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.
Джерело напруги Vₛ між A і B має затискач + біля A, тож забезпечує VA − VB = Vₛ. Методом вузлових потенціалів із надвузлом знайдіть вузлову напругу VB (відносно землі).
V1 = 6 VIs = 1 AVs = 5 VR1 = 4 ΩR2 = 5 ΩR3 = 3 Ω
VB = V
5.Тевенен і НортонСередня
Знайдіть напругу Тевенена Vth з боку затискачів a–b.
V1 = 9 VR1 = 10 ΩR2 = 20 ΩR3 = 12 Ω
Vth = V
6.Тевенен і НортонСкладна
До a–b підключено навантаження RL = 25 Ω. За допомогою еквівалента Тевенена знайдіть потужність PL, що передається навантаженню.
До замикання вимикача в момент t = 0 струму через котушку немає. Знайдіть струм i у момент t = 1 ms.
Vs = 6 VR = 100 ΩL = 10 mHt = 1 ms
i = A
8.Перехідні процеси RC і RLСкладна
Таймер при t = 0 починає заряджати незаряджений конденсатор через резистор від джерела 15 V. Він має спрацювати, коли напруга на конденсаторі досягне 11,25 V, рівно через 25 ms після старту. При R = 10 kΩ знайдіть потрібну ємність C.
Vs = 15 VVth = 11,25 VT = 25 msR = 10 kΩ
C = µF
9.Повний опір і комплексні амплітудиСередня
Послідовне коло RLC підключено до мережі 12 V (діюче значення), 100 Hz. Знайдіть кут зсуву фаз φ повного опору в градусах (додатний, коли струм відстає від напруги).
V = 12 V (rms)f = 100 HzR = 40 ΩL = 200 mHC = 2,2 µF
φ = °
10.Повний опір і комплексні амплітудиСкладна
Послідовне коло RLC підключено до мережі 10 V (діюче значення), 200 Hz. Знайдіть резонансну частоту f0 кола.
V = 10 V (rms)f = 200 HzR = 80 ΩL = 100 mHC = 2,2 µF
f0 = Hz
11.Потужність змінного струму й коефіцієнт потужностіСередня
До однофазної мережі 230 V паралельно під’єднано два навантаження: навантаження 6 kW з коефіцієнтом потужності 0,8 (індуктивним) і навантаження 30 kW з коефіцієнтом потужності 0,9 (індуктивним). Знайдіть загальний струм I, що споживається від мережі.
12.Потужність змінного струму й коефіцієнт потужностіСкладна
Однофазний трансформатор потужністю 25 kVA живить навантаження 11 kW з коефіцієнтом потужності 0,75 (індуктивним). Яку додаткову активну потужність ΔP можна під’єднати у вигляді активного навантаження (коефіцієнт потужності 1), перш ніж трансформатор досягне номінальної потужності в kVA?
Smax = 25 kVAP1 = 11 kWpf1 = 0,75
ΔP = kW
13.Трифазні системиСередня
Трифазний асинхронний двигун при повному навантаженні розвиває механічну потужність 30 kW. При цьому навантаженні його ККД становить 90%, а коефіцієнт потужності 0,8, відстаючий. Лінійна напруга мережі 690 V. Знайдіть лінійний струм IL.
Pout = 30 kWη = 90%cos φ = 0,8VL = 690 V
IL = A
14.Трифазні системиСкладна
Симетричне трифазне навантаження споживає 300 kW при коефіцієнті потужності 0,75 (відстаючому) від мережі 690 V (лінійна напруга), 60 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 = 300 kWpf1 = 0,75pf2 = 0,9VL = 690 Vf = 60 Hz
Cph = µF
15.ТрансформаториСередня
Підсилювач з вихідним опором 72 Ω живить гучномовець 2 Ω через ідеальний трансформатор. Для передачі максимальної потужності гучномовець з боку підсилювача має виглядати як 72 Ω. Знайдіть коефіцієнт трансформації a = N₁/N₂.
Rs = 72 ΩRL = 2 Ω
a =
16.ТрансформаториСкладна
Однофазний трансформатор 150 kVA має втрати в сталі 750 W і втрати в міді 1125 W при номінальному навантаженні. При якому навантаженні Sη,max, у kVA, його ККД найвищий?
S = 150 kVAPcore = 750 WPcu,fl = 1125 W
Sη,max = kVA
3Розчини
1.Послідовні й паралельні резистори
Відповідь: Req = 22,5 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.
