Через котушку тече сталий струм 1,5 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 = 5 ms.
i(0) = 1,5 AR = 47 ΩL = 220 mHt = 5 ms
vR = V
8.Перехідні процеси RC і RLСкладна
Безпосередньо перед замиканням вимикача в момент t = 0 конденсатор має 10 V з указаною полярністю. Знайдіть напругу на конденсаторі vC у момент t = 25 ms.
Vs = 6 VR = 2,2 kΩC = 22 µFvC(0) = 10 Vt = 25 ms
vC = V
9.Повний опір і комплексні амплітудиСередня
Послідовне коло RLC підключено до мережі 100 V (діюче значення), 200 Hz. Знайдіть діюче значення струму I.
V = 100 V (rms)f = 200 HzR = 100 ΩL = 100 mHC = 22 µF
I = A
10.Повний опір і комплексні амплітудиСкладна
Послідовне RLC-коло має R = 20 Ω, L = 200 mH і C = 2,2 µF. Знайдіть його добротність Q при резонансі.
R = 20 ΩL = 200 mHC = 2,2 µF
Q =
11.Потужність змінного струму й коефіцієнт потужностіСередня
До однофазної мережі 240 V паралельно під’єднано два навантаження: навантаження 2 kW з коефіцієнтом потужності 0,6 (індуктивним) і навантаження 29 kW з коефіцієнтом потужності 0,9 (ємнісним). Знайдіть загальний струм I, що споживається від мережі.
12.Потужність змінного струму й коефіцієнт потужностіСкладна
Однофазне навантаження споживає 50 kW при коефіцієнті потужності 0,7 (індуктивному) від мережі 400 V, 60 Hz. Паралельно підключений конденсатор підвищує коефіцієнт потужності до 0,92. Знайдіть потрібну ємність C.
P = 50 kWpf1 = 0,7pf2 = 0,92V = 400 Vf = 60 Hz
C = µF
13.Трифазні системиСередня
Симетричне трифазне навантаження споживає лінійний струм 80 A від мережі з лінійною напругою 400 V. Коефіцієнт потужності 0,95, відстаючий. Знайдіть сумарну активну потужність P, яку споживає навантаження, у kW.
VL = 400 VIL = 80 Acos φ = 0,95
P = kW
14.Трифазні системиСкладна
Симетричне трифазне навантаження споживає 50 kW при коефіцієнті потужності 0,7 (відстаючому) від мережі 400 V (лінійна напруга), 60 Hz. Трифазна конденсаторна батарея, підключена паралельно до навантаження, має підвищити загальний коефіцієнт потужності до 0,98 (відстаючого). Активна потужність не змінюється. Знайдіть сумарну реактивну потужність QC, яку має постачати конденсаторна батарея, у kvar.
P = 50 kWpf1 = 0,7pf2 = 0,98VL = 400 Vf = 60 Hz
QC = kvar
15.ТрансформаториСередня
До первинної обмотки ідеального трансформатора з коефіцієнтом трансформації N₁:N₂ = 4:1 прикладено 920 V. До вторинної обмотки підключено резистор 60 Ω. Знайдіть первинний струм I1.
N1:N2 = 4:1V1 = 920 VRL = 60 Ω
I1 = A
16.ТрансформаториСкладна
Однофазний трансформатор 150 kVA має втрати в сталі 600 W і втрати в міді 2400 W при номінальному навантаженні. Він віддає 50% своєї номінальної потужності в kVA при коефіцієнті потужності 0,85 (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 = 5 + 6 = 11 Ω
R2 ∥ 11 = 8·11/(8+11) = 4,632 Ω
Req = R1 + 4,632 = 3 + 4,632 = 7,632 Ω
Відповідь
Req = 7,632 Ω
2.Послідовні й паралельні резистори
Відповідь: IR2 = 0,455 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 = 12 + 30 = 42 Ω
R4 ∥ 42 = 2,8 Ω
R3 + 2,8 = 17,8 Ω
R2 ∥ 17,8 = 2,567 Ω
Req = R1 + 2,567 = 20 + 2,567 = 22,57 Ω
Струм джерела
Джерело бачить лише Req, тож закон Ома дає струм, який воно віддає. Цей струм тече через R₁.
IR1 = V1/Req = 12/22,57 = 0,5317 A
Струм через R₂
Відніміть спад на R₁, щоб отримати напругу у вузлі A, тобто напругу на R₂.
VA = V1 − IR1·R1 = 12 − 0,5317·20 = 1,365 V
IR2 = VA/R2 = 1,365/3 = 0,455 A
Відповідь
IR2 = 0,455 A
3.Метод вузлових потенціалів
Відповідь: VA = 20,46 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 = 24 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/10 + (VA − 24)/3 + (VA − VB)/5 = 0
0,6333·VA − 0,2·VB = 8
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/6 + (VB − VA)/5 = 5
−0,2·VA + 0,3667·VB = 5
Розв’яжіть
Δ = (0,6333)(0,3667) − (−0,2)(−0,2) = 0,1922
VA = Δ1/Δ = 3,933/0,1922 = 20,46 V
VB = Δ2/Δ = 4,767/0,1922 = 24,8 V
Відповідь
VA = 20,46 V
4.Метод вузлових потенціалів
Відповідь: Is = 1,108 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
VA відоме, тож це рівняння дає VB.
