2 = 15 ΩR3 = 10 ΩR4 = 10 ΩR5 = 25 Ω
VB = V
5.Тевенен і НортонСередня
R1​ = 10 ΩR3​ = 6 Ω+−V1​15 VR2​10 ΩAab

Знайдіть опір Тевенена Rth з боку затискачів a–b.

V1 = 15 VR1 = 10 ΩR2 = 10 ΩR3 = 6 Ω
Rth = Ω
6.Тевенен і НортонСкладна
R1​ = 3 ΩR3​ = 6 Ω+−V1​36 VR2​25 ΩAIs​1,5 ABab

Знайдіть струм Нортона IN: струм, що тече від a до b, якщо затискачі закоротити.

V1 = 36 VIs = 1,5 AR1 = 3 ΩR2 = 25 ΩR3 = 6 Ω
IN = A
7.Перехідні процеси RC і RLСередня
R = 15 Ωt = 0L10 mHi(t)

Через котушку тече сталий струм 1 A. При t = 0 ключ замикає контур через R і джерело від’єднується, тож струм котушки спадає через R. Знайдіть напругу vR на R при t = 1 ms.

i(0) = 1 AR = 15 ΩL = 10 mHt = 1 ms
vR = V
8.Перехідні процеси RC і RLСкладна
+−Vs​9 Vt = 0R = 3,3 kΩC68 µF+−vC​vC​(0) = 24 V

Безпосередньо перед замиканням вимикача в момент t = 0 конденсатор має 24 V з указаною полярністю. Знайдіть напругу на конденсаторі vC у момент t = 200 ms.

Vs = 9 VR = 3,3 kΩC = 68 µFvC(0) = 24 Vt = 200 ms
vC = V
9.Повний опір і комплексні амплітудиСередня
100 V500 HzR = 60 ΩL = 50 mHC = 10 µF

Послідовне коло RLC підключено до мережі 100 V (діюче значення), 500 Hz. Знайдіть кут зсуву фаз φ повного опору в градусах (додатний, коли струм відстає від напруги).

V = 100 V (rms)f = 500 HzR = 60 ΩL = 50 mHC = 10 µF
φ = °
10.Повний опір і комплексні амплітудиСкладна
10 V500 HzR = 40 ΩL = 20 mHC = 4,7 µF

Послідовне коло RLC підключено до мережі 10 V (діюче значення), 500 Hz. Знайдіть резонансну частоту f0 кола.

V = 10 V (rms)f = 500 HzR = 40 ΩL = 20 mHC = 4,7 µF
f0 = Hz
11.Потужність змінного струму й коефіцієнт потужностіСередня
P = 21 kWQSφ

Однофазний двигун споживає 21 kW при коефіцієнті потужності 0,65 (індуктивному) від мережі 240 V. Знайдіть струм лінії I.

P = 21 kWpf = 0,65V = 240 V
I = A
12.Потужність змінного струму й коефіцієнт потужностіСкладна
100 V50 HzRs​ = 5 ΩXs​ = j20 ΩZL​ = ?

Джерело 100 V (діюче значення), 50 Hz має внутрішній опір Zs = 5 + j20 Ω. Опір навантаження ZL можна вибирати довільно. Знайдіть максимальну активну потужність Pmax, яку можна передати навантаженню.

Vs = 100 V (rms)f = 50 HzZs = 5 + j20 Ω
Pmax = W
13.Трифазні системиСередня
ABCVL​ = 415 VNZ = 12 + j16 Ωна фазу

Симетричне навантаження, з’єднане зіркою, з повним опором 12 + j16 Ω на фазу підключене до симетричної трифазної мережі з лінійною напругою 415 V. Знайдіть сумарну активну потужність P, яку поглинає навантаження, у kW.

VL = 415 VZ = 12 + j16 Ω на фазу
P = kW
14.Трифазні системиСкладна
P = 150 kWφ1​S1​Q2​QC​

Симетричне трифазне навантаження споживає 150 kW при коефіцієнті потужності 0,72 (відстаючому) від мережі 690 V (лінійна напруга), 50 Hz. Трифазна конденсаторна батарея, підключена паралельно до навантаження, має підвищити загальний коефіцієнт потужності до 0,95 (відстаючого). Активна потужність не змінюється. Конденсатори з’єднано зіркою. Знайдіть ємність Cph кожного конденсатора в µF.

