Скористайтеся методом вузлових потенціалів, щоб знайти струм IR1 через R1 у напрямку стрілки.
V1 = 30 VIs = 3 AR1 = 3 ΩR2 = 5 ΩR3 = 2 ΩR4 = 2 Ω
IR1 = A
4.Метод вузлових потенціалівСкладна
Ромб — це джерело струму, кероване напругою, що подає струм 0,05·VA (в A, де VA у V) угору у вузол B. Методом вузлових потенціалів знайдіть вузлову напругу VA (відносно землі).
Джерело Vₛ заряджає конденсатор через R₁, а R₂ під’єднано паралельно C. Конденсатор розряджений, коли вимикач замикається в момент t = 0. Знайдіть напругу на конденсаторі vC у момент t = 100 ms.
Vs = 12 VR1 = 10 kΩR2 = 6,8 kΩC = 47 µFt = 100 ms
vC = V
8.Перехідні процеси RC і RLСкладна
Ключ був замкнений тривалий час, тож коло в усталеному режимі. При t = 0 ключ розмикається. Знайдіть струм i2 через R2 при t = 100 ms.
Vs = 24 VR1 = 6,8 kΩR2 = 10 kΩC = 22 µFt = 100 ms
i2 = mA
9.Повний опір і комплексні амплітудиСередня
Послідовне коло RLC підключено до мережі 100 V (діюче значення), 500 Hz. Знайдіть кут зсуву фаз φ повного опору в градусах (додатний, коли струм відстає від напруги).
V = 100 V (rms)f = 500 HzR = 30 ΩL = 50 mHC = 1 µF
φ = °
10.Повний опір і комплексні амплітудиСкладна
Послідовне RLC-коло живиться від джерела 10 V (діюче значення), частоту якого встановлено рівною резонансній частоті кола. Знайдіть діюче значення напруги VL на котушці.
V = 10 V (rms)R = 2 ΩL = 50 mHC = 4,7 µF
VL = V
11.Потужність змінного струму й коефіцієнт потужностіСередня
Однофазний двигун споживає 32 kW при коефіцієнті потужності 0,65 (індуктивному) від мережі 230 V. Знайдіть реактивну потужність Q, яку він споживає.
P = 32 kWpf = 0,65V = 230 V
Q = kvar
12.Потужність змінного струму й коефіцієнт потужностіСкладна
Однофазне навантаження споживає 40 kW при коефіцієнті потужності 0,6 (індуктивному) від мережі 240 V, 50 Hz. Паралельно підключений конденсатор підвищує коефіцієнт потужності до 0,92. Знайдіть новий струм лінії Inew.
P = 40 kWpf1 = 0,6pf2 = 0,92V = 240 Vf = 50 Hz
Inew = A
13.Трифазні системиСередня
Симетричне навантаження, з’єднане зіркою, з повним опором 15 + j20 Ω на фазу підключене до симетричної трифазної мережі з лінійною напругою 400 V. Знайдіть сумарну активну потужність P, яку поглинає навантаження, у kW.
VL = 400 VZ = 15 + j20 Ω на фазу
P = kW
14.Трифазні системиСкладна
Симетричне трифазне навантаження споживає 80 kW при коефіцієнті потужності 0,7 (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 трикутником. Знайдіть ємність Cph кожного конденсатора в µF.
P = 80 kWpf1 = 0,7pf2 = 0,92VL = 415 Vf = 50 Hz
Cph = µF
15.ТрансформаториСередня
Підсилювач з вихідним опором 20 Ω живить гучномовець 5 Ω через ідеальний трансформатор. Для передачі максимальної потужності гучномовець з боку підсилювача має виглядати як 20 Ω. Знайдіть коефіцієнт трансформації a = N₁/N₂.
Rs = 20 ΩRL = 5 Ω
a =
16.ТрансформаториСкладна
Однофазний трансформатор 250 kVA має втрати в сталі 1500 W і втрати в міді 3750 W при номінальному навантаженні. При якому навантаженні Sη,max, у kVA, його ККД найвищий?
S = 250 kVAPcore = 1500 WPcu,fl = 3750 W
Sη,max = kVA
3Розчини
1.Послідовні й паралельні резистори
Відповідь: IR1 = 0,7826 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 + 10 = 25 Ω
R2 ∥ 25 = 5·25/(5+25) = 4,167 Ω
Req = R1 + 4,167 = 15 + 4,167 = 19,17 Ω
Струм джерела
Джерело бачить лише Req, тож закон Ома дає струм, який воно віддає. Цей струм тече через R₁.
IR1 = V1/Req = 15/19,17 = 0,7826 A
Відповідь
IR1 = 0,7826 A
2.Послідовні й паралельні резистори
Відповідь: Req = 23,43 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 = 4 + 5 = 9 Ω
R4 ∥ 9 = 4,235 Ω
R3 + 4,235 = 24,24 Ω
R2 ∥ 24,24 = 3,433 Ω
Req = R1 + 3,433 = 20 + 3,433 = 23,43 Ω
Відповідь
Req = 23,43 Ω
3.Метод вузлових потенціалів
Відповідь: IR1 = 6,383 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 = 30 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/5 + (VA − 30)/3 + (VA − VB)/2 = 0
1,033·VA − 0,5·VB = 10
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/2 + (VB − VA)/2 = (−3)
−0,5·VA + VB = −3
Розв’яжіть
Δ = (1,033)(1) − (−0,5)(−0,5) = 0,7833
VA = Δ1/Δ = 8,5/0,7833 = 10,85 V
VB = Δ2/Δ = 1,9/0,7833 = 2,426 V
Відповідь
IR1 = (V1 − VA)/R1 = (30 − 10,85)/3 = 6,383 A
4.Метод вузлових потенціалів
Відповідь: VA = 1,837 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.