R3 + R4 = 10 + 5 = 15 Ω
R2 ∥ 15 = 15·15/(15+15) = 7,5 Ω
Req = R1 + 7,5 = 15 + 7,5 = 22,5 Ω
Відповідь
Req = 22,5 Ω
2.Послідовні й паралельні резистори
Відповідь: Req = 20,85 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 = 2 + 5 = 7 Ω
R4 ∥ 7 = 2,1 Ω
R3 + 2,1 = 14,1 Ω
R2 ∥ 14,1 = 5,851 Ω
Req = R1 + 5,851 = 15 + 5,851 = 20,85 Ω
Відповідь
Req = 20,85 Ω
3.Метод вузлових потенціалів
Відповідь: I3 = 0,25 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 − 12)/8 + (VA − 6)/8 + (VA − 15)/20 = 0
Знайдіть VA
VA = (12/8 + 6/8 + 15/20) / (1/8 + 1/8 + 1/20) = 3/0,3 = 10 V
Струм гілки
Стрілка спрямована вгору вздовж вітки, у вузол A.
I3 = (15 − VA)/R3 = (15 − 10)/20 = 0,25 A
Відповідь
I3 = 0,25 A
Від’ємний результат означає, що дійсний струм тече проти стрілки.
4.Метод вузлових потенціалів
Відповідь: VB = 0,3191 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.
Утворіть надвузол
Струм через джерело напруги між A і B невідомий, тож ЗСК не можна записати для A чи B окремо. Об’єднайте A, B і джерело в один надвузол: струм, що входить у нього, дорівнює струму, що виходить.
VB = VA − 5
(VA − V1)/R1 + VA/R2 + VB/R3 = Is
Розв’яжіть
(VA − 6)/4 + VA/5 + (VA − 5)/3 = 1
VA·(1/4 + 1/5 + 1/3) = 1 + 6/4 + 5/3 = 4,167
VA = 4,167/0,7833 = 5,319 V
VB = 0,3191 V
Відповідь
VB = 0,3191 V
5.Тевенен і Нортон
Відповідь: Vth = 6 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 = 10·20/(10+20) = 6,667 Ω
Rth = (R1 ∥ R2) + R3 = 6,667 + 12 = 18,67 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) = 9·20/(10+20) = 6 V
6.Тевенен і Нортон
Відповідь: PL = 3,246 W
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 = 20·2/(20+2) = 1,818 Ω
Rth = (R1 ∥ R2) + R3 = 1,818 + 8 = 9,818 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) = 2,727 + 1·1,818 = 4,545 V
Vth = VB = VA + Is·R3 = 4,545 + 1·8 = 12,55 V
Підключіть навантаження до еквівалента Тевенена
Джерело Тевенена і послідовний R_th поводяться на a–b точно як початкове коло, тож навантаження бачить простий послідовний контур.
IL = Vth/(Rth + RL) = 12,55/(9,818 + 25) = 0,3603 A
PL = IL²·RL = 0,3603²·25 = 3,246 W
7.Перехідні процеси RC і RL
Відповідь: i = 0,06 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.
Стала часу і кінцевий струм
Через тривалий час після замикання котушка поводиться як коротке замикання, тож кінцевий струм визначає лише R.
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.
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 = 628,3·0,2 = 125,7 Ω
XC = 1/(ωC) = 1/(628,3·2,2·10⁻⁶) = 723,4 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 = 177 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 = 6·tan(arccos 0,8) = 4,5 kvar
Q2 = 30·tan(arccos 0,9) = 14,53 kvar
Сумарні значення
P = 6 + 30 = 36 kW
Q = 4,5 + 14,53 = 19,03 kvar
S = √(36² + 19,03²) = 40,72 kVA
Загальний струм
I = S/V = 40720/230 = 177 A
Відповідь
I = 177 A
12.Потужність змінного струму й коефіцієнт потужності
Відповідь: ΔP = 12,04 kW
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 наявного навантаження
Q1 = 11·tan(arccos 0,75) = 9,701 kvar
Найбільша сумарна активна потужність
За повного навантаження S = Smax, а Q від активного навантаження не змінюється.
P = √(Smax² − Q1²) = √(25² − 9,701²) = 23,04 kW
Додаткова активна потужність
ΔP = 23,04 − 11 = 12,04 kW
Відповідь
ΔP = 12,04 kW
13.Трифазні системи
Відповідь: IL = 34,86 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 = 30/0,9 = 33,33 kW
Струм лінії
IL = Pin/(√3·VL·cos φ) = 33333/(√3·690·0,8) = 34,86 A
Відповідь
IL = 34,86 A
14.Трифазні системи
Відповідь: Cph = 664,6 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 = 300·tan(acos 0,75) = 300·0,8819 = 264,6 kvar
Q2 = 300·tan(acos 0,9) = 300·0,4843 = 145,3 kvar
Реактивна потужність від конденсаторів
QC = Q1 − Q2 = 119,3 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
a²·2 = 72
a = √(72/2) = √36 = 6
Відповідь
a = 6
16.Трансформатори
Відповідь: Sη,max = 122,5 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.