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.
Знайдіть напругу Тевенена Vth з боку затискачів a–b.
V1 = 10 VR1 = 4 ΩR2 = 4 ΩR3 = 5 Ω
Vth = V
6.Тевенен і НортонСкладна
Знайдіть напругу Тевенена Vth з боку затискачів a–b.
V1 = 36 VIs = 3 AR1 = 10 ΩR2 = 10 ΩR3 = 2 Ω
Vth = V
7.Перехідні процеси RC і RLСередня
До замикання вимикача в момент t = 0 струму через котушку немає. Знайдіть струм i у момент t = 10 ms.
Vs = 10 VR = 22 ΩL = 150 mHt = 10 ms
i = A
8.Перехідні процеси RC і RLСкладна
Безпосередньо перед замиканням вимикача в момент t = 0 конденсатор має 2 V з указаною полярністю. За який час vC досягне 9,2 V? Знайдіть t.
Vs = 20 VR = 6,8 kΩC = 22 µFvC(0) = 2 V
t = ms
9.Повний опір і комплексні амплітудиСередня
Послідовне коло RLC підключено до мережі 100 V (діюче значення), 200 Hz. Знайдіть активну потужність P, що споживається від мережі.
V = 100 V (rms)f = 200 HzR = 20 ΩL = 20 mHC = 4,7 µF
P = W
10.Повний опір і комплексні амплітудиСкладна
Резистор R1 увімкнено послідовно з паралельним з’єднанням R2 і конденсатора C; коло під’єднано до мережі 230 V (діюче значення), 100 Hz. Знайдіть модуль повного опору |Z|.
V = 230 V (rms)f = 100 HzR1 = 20 ΩR2 = 100 ΩC = 22 µF
|Z| = Ω
11.Потужність змінного струму й коефіцієнт потужностіСередня
Однофазний двигун споживає 21 kW при коефіцієнті потужності 0,7 (індуктивному) від мережі 400 V. Знайдіть струм лінії I.
P = 21 kWpf = 0,7V = 400 V
I = A
12.Потужність змінного струму й коефіцієнт потужностіСкладна
Однофазне навантаження споживає 35 kW при коефіцієнті потужності 0,75 (індуктивному) від мережі 400 V, 50 Hz. Паралельно підключений конденсатор підвищує коефіцієнт потужності до 0,92. Знайдіть новий струм лінії Inew.
P = 35 kWpf1 = 0,75pf2 = 0,92V = 400 Vf = 50 Hz
Inew = A
13.Трифазні системиСередня
Симетричне навантаження, з’єднане зіркою, з повним опором 20 + j15 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 = 20 + j15 Ω на фазу
P = kW
14.Трифазні системиСкладна
Симетричне трифазне навантаження споживає 120 kW при коефіцієнті потужності 0,65 (відстаючому) від мережі 480 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 трикутником. Знайдіть ємність Cph кожного конденсатора в µF.
P = 120 kWpf1 = 0,65pf2 = 0,95VL = 480 Vf = 50 Hz
Cph = µF
15.ТрансформаториСередня
До первинної обмотки ідеального трансформатора з коефіцієнтом трансформації N₁:N₂ = 20:1 прикладено 2400 V. До вторинної обмотки підключено резистор 5 Ω. Знайдіть первинний струм I1.
N1:N2 = 20:1V1 = 2400 VRL = 5 Ω
I1 = A
16.ТрансформаториСкладна
Однофазний трансформатор 100 kVA має втрати в сталі 300 W. При номінальному навантаженні й коефіцієнті потужності 0,9 (відстаючому) його ККД становить 96,5%. Знайдіть втрати в міді при повному навантаженні Pcu,fl у ватах.
S = 100 kVAPcore = 300 Wpf = 0,9η = 96,5%
Pcu,fl = W
3Розчини
1.Послідовні й паралельні резистори
Відповідь: Req = 17,67 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 = 12 + 12 = 24 Ω
R2 ∥ 24 = 3·24/(3+24) = 2,667 Ω
Req = R1 + 2,667 = 15 + 2,667 = 17,67 Ω
Відповідь
Req = 17,67 Ω
2.Послідовні й паралельні резистори
Відповідь: IR2 = 1,358 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 = 2 + 30 = 32 Ω
R4 ∥ 32 = 1,882 Ω
R3 + 1,882 = 31,88 Ω
R2 ∥ 31,88 = 12,29 Ω
Req = R1 + 12,29 = 4 + 12,29 = 16,29 Ω
Струм джерела
Джерело бачить лише Req, тож закон Ома дає струм, який воно віддає. Цей струм тече через R₁.
IR1 = V1/Req = 36/16,29 = 2,21 A
Струм через R₂
Відніміть спад на R₁, щоб отримати напругу у вузлі A, тобто напругу на R₂.