P = 150 kWpf1 = 0,72pf2 = 0,95VL = 690 Vf = 50 Hz
Cph = µF
15.ТрансформаториСередня
RL​ = 4 Ω1011200 VV2​I1​ = ?I2​

До первинної обмотки ідеального трансформатора з коефіцієнтом трансформації N₁:N₂ = 10:1 прикладено 1200 V. До вторинної обмотки підключено резистор 4 Ω. Знайдіть первинний струм I1.

N1:N2 = 10:1V1 = 1200 VRL = 4 Ω
I1 = A
16.ТрансформаториСкладна
pf 0,8250 kVA, 50% навантаження

Однофазний трансформатор 250 kVA має втрати в сталі 1500 W і втрати в міді 6000 W при номінальному навантаженні. Він віддає 50% своєї номінальної потужності в kVA при коефіцієнті потужності 0,8 (відстаючому). Знайдіть сумарні втрати Ploss у ватах при цьому навантаженні.

S = 250 kVAPcore = 1500 WPcu,fl = 6000 Wx = 0,5pf = 0,8
Ploss = W

3Розчини

1.Послідовні й паралельні резистори

Відповідь: Req = 15,54 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.

R1​ = 10 ΩR3​ = 15 Ω+−V1​12 VR2​8 ΩAR4​3 ΩB

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 + 3 = 18 Ω
R2 ∥ 18 = 8·18/(8+18) = 5,538 Ω
Req = R1 + 5,538 = 10 + 5,538 = 15,54 Ω

Відповідь

Req = 15,54 Ω
2.Послідовні й паралельні резистори

Відповідь: Req = 13,75 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.

R1​ = 6 ΩR3​ = 6 ΩR5​ = 6 Ω+−V1​30 VR2​25 ΩAR4​10 ΩBR6​5 Ω

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 = 6 + 5 = 11 Ω
R4 ∥ 11 = 5,238 Ω
R3 + 5,238 = 11,24 Ω
R2 ∥ 11,24 = 7,753 Ω
Req = R1 + 7,753 = 6 + 7,753 = 13,75 Ω

Відповідь

Req = 13,75 Ω
3.Метод вузлових потенціалів

Відповідь: PIs = 23,98 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/5 + (VA − 6)/12 + (VA − VB)/15 = 0
0,35·VA − 0,06667·VB = 0,5

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/3 + (VB − VA)/15 = 3
−0,06667·VA + 0,4·VB = 3

Розв’яжіть

Δ = (0,35)(0,4) − (−0,06667)(−0,06667) = 0,1356
VA = Δ1/Δ = 0,4/0,1356 = 2,951 V
VB = Δ2/Δ = 1,083/0,1356 = 7,992 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 = 7,992·3 = 23,98 W

Відповідь

PIs = 23,98 W
4.Метод вузлових потенціалів

Відповідь: VB = 18,37 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.

R1​ = 3 ΩR2​ = 15 ΩR4​ = 10 Ω+−V1​30 VR3​10 ΩAR5​25 ΩBIs​0,5 A+−V2​18 V

Визначте вузли

Земля — нижній провід. Відомі вузлові напруги беруться прямо з джерел (V1 = 30 V, V2 = 18 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)/3 + (VA − VB)/15 = 0
0,5·VA − 0,06667·VB = 10

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)/15 + (VB − 18)/10 = 0,5
−0,06667·VA + 0,2067·VB = 2,3

Розв’яжіть

Δ = (0,5)(0,2067) − (−0,06667)(−0,06667) = 0,09889
VA = Δ1/Δ = 2,22/0,09889 = 22,45 V
VB = Δ2/Δ = 1,817/0,09889 = 18,37 V

Відповідь

VB = 18,37 V
5.Тевенен і Нортон

Відповідь: Rth = 11 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.

R1​ = 10 ΩR3​ = 6 ΩКЗR2​10 ΩAabRth​

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 = 10·10/(10+10) = 5 Ω
Rth = (R1 ∥ R2) + R3 = 5 + 6 = 11 Ω
6.Тевенен і Нортон

Відповідь: IN = 2,204 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.

R1​ = 3 ΩR3​ = 6 ΩКЗR2​25 ΩAОБРИВBabRth​

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 = 3·25/(3+25) = 2,679 Ω
Rth = (R1 ∥ R2) + R3 = 2,679 + 6 = 8,679 Ω
R1​ = 3 ΩR3​ = 6 Ω+−V1​36 VR2​25 ΩAIs​1,5 ABab+−Vth​

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) = 32,14 + (−1,5)·2,679 = 28,13 V
Vth = VB = VA + Is·R3 = 28,13 + (−1,5)·6 = 19,13 V
IN​2,204 ARth​8,679 Ωab

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 = 19,13/8,679 = 2,204 A
7.Перехідні процеси RC і RL

Відповідь: vR = 3,347 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.

