Знайдіть струм Нортона IN: струм, що тече від a до b, якщо затискачі закоротити.
V1 = 9 VR1 = 2 ΩR2 = 3 ΩR3 = 10 Ω
IN = A
6.Тевенен і НортонСкладна
Знайдіть струм Нортона IN: струм, що тече від a до b, якщо затискачі закоротити.
V1 = 12 VIs = 6 AR1 = 30 ΩR2 = 4 ΩR3 = 30 Ω
IN = A
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 90% кінцевого значення? Знайдіть t.
Vs = 5 VR = 20 ΩL = 33 mH
t = ms
8.Перехідні процеси RC і RLСкладна
Безпосередньо перед замиканням вимикача в момент t = 0 конденсатор має 6 V з указаною полярністю. Знайдіть напругу на конденсаторі vC у момент t = 10 ms.
Vs = 15 VR = 1 kΩC = 22 µFvC(0) = 6 Vt = 10 ms
vC = V
9.Повний опір і комплексні амплітудиСередня
Послідовне коло RLC підключено до мережі 10 V (діюче значення), 50 Hz. Знайдіть діюче значення струму I.
V = 10 V (rms)f = 50 HzR = 20 ΩL = 100 mHC = 10 µF
I = A
10.Повний опір і комплексні амплітудиСкладна
Послідовне коло RLC підключено до мережі 24 V (діюче значення), 50 Hz. Знайдіть діюче значення струму I.
V = 24 V (rms)f = 50 HzR = 25 ΩL = 200 mHC = 100 µF
I = A
11.Потужність змінного струму й коефіцієнт потужностіСередня
Однофазний двигун споживає 27 kW при коефіцієнті потужності 0,85 (індуктивному) від мережі 400 V. Знайдіть струм лінії I.
P = 27 kWpf = 0,85V = 400 V
I = A
12.Потужність змінного струму й коефіцієнт потужностіСкладна
Однофазне навантаження споживає 35 kW при коефіцієнті потужності 0,7 (індуктивному) від мережі 240 V, 50 Hz. Паралельно підключений конденсатор підвищує коефіцієнт потужності до 0,98. Знайдіть реактивну потужність QC, яку має постачати конденсатор.
P = 35 kWpf1 = 0,7pf2 = 0,98V = 240 Vf = 50 Hz
QC = kvar
13.Трифазні системиСередня
Трифазний асинхронний двигун при повному навантаженні розвиває механічну потужність 7,5 kW. При цьому навантаженні його ККД становить 95%, а коефіцієнт потужності 0,86, відстаючий. Лінійна напруга мережі 415 V. Знайдіть лінійний струм IL.
Pout = 7,5 kWη = 95%cos φ = 0,86VL = 415 V
IL = A
14.Трифазні системиСкладна
Симетричне трифазне навантаження споживає 50 kW при коефіцієнті потужності 0,65 (відстаючому) від мережі 690 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. Знайдіть сумарну реактивну потужність QC, яку має постачати конденсаторна батарея, у kvar.
P = 50 kWpf1 = 0,65pf2 = 0,95VL = 690 Vf = 50 Hz
QC = kvar
15.ТрансформаториСередня
До вторинної обмотки ідеального трансформатора з коефіцієнтом трансформації N₁:N₂ = 2:1 підключено резистор 75 Ω. Знайдіть опір R1′ з боку первинної обмотки.
N1:N2 = 2:1RL = 75 Ω
R1′ = Ω
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: IR2 = 0,51 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 = 15 + 8 = 23 Ω
R2 ∥ 23 = 5·23/(5+23) = 4,107 Ω
Req = R1 + 4,107 = 12 + 4,107 = 16,11 Ω
Струм джерела
Джерело бачить лише Req, тож закон Ома дає струм, який воно віддає. Цей струм тече через R₁.
IR1 = V1/Req = 10/16,11 = 0,6208 A
Струм через R₂
Відніміть спад на R₁, щоб отримати напругу у вузлі A, тобто напругу на R₂.
VA = V1 − IR1·R1 = 10 − 0,6208·12 = 2,55 V
IR2 = VA/R2 = 2,55/5 = 0,51 A
Відповідь
IR2 = 0,51 A
2.Послідовні й паралельні резистори
Відповідь: Req = 17,39 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 = 10 + 12 = 22 Ω
R4 ∥ 22 = 10,48 Ω
R3 + 10,48 = 40,48 Ω
R2 ∥ 40,48 = 13,39 Ω
Req = R1 + 13,39 = 4 + 13,39 = 17,39 Ω
Відповідь
Req = 17,39 Ω
3.Метод вузлових потенціалів
Відповідь: PIs = 46,22 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/6 + (VA − 24)/12 + (VA − VB)/20 = 0
0,3·VA − 0,05·VB = 2
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/3 + (VB − VA)/20 = 4
−0,05·VA + 0,3833·VB = 4
Розв’яжіть
Δ = (0,3)(0,3833) − (−0,05)(−0,05) = 0,1125
VA = Δ1/Δ = 0,9667/0,1125 = 8,593 V
VB = Δ2/Δ = 1,3/0,1125 = 11,56 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 = 11,56·4 = 46,22 W
Відповідь
PIs = 46,22 W
4.Метод вузлових потенціалів
Відповідь: IR2 = 0,3511 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 = 10 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)/30 + (VA − VB)/4 = 0
0,3833·VA − 0,25·VB = 1,2
ЗСК у вузлі B
Струми, що виходять із B через резистори, дорівнюють струму, який джерела подають у B.
