Знайдіть напругу Тевенена Vth з боку затискачів a–b.
V1 = 15 VR1 = 8 ΩR2 = 3 ΩR3 = 5 Ω
Vth = V
6.Тевенен і НортонСкладна
Знайдіть напругу Тевенена Vth з боку затискачів a–b.
V1 = 5 VIs = 1,5 AR1 = 6 ΩR2 = 12 ΩR3 = 2 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 99% кінцевого значення? Знайдіть t.
Vs = 12 VR = 15 ΩL = 220 mH
t = ms
8.Перехідні процеси RC і RLСкладна
Ключ паралельно R2 був замкнений тривалий час, тож струм котушки сталий. При t = 0 ключ розмикається. Через який час після t = 0 струм котушки досягне 0,268 A? Знайдіть t.
Vs = 15 VR1 = 33 ΩR2 = 47 ΩL = 220 mH
t = ms
9.Повний опір і комплексні амплітудиСередня
Послідовне коло RLC підключено до мережі 50 V (діюче значення), 200 Hz. Знайдіть активну потужність P, що споживається від мережі.
V = 50 V (rms)f = 200 HzR = 30 ΩL = 150 mHC = 4,7 µF
P = W
10.Повний опір і комплексні амплітудиСкладна
Послідовне RLC-коло має R = 5 Ω, L = 20 mH і C = 0,22 µF. Знайдіть його добротність Q при резонансі.
R = 5 ΩL = 20 mHC = 0,22 µF
Q =
11.Потужність змінного струму й коефіцієнт потужностіСередня
До однофазної мережі 400 V паралельно під’єднано два навантаження: навантаження 10 kW з коефіцієнтом потужності 0,85 (індуктивним) і навантаження 22 kW з коефіцієнтом потужності 0,7 (індуктивним). Знайдіть загальний струм I, що споживається від мережі.
12.Потужність змінного струму й коефіцієнт потужностіСкладна
Однофазне навантаження споживає 25 kW при коефіцієнті потужності 0,75 (індуктивному) від мережі 400 V, 60 Hz. Паралельно підключений конденсатор підвищує коефіцієнт потужності до 0,95. Знайдіть реактивну потужність QC, яку має постачати конденсатор.
P = 25 kWpf1 = 0,75pf2 = 0,95V = 400 Vf = 60 Hz
QC = kvar
13.Трифазні системиСередня
Трифазний асинхронний двигун при повному навантаженні розвиває механічну потужність 90 kW. При цьому навантаженні його ККД становить 94%, а коефіцієнт потужності 0,9, відстаючий. Лінійна напруга мережі 400 V. Знайдіть лінійний струм IL.
Pout = 90 kWη = 94%cos φ = 0,9VL = 400 V
IL = A
14.Трифазні системиСкладна
Симетричне трифазне навантаження споживає 75 kW при коефіцієнті потужності 0,75 (відстаючому) від мережі 480 V (лінійна напруга), 50 Hz. Трифазна конденсаторна батарея, підключена паралельно до навантаження, має підвищити загальний коефіцієнт потужності до 0,98 (відстаючого). Активна потужність не змінюється. Конденсатори з’єднано зіркою. Знайдіть ємність Cph кожного конденсатора в µF.
P = 75 kWpf1 = 0,75pf2 = 0,98VL = 480 Vf = 50 Hz
Cph = µF
15.ТрансформаториСередня
До первинної обмотки ідеального трансформатора з коефіцієнтом трансформації N₁:N₂ = 2:1 прикладено 240 V. До вторинної обмотки підключено резистор 48 Ω. Знайдіть первинний струм I1.
N1:N2 = 2:1V1 = 240 VRL = 48 Ω
I1 = A
16.ТрансформаториСкладна
Однофазний трансформатор 100 kVA має втрати в сталі 500 W і втрати в міді 750 W при номінальному навантаженні. При якому навантаженні Sη,max, у kVA, його ККД найвищий?
S = 100 kVAPcore = 500 WPcu,fl = 750 W
Sη,max = kVA
3Розчини
1.Послідовні й паралельні резистори
Відповідь: IR2 = 0,9571 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 + 8 = 13 Ω
R2 ∥ 13 = 2·13/(2+13) = 1,733 Ω
Req = R1 + 1,733 = 20 + 1,733 = 21,73 Ω
Струм джерела
Джерело бачить лише Req, тож закон Ома дає струм, який воно віддає. Цей струм тече через R₁.
IR1 = V1/Req = 24/21,73 = 1,104 A
Струм через R₂
Відніміть спад на R₁, щоб отримати напругу у вузлі A, тобто напругу на R₂.
VA = V1 − IR1·R1 = 24 − 1,104·20 = 1,914 V
IR2 = VA/R2 = 1,914/2 = 0,9571 A
Відповідь
IR2 = 0,9571 A
2.Послідовні й паралельні резистори
Відповідь: IR2 = 0,2882 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 = 5 + 5 = 10 Ω
R4 ∥ 10 = 5,455 Ω
R3 + 5,455 = 9,455 Ω
R2 ∥ 9,455 = 4,86 Ω
Req = R1 + 4,86 = 12 + 4,86 = 16,86 Ω
Струм джерела
Джерело бачить лише Req, тож закон Ома дає струм, який воно віддає. Цей струм тече через R₁.