Стала часу

τ = L/R = 10 mH / 15 Ω = 0,6667 ms

Спадання струму

i(t) = 1·e−1/0,6667 = 0,2231 A
vR = R·i = 15·0,2231 = 3,347 V

Відповідь

vR = 3,347 V
8.Перехідні процеси RC і RL

Відповідь: vC = 15,15 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) = 24 V, vC(∞) = Vs = 9 V
τ = R·C = 3,3 kΩ · 68 µF = 224,4 ms
vC(t) = 9 + (24 − 9)·e−t/τ

Напруга в заданий момент

vC(200) = 9 + (15)·e−200/224,4 = 15,15 V

Відповідь

vC = 15,15 V
9.Повний опір і комплексні амплітуди

Відповідь: φ = 64,4 °

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·500 = 3142 rad/s
XL = ωL = 3142·0,05 = 157,1 Ω
XC = 1/(ωC) = 1/(3142·10·10⁻⁶) = 31,83 Ω

Повний опір

Послідовно повні опори додаються як комплексні числа: Z = R + j(XL − XC).

|Z| = √(R² + (XL − XC)²) = √(60² + (125,2)²) = 138,9 Ω

Кут зсуву фаз

φ = arctan((XL − XC)/R) = arctan(125,2/60) = 64,4°

Відповідь

φ = 64,4°
10.Повний опір і комплексні амплітуди

Відповідь: f0 = 519,1 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.

f0 = 1/(2π√(LC)) = 1/(2π·√(0,02·4,7·10⁻⁶)) = 519,1 Hz

Відповідь

f0 = 519,1 Hz
11.Потужність змінного струму й коефіцієнт потужності

Відповідь: I = 134,6 A

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 лінії

Роботу виконує лише активна частина потужності, тож поділіть на коефіцієнт потужності.

I = P/(V·cos φ) = 21000/(240·0,65) = 134,6 A

Відповідь

I = 134,6 A
12.Потужність змінного струму й коефіцієнт потужності

Відповідь: Pmax = 500 W

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* = 5 − j20 Ω

Максимальна потужність

I = Vs/(2Rs) = 100/10 = 10 A
Pmax = I²·RL = Vs²/(4Rs) = 100²/(4·5) = 500 W

Відповідь

Pmax = 500 W
13.Трифазні системи

Відповідь: P = 5,167 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.

Фазна напруга

Vph = 415/√3 = 239,6 V

Фазний струм

|Z| = √(12² + 16²) = 20 Ω
Iph = 239,6/20 = 11,98 A

Сумарна активна потужність

Активну потужність поглинає лише активна складова кожного опору.

P = 3·Iph²·R = 3·11,98²·12 = 5,167 kW

Відповідь

P = 5,167 kW

Перевірка: cos φ = R/|Z| = 0,6, і √3·VL·IL·cos φ дає ту саму потужність.

14.Трифазні системи

Відповідь: Cph = 637 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 0,72) = 150·0,9639 = 144,6 kvar
Q2 = 150·tan(acos 0,95) = 150·0,3287 = 49,3 kvar

Реактивна потужність від конденсаторів

QC = Q1 − Q2 = 95,28 kvar

Ємність на фазу

У батареї, з’єднаній зіркою, кожен конденсатор увімкнено між лінійним проводом і нейтральною точкою.

V = 690/√3 = 398,4 V, ω = 2π·50 = 314,2 rad/s
Cph = (QC/3)/(ω·V²) = 31758/(314,2·398,4²) = 637 µF

Відповідь

Cph = 637 µF
15.Трансформатори

Відповідь: I1 = 3 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 = 1200/10 = 120 V
I2 = 120/4 = 30 A

Первинний струм

Ідеальний трансформатор не має втрат: V₁·I₁ = V₂·I₂.

I1 = I2/10 = 3 A

Відповідь

I1 = 3 A

Перевірка: навантаження з боку первинної обмотки a²·RL = 400 Ω, і 1200/400 дає той самий струм.

16.Трансформатори

Відповідь: Ploss = 3000 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.

Втрати в міді при цьому навантаженні

Pcu = x²·Pcu,fl = 0,25·6000 = 1500 W

Сумарні втрати

Втрати в сталі однакові за будь-якого навантаження.

Ploss = 1500 + 1500 = 3000 W

Відповідь

Ploss = 3000 W

ККД при цьому навантаженні η = 97,09%.

ExamProblems · examproblems.com/courses/electrical-engineering-fundamentals