VB/R5 + (VB − VA)/R2 + (VB − V2)/R4 = Is
VB/2 + (VB − VA)/4 + (VB − 10)/8 = 1,5
−0,25·VA + 0,875·VB = 2,75
Розв’яжіть
Δ = (0,3833)(0,875) − (−0,25)(−0,25) = 0,2729
VA = Δ1/Δ = 1,738/0,2729 = 6,366 V
VB = Δ2/Δ = 1,354/0,2729 = 4,962 V
Відповідь
IR2 = (VA − VB)/R2 = (6,366 − 4,962)/4 = 0,3511 A
5.Тевенен і Нортон
Відповідь: IN = 0,4821 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 = 2·3/(2+3) = 1,2 Ω
Rth = (R1 ∥ R2) + R3 = 1,2 + 10 = 11,2 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) = 9·3/(2+3) = 5,4 V
Еквівалент Нортона
Джерело Нортона — те саме коло, подане як джерело струму, паралельне R_th. Його струм — це струм короткого замикання на a–b.
IN = Vth/Rth = 5,4/11,2 = 0,4821 A
6.Тевенен і Нортон
Відповідь: IN = 6,042 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 = 30·4/(30+4) = 3,529 Ω
Rth = (R1 ∥ R2) + R3 = 3,529 + 30 = 33,53 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) = 1,412 + 6·3,529 = 22,59 V
Vth = VB = VA + Is·R3 = 22,59 + 6·30 = 202,6 V
Еквівалент Нортона
Джерело Нортона — те саме коло, подане як джерело струму, паралельне R_th. Його струм — це струм короткого замикання на a–b.
IN = Vth/Rth = 202,6/33,53 = 6,042 A
7.Перехідні процеси RC і RL
Відповідь: t = 3,799 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 = 33 mH / 20 Ω = 1,65 ms
i(∞) = Vs/R = 5/20 = 0,25 A
Виразіть час
0,9 = 1 − e−t/τ → t = −τ·ln(1 − 0,9)
t = −1,65·ln(0,1) = 3,799 ms
Відповідь
t = 3,799 ms
8.Перехідні процеси RC і RL
Відповідь: vC = 9,287 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) = 6 V, vC(∞) = Vs = 15 V
τ = R·C = 1 kΩ · 22 µF = 22 ms
vC(t) = 15 + (6 − 15)·e−t/τ
Напруга в заданий момент
vC(10) = 15 + (−9)·e−10/22 = 9,287 V
Відповідь
vC = 9,287 V
9.Повний опір і комплексні амплітуди
Відповідь: I = 0,03477 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·50 = 314,2 rad/s
XL = ωL = 314,2·0,1 = 31,42 Ω
XC = 1/(ωC) = 1/(314,2·10·10⁻⁶) = 318,3 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| = 10/287,6 = 0,03477 A
Відповідь
I = 0,03477 A
10.Повний опір і комплексні амплітуди
Відповідь: I = 0,6026 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·50 = 314,2 rad/s
XL = ωL = 314,2·0,2 = 62,83 Ω
XC = 1/(ωC) = 1/(314,2·100·10⁻⁶) = 31,83 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| = 24/39,83 = 0,6026 A
Відповідь
I = 0,6026 A
11.Потужність змінного струму й коефіцієнт потужності
Відповідь: I = 79,41 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) = 27000/(400·0,85) = 79,41 A
Відповідь
I = 79,41 A
12.Потужність змінного струму й коефіцієнт потужності
Відповідь: QC = 28,6 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 = 35·tan(45,57°) = 35,71 kvar
Q2 = P·tan φ2 = 35·tan(11,48°) = 7,107 kvar
QC = Q1 − Q2 = 28,6 kvar
Відповідь
QC = 28,6 kvar
13.Трифазні системи
Відповідь: IL = 12,77 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 = 7,5/0,95 = 7,895 kW
Струм лінії
IL = Pin/(√3·VL·cos φ) = 7895/(√3·415·0,86) = 12,77 A
Відповідь
IL = 12,77 A
14.Трифазні системи
Відповідь: QC = 42,02 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 0,65) = 50·1,169 = 58,46 kvar
Q2 = 50·tan(acos 0,95) = 50·0,3287 = 16,43 kvar
Реактивна потужність від конденсаторів
QC = Q1 − Q2 = 42,02 kvar
Відповідь
QC = 42,02 kvar
15.Трансформатори
Відповідь: R1′ = 300 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 = 2²·75 = 300 Ω
Відповідь
R1′ = 300 Ω
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.