IR1 = V1/Req = 10/16,86 = 0,5931 A
Струм через R₂
Відніміть спад на R₁, щоб отримати напругу у вузлі A, тобто напругу на R₂.
VA = V1 − IR1·R1 = 10 − 0,5931·12 = 2,882 V
IR2 = VA/R2 = 2,882/10 = 0,2882 A
Відповідь
IR2 = 0,2882 A
3.Метод вузлових потенціалів
Відповідь: IR3 = 0,05556 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.
Визначте вузли
Земля — нижній провід. Відомі вузлові напруги беруться прямо з джерел (V1 = 30 V). Невідомі: VA, VB.
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/20 + (VA − 30)/5 + (VA − VB)/8 = 0
0,375·VA − 0,125·VB = 6
ЗСК у вузлі B
Струми, що виходять із B через резистори, дорівнюють струму, який джерела подають у B.
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
VA відоме, тож це рівняння дає VB.
(VA − V1)/R1 + VA/R2 + (VA − VB)/R3 = 0
(9,5 − 18)/15 + 9,5/4 = (VB − 9,5)/4
1,808 = (VB − 9,5)/4 → VB = 16,73 V
ЗСК для вузла B
Струми, що виходять з B через резистори, дорівнюють струму, який джерела подають у B.
Is = (VB − VA)/R3 + VB/R4 = (16,73 − 9,5)/4 + 16,73/12 = 3,203 A
Відповідь
Is = 3,203 A
5.Тевенен і Нортон
Відповідь: Vth = 4,091 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 = 8·3/(8+3) = 2,182 Ω
Rth = (R1 ∥ R2) + R3 = 2,182 + 5 = 7,182 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) = 15·3/(8+3) = 4,091 V
6.Тевенен і Нортон
Відповідь: Vth = 12,33 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 = 6·12/(6+12) = 4 Ω
Rth = (R1 ∥ R2) + R3 = 4 + 2 = 6 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) = 3,333 + 1,5·4 = 9,333 V
Vth = VB = VA + Is·R3 = 9,333 + 1,5·2 = 12,33 V
7.Перехідні процеси RC і RL
Відповідь: t = 67,54 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 = 220 mH / 15 Ω = 14,67 ms
i(∞) = Vs/R = 12/15 = 0,8 A
Виразіть час
0,99 = 1 − e−t/τ → t = −τ·ln(1 − 0,99)
t = −14,67·ln(0,01) = 67,54 ms
Відповідь
t = 67,54 ms
8.Перехідні процеси RC і RL
Відповідь: t = 3,298 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.
Початкове значення, кінцеве значення, стала часу
До t = 0 замкнений ключ шунтує R₂; після цього в контурі обидва резистори, R₁ і R₂.
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 = 188,5 Ω, XC = 169,3 Ω
Повний опір
|Z| = √(30² + (19,18)²) = 35,61 Ω
Активна потужність
Котушки й конденсатори лише накопичують і повертають енергію; усю активну потужність споживає резистор.
I = 50/35,61 = 1,404 A
P = I²·R = 1,404²·30 = 59,15 W
Відповідь
P = 59,15 W
10.Повний опір і комплексні амплітуди
Відповідь: Q = 60,3
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|.
Резонансна частота
f0 = 1/(2π·√(0,02·0,22·10⁻⁶)) = 2399 Hz
Добротність
Q порівнює реактивний опір при резонансі з активним опором: Q = ω₀L/R.
11.Потужність змінного струму й коефіцієнт потужності
Відповідь: I = 107,4 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.
Реактивна потужність кожного навантаження
Індуктивне навантаження споживає реактивну потужність (Q > 0); ємнісне — віддає її (Q < 0).
Q1 = 10·tan(arccos 0,85) = 6,197 kvar
Q2 = 22·tan(arccos 0,7) = 22,44 kvar
Сумарні значення
P = 10 + 22 = 32 kW
Q = 6,197 + 22,44 = 28,64 kvar
S = √(32² + 28,64²) = 42,95 kVA
Загальний струм
I = S/V = 42946/400 = 107,4 A
Відповідь
I = 107,4 A
12.Потужність змінного струму й коефіцієнт потужності
Відповідь: QC = 13,83 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 = 25·tan(41,41°) = 22,05 kvar
Q2 = P·tan φ2 = 25·tan(18,19°) = 8,217 kvar
QC = Q1 − Q2 = 13,83 kvar
Відповідь
QC = 13,83 kvar
13.Трифазні системи
Відповідь: IL = 153,6 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/(√3·400·0,9) = 153,6 A
Відповідь
IL = 153,6 A
14.Трифазні системи
Відповідь: Cph = 703,4 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 = 75·tan(acos 0,75) = 75·0,8819 = 66,14 kvar
Q2 = 75·tan(acos 0,98) = 75·0,2031 = 15,23 kvar
Реактивна потужність від конденсаторів
QC = Q1 − Q2 = 50,91 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 = 240/2 = 120 V
I2 = 120/48 = 2,5 A
Первинний струм
Ідеальний трансформатор не має втрат: V₁·I₁ = V₂·I₂.
I1 = I2/2 = 1,25 A
Відповідь
I1 = 1,25 A
Перевірка: навантаження з боку первинної обмотки a²·RL = 192 Ω, і 240/192 дає той самий струм.
16.Трансформатори
Відповідь: Sη,max = 81,65 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.