VA = V1 − IR1·R1 = 36 − 2,21·4 = 27,16 V
IR2 = VA/R2 = 27,16/20 = 1,358 A
Відповідь
IR2 = 1,358 A
3.Метод вузлових потенціалів
Відповідь: I3 = −2,667 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 − 15)/6 + (VA − 12)/20 + (VA − (−6))/3 = 0
Знайдіть VA
VA = (15/6 + 12/20 + (−6)/3) / (1/6 + 1/20 + 1/3) = 1,1/0,55 = 2 V
Струм гілки
Стрілка спрямована вгору вздовж вітки, у вузол A.
I3 = ((−6) − VA)/R3 = ((−6) − 2)/3 = −2,667 A
Відповідь
I3 = −2,667 A
Від’ємний результат означає, що дійсний струм тече проти стрілки.
4.Метод вузлових потенціалів
Відповідь: IR1 = 2,277 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 = 36 V, V2 = −12 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 − 36)/10 + (VA − VB)/12 = 0
0,2833·VA − 0,08333·VB = 3,6
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 = 4·4/(4+4) = 2 Ω
Rth = (R1 ∥ R2) + R3 = 2 + 5 = 7 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) = 10·4/(4+4) = 5 V
6.Тевенен і Нортон
Відповідь: Vth = 39 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 = 10·10/(10+10) = 5 Ω
Rth = (R1 ∥ R2) + R3 = 5 + 2 = 7 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) = 18 + 3·5 = 33 V
Vth = VB = VA + Is·R3 = 33 + 3·2 = 39 V
7.Перехідні процеси RC і RL
Відповідь: i = 0,3497 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.
Початкове значення, кінцеве значення, стала часу
Напруга на конденсаторі не може змінитися стрибком, тож вона починає з накопиченого значення й прямує до напруги джерела.
t = τ·ln((2 − 20)/(9,2 − 20)) = 149,6·ln(1,667) = 76,42 ms
Відповідь
t = 76,42 ms
9.Повний опір і комплексні амплітуди
Відповідь: P = 9,439 W
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 = 25,13 Ω, XC = 169,3 Ω
Повний опір
|Z| = √(20² + (−144,2)²) = 145,6 Ω
Активна потужність
Котушки й конденсатори лише накопичують і повертають енергію; усю активну потужність споживає резистор.
I = 100/145,6 = 0,687 A
P = I²·R = 0,687²·20 = 9,439 W
Відповідь
P = 9,439 W
10.Повний опір і комплексні амплітуди
Відповідь: |Z| = 72,18 Ω
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|.
Реактивний опір
XC = 1/(2π·100·22·10⁻⁶) = 72,34 Ω
Паралельне з’єднання
Помножте чисельник і знаменник на комплексно спряжене, щоб розділити Zp на дійсну й уявну частини.
11.Потужність змінного струму й коефіцієнт потужності
Відповідь: I = 75 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/(400·0,7) = 75 A
Відповідь
I = 75 A
12.Потужність змінного струму й коефіцієнт потужності
Відповідь: Inew = 95,11 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 до і після
Активна потужність P не змінюється; змінюється лише реактивна потужність із мережі.
Q1 = P·tan φ1 = 35·tan(41,41°) = 30,87 kvar
Q2 = P·tan φ2 = 35·tan(23,07°) = 14,91 kvar
QC = Q1 − Q2 = 15,96 kvar
Новий струм лінії
Inew = P/(V·cos φ2) = 35000/(400·0,92) = 95,11 A
Відповідь
Inew = 95,11 A
13.Трифазні системи
Відповідь: P = 1,384 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| = √(20² + 15²) = 25 Ω
Iph = 120,1/25 = 4,804 A
Сумарна активна потужність
Активну потужність поглинає лише активна складова кожного опору.
P = 3·Iph²·R = 3·4,804²·20 = 1,384 kW
Відповідь
P = 1,384 kW
Перевірка: cos φ = R/|Z| = 0,8, і √3·VL·IL·cos φ дає ту саму потужність.
14.Трифазні системи
Відповідь: Cph = 464,4 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 = 120·tan(acos 0,65) = 120·1,169 = 140,3 kvar
Q2 = 120·tan(acos 0,95) = 120·0,3287 = 39,44 kvar
Реактивна потужність від конденсаторів
QC = Q1 − Q2 = 100,9 kvar
Ємність на фазу
У батареї, з’єднаній трикутником, кожен конденсатор увімкнено між двома лінійними проводами.
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 = 2400/20 = 120 V
I2 = 120/5 = 24 A
Первинний струм
Ідеальний трансформатор не має втрат: V₁·I₁ = V₂·I₂.
I1 = I2/20 = 1,2 A
Відповідь
I1 = 1,2 A
Перевірка: навантаження з боку первинної обмотки a²·RL = 2000 Ω, і 2400/2000 дає той самий струм.
16.Трансформатори
Відповідь: Pcu,fl = 2964 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.