ЗСК для вузла A
Струми, що виходять з A через резистори, дорівнюють струму, який джерела подають у A.
(VA − V1)/R1 + VA/R2 + (VA − VB)/R3 = 0
0,3·VA − 0,03333·VB = 0,5
ЗСК для вузла B
Залежне джерело подає g·VA у вузол B. Розглядайте його як незалежне джерело, потім перенесіть доданок з VA у ліву частину.
(VB − VA)/R3 + VB/R4 = 0,05·VA
−0,08333·VA + 0,1·VB = 0
Розв’яжіть
Δ = (0,3)(0,1) − (−0,03333)(−0,08333) = 0,02722
VA = Δ1/Δ = 0,05/0,02722 = 1,837 V
VB = Δ2/Δ = 0,04167/0,02722 = 1,531 V
Відповідь
VA = 1,837 V
5.Тевенен і Нортон
Відповідь: IN = 2,034 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 = 6·8/(6+8) = 3,429 Ω
Rth = (R1 ∥ R2) + R3 = 3,429 + 5 = 8,429 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) = 30·8/(6+8) = 17,14 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 = 17,14/8,429 = 2,034 A
6.Тевенен і Нортон
Відповідь: IL = 0,9714 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 = 30·15/(30+15) = 10 Ω
Rth = (R1 ∥ R2) + R3 = 10 + 10 = 20 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) = 4 + 1,5·10 = 19 V
Vth = VB = VA + Is·R3 = 19 + 1,5·10 = 34 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) = 34/(20 + 15) = 0,9714 A
7.Перехідні процеси RC і RL
Відповідь: vC = 1,986 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.
Еквівалентна схема Тевенена з боку конденсатора
Закоротіть джерело, щоб знайти Rth; розімкніть конденсатор, щоб знайти напругу, до якої він зарядиться.
Rth = R1 ∥ R2 = 10·6,8/(10 + 6,8) = 4,048 kΩ
vC(∞) = 12·6,8/(10 + 6,8) = 4,857 V
Стала часу
τ = Rth·C = 4,048·47 = 190,2 ms
Крива заряджання
vC(t) = 4,857·(1 − e−100/190,2) = 1,986 V
Відповідь
vC = 1,986 V
8.Перехідні процеси RC і RL
Відповідь: i2 = 0,9068 mA
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.
Початкова напруга на конденсаторі
В усталеному режимі конденсатор — розрив кола, тож R₁ і R₂ утворюють подільник напруги. Напруга на конденсаторі не може змінитися стрибком у момент розмикання ключа.
vC(0) = 24·10/(6,8 + 10) = 14,29 V
Стала часу після розмикання ключа
τ = R2·C = 10·22 = 220 ms
Розряджання
vC(t) = 14,29·e−100/220 = 9,068 V
i2 = vC/R2 = 9,068/10 = 0,9068 mA
Відповідь
i2 = 0,9068 mA
9.Повний опір і комплексні амплітуди
Відповідь: φ = −79,46 °
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·500 = 3142 rad/s
XL = ωL = 3142·0,05 = 157,1 Ω
XC = 1/(ωC) = 1/(3142·1·10⁻⁶) = 318,3 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 реактивні опори компенсуються, тож повний опір дорівнює просто R.
ω₀ = 1/√(LC) = 1/√(0,05·4,7·10⁻⁶) = 2063 rad/s
I = V/R = 10/2 = 5 A
Напруга на котушці
XL = ω₀L = 2063·0,05 = 103,1 Ω
VL = I·XL = 5·103,1 = 515,7 V
Відповідь
VL = 515,7 V
Це в Q = 51,57 разів більше за напругу мережі.
11.Потужність змінного струму й коефіцієнт потужності
Відповідь: Q = 37,41 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.
Кут
φ = arccos(0,65) = 49,46°, tan φ = 1,169
Реактивна потужність
Q = P·tan φ = 32·1,169 = 37,41 kvar
Відповідь
Q = 37,41 kvar
12.Потужність змінного струму й коефіцієнт потужності
Відповідь: Inew = 181,2 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 = 40·tan(53,13°) = 53,33 kvar
Q2 = P·tan φ2 = 40·tan(23,07°) = 17,04 kvar
QC = Q1 − Q2 = 36,29 kvar
Новий струм лінії
Inew = P/(V·cos φ2) = 40000/(240·0,92) = 181,2 A
Відповідь
Inew = 181,2 A
13.Трифазні системи
Відповідь: P = 3,84 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 = 400/√3 = 230,9 V
Фазний струм
|Z| = √(15² + 20²) = 25 Ω
Iph = 230,9/25 = 9,238 A
Сумарна активна потужність
Активну потужність поглинає лише активна складова кожного опору.
P = 3·Iph²·R = 3·9,238²·15 = 3,84 kW
Відповідь
P = 3,84 kW
Перевірка: cos φ = R/|Z| = 0,6, і √3·VL·IL·cos φ дає ту саму потужність.
14.Трифазні системи
Відповідь: Cph = 292,9 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 0,7) = 80·1,02 = 81,62 kvar
Q2 = 80·tan(acos 0,92) = 80·0,426 = 34,08 kvar
Реактивна потужність від конденсаторів
QC = Q1 − Q2 = 47,54 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.
Узгодьте зведене навантаження
a²·5 = 20
a = √(20/5) = √4 = 2
Відповідь
a = 2
16.Трансформатори
Відповідь: Sη,max = 158,1 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.