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
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
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
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
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
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
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
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
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
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
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.
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 + 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.
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.
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.
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 = 10·10/(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.
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
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
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).
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: 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.
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.