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​ = 12 ΩIR1​R3​ = 15 Ω+−V1​12 VR2​15 ΩAR4​15 ΩB

Знайдіть струм IR1, який віддає джерело і який тече через R1.

V1 = 12 VR1 = 12 ΩR2 = 15 ΩR3 = 15 ΩR4 = 15 Ω
IR1 = A
2.Послідовні й паралельні резисториСкладна
R1​ = 30 ΩR3​ = 10 ΩR5​ = 2 Ω+−V1​24 VR2​6 ΩAR4​3 ΩBR6​4 Ω

Знайдіть еквівалентний опір Req, який бачить джерело V1.

V1 = 24 VR1 = 30 ΩR2 = 6 ΩR3 = 10 ΩR4 = 3 ΩR5 = 2 ΩR6 = 4 Ω
Req = Ω
3.Метод вузлових потенціалівСередня
R1​ = 2 ΩR3​ = 3 Ω+−V1​10 VR2​4 ΩAR4​10 ΩBIs​3 A

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

V1 = 10 VIs = 3 AR1 = 2 ΩR2 = 4 ΩR3 = 3 ΩR4 = 10 Ω
PIs = W
4.Метод вузлових потенціалівСкладна
R1​ = 5 ΩIR1​+−Vs​ = 10 V+−V1​10 VR2​12 ΩAR3​6 ΩBIs​3 A

Джерело напруги Vₛ між A і B має затискач + біля A, тож забезпечує VA − VB = Vₛ. Методом вузлових потенціалів із надвузлом знайдіть струм IR1 через R1 у напрямку стрілки.

V1 = 10 VIs = 3 AVs = 10 VR1 = 5 ΩR2 = 12 ΩR3 = 6 Ω
IR1 = A
5.Тевенен і НортонСередня
R1​ = 8 ΩR3​ = 4 Ω+−V1​6 VR2​4 ΩAab

Знайдіть опір Тевенена Rth з боку затискачів a–b.

V1 = 6 VR1 = 8 ΩR2 = 4 ΩR3 = 4 Ω
Rth = Ω
6.Тевенен і НортонСкладна
R1​ = 2 ΩR3​ = 12 Ω+−V1​12 VR2​15 ΩAIs​2,5 ABRL​30 ΩIL​

До a–b підключено навантаження RL = 30 Ω. За допомогою еквівалента Тевенена знайдіть потужність PL, що передається навантаженню.

V1 = 12 VIs = 2,5 AR1 = 2 ΩR2 = 15 ΩR3 = 12 ΩRL = 30 Ω
PL = W
7.Перехідні процеси RC і RLСередня
+−Vs​6 Vt = 0R = 33 ΩL100 mHi(t)

До замикання вимикача в момент t = 0 струму через котушку немає. Знайдіть енергію W, накопичену в котушці при t = 5 ms, у mJ.

Vs = 6 VR = 33 ΩL = 100 mHt = 5 ms
W = mJ
8.Перехідні процеси RC і RLСкладна
+−Vs​12 Vt = 0R = 4,7 kΩC?+−vC​

Таймер при t = 0 починає заряджати незаряджений конденсатор через резистор від джерела 12 V. Він має спрацювати, коли напруга на конденсаторі досягне 10,8 V, рівно через 250 ms після старту. При R = 4,7 kΩ знайдіть потрібну ємність C.

Vs = 12 VVth = 10,8 VT = 250 msR = 4,7 kΩ
C = µF
9.Повний опір і комплексні амплітудиСередня
100 V60 HzR = 40 ΩL = 200 mHC = 47 µF

Послідовне коло RLC підключено до мережі 100 V (діюче значення), 60 Hz. Знайдіть кут зсуву фаз φ повного опору в градусах (додатний, коли струм відстає від напруги).

V = 100 V (rms)f = 60 HzR = 40 ΩL = 200 mHC = 47 µF
φ = °
10.Повний опір і комплексні амплітудиСкладна
10 V100 HzR = 25 ΩL = 200 mHC = 22 µFI

Послідовне коло RLC підключено до мережі 10 V (діюче значення), 100 Hz. Знайдіть діюче значення струму I.

V = 10 V (rms)f = 100 HzR = 25 ΩL = 200 mHC = 22 µF
I = A
11.Потужність змінного струму й коефіцієнт потужностіСередня
120 VR + jXP = 192 W2 A

Індуктивне навантаження споживає 2 A і 192 W від однофазної мережі 120 V (діюче значення). Подайте його як активний опір R, послідовно з’єднаний з реактивним опором X. Знайдіть X.

V = 120 VI = 2 AP = 192 W
X = Ω
12.Потужність змінного струму й коефіцієнт потужностіСкладна
230 V50 Hzнавантаження29 kW, 0,75C470 µFI

Однофазне навантаження споживає 29 kW з коефіцієнтом потужності 0,75 (індуктивним) від мережі 230 V, 50 Hz. Паралельно навантаженню під’єднують конденсатор ємністю 470 µF. Знайдіть новий коефіцієнт потужності cos φ з боку мережі.