(VA − V1)/R1 + VA/R2 + (VA − VB)/R3 = 0
(3 − 9)/30 + 3/4 = (VB − 3)/25
0,55 = (VB − 3)/25 → VB = 16,75 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 = (16,75 − 3)/25 + 16,75/30 = 1,108 A
Відповідь
Is = 1,108 A
5.Тевенен і Нортон
Відповідь: IL = 0,2521 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 = 3·10/(3+10) = 2,308 Ω
Rth = (R1 ∥ R2) + R3 = 2,308 + 8 = 10,31 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) = 6·10/(3+10) = 4,615 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) = 4,615/(10,31 + 8) = 0,2521 A
6.Тевенен і Нортон
Відповідь: IL = 0,5205 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 = 3·3/(3+3) = 1,5 Ω
Rth = (R1 ∥ R2) + R3 = 1,5 + 15 = 16,5 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) = 2,5 + 1·1,5 = 4 V
Vth = VB = VA + Is·R3 = 4 + 1·15 = 19 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) = 19/(16,5 + 20) = 0,5205 A
7.Перехідні процеси RC і RL
Відповідь: vR = 24,23 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 = 220 mH / 47 Ω = 4,681 ms
Спадання струму
i(t) = 1,5·e−5/4,681 = 0,5154 A
vR = R·i = 47·0,5154 = 24,23 V
Відповідь
vR = 24,23 V
8.Перехідні процеси RC і RL
Відповідь: vC = 8,386 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) = 10 V, vC(∞) = Vs = 6 V
τ = R·C = 2,2 kΩ · 22 µF = 48,4 ms
vC(t) = 6 + (10 − 6)·e−t/τ
Напруга в заданий момент
vC(25) = 6 + (4)·e−25/48,4 = 8,386 V
Відповідь
vC = 8,386 V
9.Повний опір і комплексні амплітуди
Відповідь: I = 0,7452 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 = 1257·0,1 = 125,7 Ω
XC = 1/(ωC) = 1/(1257·22·10⁻⁶) = 36,17 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| = 100/134,2 = 0,7452 A
Відповідь
I = 0,7452 A
10.Повний опір і комплексні амплітуди
Відповідь: Q = 15,08
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·√(0,2·2,2·10⁻⁶)) = 239,9 Hz
Добротність
Q порівнює реактивний опір при резонансі з активним опором: Q = ω₀L/R.
11.Потужність змінного струму й коефіцієнт потужності
Відповідь: I = 137,6 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.
Реактивна потужність кожного навантаження
Індуктивне навантаження споживає реактивну потужність (Q > 0); ємнісне — віддає її (Q < 0).
Q1 = 2·tan(arccos 0,6) = 2,667 kvar
Q2 = −29·tan(arccos 0,9) = −14,05 kvar
Сумарні значення
P = 2 + 29 = 31 kW
Q = 2,667 + (−14,05) = −11,38 kvar
S = √(31² + (−11,38)²) = 33,02 kVA
Загальний струм
I = S/V = 33022/240 = 137,6 A
Відповідь
I = 137,6 A
12.Потужність змінного струму й коефіцієнт потужності
Відповідь: C = 492,6 µF
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 = 50·tan(45,57°) = 51,01 kvar
Q2 = P·tan φ2 = 50·tan(23,07°) = 21,3 kvar
QC = Q1 − Q2 = 29,71 kvar
Ємність
Конденсатор, підключений до мережі, постачає Q = V²·ωC.
C = QC/(2πf·V²) = 29710/(2π·60·400²) = 492,6 µF
Відповідь
C = 492,6 µF
13.Трифазні системи
Відповідь: P = 52,65 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 = √3·400·80 = 55,43 kVA
Активна потужність
P = S·cos φ = 55,43·0,95 = 52,65 kW
Відповідь
P = 52,65 kW
14.Трифазні системи
Відповідь: QC = 40,86 kvar
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 = 50·tan(acos 0,7) = 50·1,02 = 51,01 kvar
Q2 = 50·tan(acos 0,98) = 50·0,2031 = 10,15 kvar
Реактивна потужність від конденсаторів
QC = Q1 − Q2 = 40,86 kvar
Відповідь
QC = 40,86 kvar
15.Трансформатори
Відповідь: I1 = 0,9583 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 = 920/4 = 230 V
I2 = 230/60 = 3,833 A
Первинний струм
Ідеальний трансформатор не має втрат: V₁·I₁ = V₂·I₂.
I1 = I2/4 = 0,9583 A
Відповідь
I1 = 0,9583 A
Перевірка: навантаження з боку первинної обмотки a²·RL = 960 Ω, і 920/960 дає той самий струм.
16.Трансформатори
Відповідь: Ploss = 1200 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 = 0,25·2400 = 600 W
Сумарні втрати
Втрати в сталі однакові за будь-якого навантаження.