P = 29 kWpf1 = 0,75V = 230 Vf = 50 HzC = 470 µF
cos φ =
13.Трифазні системиСередня
ABCVL​ = 208 VNZ = 24 + j7 Ωна фазу

Симетричне навантаження, з’єднане зіркою, з повним опором 24 + j7 Ω на фазу підключене до симетричної трифазної мережі з лінійною напругою 208 V. Знайдіть сумарну активну потужність P, яку поглинає навантаження, у kW.

VL = 208 VZ = 24 + j7 Ω на фазу
P = kW
14.Трифазні системиСкладна
P = 80 kWφ1​S1​Q2​QC​

Симетричне трифазне навантаження споживає 80 kW при коефіцієнті потужності 0,72 (відстаючому) від мережі 415 V (лінійна напруга), 50 Hz. Трифазна конденсаторна батарея, підключена паралельно до навантаження, має підвищити загальний коефіцієнт потужності до 0,92 (відстаючого). Активна потужність не змінюється. Конденсатори з’єднано зіркою. Знайдіть ємність Cph кожного конденсатора в µF.

P = 80 kWpf1 = 0,72pf2 = 0,92VL = 415 Vf = 50 Hz
Cph = µF
15.ТрансформаториСередня
4 Ω51

До вторинної обмотки ідеального трансформатора з коефіцієнтом трансформації N₁:N₂ = 5:1 підключено резистор 4 Ω. Знайдіть опір R1′ з боку первинної обмотки.

N1:N2 = 5:1RL = 4 Ω
R1′ = Ω
16.ТрансформаториСкладна
pf 0,975 kVA, η = 99%

Однофазний трансформатор 75 kVA має втрати в сталі 300 W. При номінальному навантаженні й коефіцієнті потужності 0,9 (відстаючому) його ККД становить 99%. Знайдіть втрати в міді при повному навантаженні Pcu,fl у ватах.

S = 75 kVAPcore = 300 Wpf = 0,9η = 99%
Pcu,fl = W

3Розчини

1.Послідовні й паралельні резистори

Відповідь: IR1 = 0,5455 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.

R1​ = 12 ΩR3​ = 15 Ω+−V1​12 VR2​15 ΩAR4​15 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 + 15 = 30 Ω
R2 ∥ 30 = 15·30/(15+30) = 10 Ω
Req = R1 + 10 = 12 + 10 = 22 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 = 0,5455 A

Відповідь

IR1 = 0,5455 A
2.Послідовні й паралельні резистори

Відповідь: Req = 34 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​ = 30 ΩR3​ = 10 ΩR5​ = 2 Ω+−V1​24 VR2​6 ΩAR4​3 ΩBR6​4 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 = 2 + 4 = 6 Ω
R4 ∥ 6 = 2 Ω
R3 + 2 = 12 Ω
R2 ∥ 12 = 4 Ω
Req = R1 + 4 = 30 + 4 = 34 Ω

Відповідь

Req = 34 Ω
3.Метод вузлових потенціалів

Відповідь: PIs = 41,16 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/4 + (VA − 10)/2 + (VA − VB)/3 = 0
1,083·VA − 0,3333·VB = 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/10 + (VB − VA)/3 = 3
−0,3333·VA + 0,4333·VB = 3

Розв’яжіть

Δ = (1,083)(0,4333) − (−0,3333)(−0,3333) = 0,3583
VA = Δ1/Δ = 3,167/0,3583 = 8,837 V
VB = Δ2/Δ = 4,917/0,3583 = 13,72 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 = 13,72·3 = 41,16 W

Відповідь

PIs = 41,16 W
4.Метод вузлових потенціалів

Відповідь: IR1 = −0,963 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.

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 − 10
(VA − V1)/R1 + VA/R2 + VB/R3 = Is

Розв’яжіть

(VA − 10)/5 + VA/12 + (VA − 10)/6 = 3
VA·(1/5 + 1/12 + 1/6) = 3 + 10/5 + 10/6 = 6,667
VA = 6,667/0,45 = 14,81 V
VB = 4,815 V

Струм через R₁

IR1 = (V1 − VA)/R1 = (10 − 14,81)/5 = −0,963 A

Відповідь

IR1 = −0,963 A

Від’ємний результат означає, що дійсний струм тече проти стрілки.

5.Тевенен і Нортон

Відповідь: Rth = 6,667 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​ = 8 ΩR3​ = 4 ΩКЗR2​4 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 = 8·4/(8+4) = 2,667 Ω
Rth = (R1 ∥ R2) + R3 = 2,667 + 4 = 6,667 Ω
6.Тевенен і Нортон

Відповідь: PL = 8,89 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.

R1​ = 2 ΩR3​ = 12 ΩКЗR2​15 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 = 2·15/(2+15) = 1,765 Ω
Rth = (R1 ∥ R2) + R3 = 1,765 + 12 = 13,76 Ω
R1​ = 2 ΩR3​ = 12 Ω+−V1​12 VR2​15 ΩAIs​2,5 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) = 10,59 + (−2,5)·1,765 = 6,176 V
Vth = VB = VA + Is·R3 = 6,176 + (−2,5)·12 = −23,82 V
Rth​ = 13,76 Ω−+Vth​23,82 VRL​30 ΩIL​

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) = −23,82/(13,76 + 30) = −0,5444 A
PL = IL²·RL = −0,5444²·30 = 8,89 W
7.Перехідні процеси RC і RL

Відповідь: W = 1,079 mJ

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 = 100 mH / 33 Ω = 3,03 ms
i(∞) = Vs/R = 6/33 = 0,1818 A

Струм у заданий момент

i(t) = 0,1818·(1 − e−5/3,03) = 0,1469 A

Накопичена енергія

W = ½·L·i² = ½·100·0,1469² = 1,079 mJ

Відповідь

W = 1,079 mJ
8.Перехідні процеси RC і RL

Відповідь: C = 23,1 µF

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.

Потрібна стала часу

10,8 = 12·(1 − e−250/τ) → τ = 250/ln(12/(12 − 10,8))
τ = 250/2,303 = 108,6 ms

Ємність

kΩ помножити на µF дає мілісекунди.

C = τ/R = 108,6/4,7 = 23,1 µF

Відповідь

C = 23,1 µF
9.Повний опір і комплексні амплітуди

Відповідь: φ = 25,36 °

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·60 = 377 rad/s
XL = ωL = 377·0,2 = 75,4 Ω
XC = 1/(ωC) = 1/(377·47·10⁻⁶) = 56,44 Ω

Повний опір

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

|Z| = √(R² + (XL − XC)²) = √(40² + (18,96)²) = 44,27 Ω

Кут зсуву фаз

φ = arctan((XL − XC)/R) = arctan(18,96/40) = 25,36°

Відповідь

φ = 25,36°
10.Повний опір і комплексні амплітуди

Відповідь: I = 0,1698 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·100 = 628,3 rad/s
XL = ωL = 628,3·0,2 = 125,7 Ω
XC = 1/(ωC) = 1/(628,3·22·10⁻⁶) = 72,34 Ω

Повний опір

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

|Z| = √(R² + (XL − XC)²) = √(25² + (53,32)²) = 58,89 Ω

Струм

Через кожен елемент послідовного кола тече той самий струм.

I = V/|Z| = 10/58,89 = 0,1698 A

Відповідь

I = 0,1698 A
11.Потужність змінного струму й коефіцієнт потужності

Відповідь: X = 36 Ω

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.

Активний опір з активної потужності

R = P/I² = 192/2² = 48 Ω

Реактивний опір з повного опору

|Z| = V/I = 120/2 = 60 Ω
X = √(|Z|² − R²) = √(60² − 48²) = 36 Ω

Відповідь

X = 36 Ω
12.Потужність змінного струму й коефіцієнт потужності

Відповідь: cos φ = 0,8527

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 = 29·tan(arccos 0,75) = 25,58 kvar
QC = V²·2πf·C = 230²·2π·50·470·10⁻⁶ = 7811 var = 7,811 kvar
Q2 = 25,58 − 7,811 = 17,76 kvar

Нова повна потужність

S2 = √(29² + 17,76²) = 34,01 kVA

Новий коефіцієнт потужності

cos φ = P/S2 = 29/34,01 = 0,8527

Відповідь

cos φ = 0,8527
13.Трифазні системи

Відповідь: P = 1,661 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 = 208/√3 = 120,1 V

Фазний струм

|Z| = √(24² + 7²) = 25 Ω
Iph = 120,1/25 = 4,804 A

Сумарна активна потужність

Активну потужність поглинає лише активна складова кожного опору.

P = 3·Iph²·R = 3·4,804²·24 = 1,661 kW

Відповідь

P = 1,661 kW

Перевірка: cos φ = R/|Z| = 0,96, і √3·VL·IL·cos φ дає ту саму потужність.

14.Трифазні системи

Відповідь: Cph = 795,3 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 = 80·tan(acos 0,72) = 80·0,9639 = 77,11 kvar
Q2 = 80·tan(acos 0,92) = 80·0,426 = 34,08 kvar

Реактивна потужність від конденсаторів

QC = Q1 − Q2 = 43,03 kvar

Ємність на фазу

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

V = 415/√3 = 239,6 V, ω = 2π·50 = 314,2 rad/s
Cph = (QC/3)/(ω·V²) = 14343/(314,2·239,6²) = 795,3 µF

Відповідь

Cph = 795,3 µF
15.Трансформатори

Відповідь: R1′ = 100 Ω

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.

Зведений опір

Напруга зростає в a разів, а струм зменшується в a разів, тож відношення V/I зростає в a² разів.

R1′ = a²·RL = 5²·4 = 100 Ω

Відповідь

R1′ = 100 Ω
16.Трансформатори

Відповідь: Pcu,fl = 381,8 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.

Вихідна й вхідна потужність

Pout = 75·0,9 = 67,5 kW
Pin = 67500/0,99 = 68182 W

Сумарні втрати й втрати в міді

Ploss = 68182 − 67500 = 681,8 W
Pcu,fl = 681,8 − 300 = 381,8 W

Відповідь

Pcu,fl = 381,8 W

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