Знайдіть струм Нортона IN: струм, що тече від a до b, якщо затискачі закоротити.
V1 = 10 VIs = 5 AR1 = 8 ΩR2 = 4 ΩR3 = 4 Ω
IN = A
7.Перехідні процеси RC і RLСередня
Через котушку тече сталий струм 1 A. При t = 0 ключ замикає контур через R і джерело від’єднується, тож струм котушки спадає через R. Скільки часу потрібно, щоб струм зменшився до 0,25 A? Знайдіть t.
i(0) = 1 AR = 10 ΩL = 100 mH
t = ms
8.Перехідні процеси RC і RLСкладна
Безпосередньо перед замиканням вимикача в момент t = 0 конденсатор має 2 V з указаною полярністю. Знайдіть напругу на конденсаторі vC у момент t = 40 ms.
Vs = 20 VR = 1 kΩC = 22 µFvC(0) = 2 Vt = 40 ms
vC = V
9.Повний опір і комплексні амплітудиСередня
Резистор і конденсатор з’єднано паралельно й під’єднано до мережі 50 V (діюче значення), 500 Hz. Знайдіть модуль повного опору |Z|.
V = 50 V (rms)f = 500 HzR = 30 ΩC = 22 µF
|Z| = Ω
10.Повний опір і комплексні амплітудиСкладна
Послідовне коло RLC підключено до мережі 230 V (діюче значення), 1000 Hz. Знайдіть резонансну частоту f0 кола.
V = 230 V (rms)f = 1000 HzR = 100 ΩL = 50 mHC = 47 µF
f0 = Hz
11.Потужність змінного струму й коефіцієнт потужностіСередня
Індуктивне навантаження споживає 5,5 A і 759 W від однофазної мережі 230 V (діюче значення). Подайте його як активний опір R, послідовно з’єднаний з реактивним опором X. Знайдіть R.
V = 230 VI = 5,5 AP = 759 W
R = Ω
12.Потужність змінного струму й коефіцієнт потужностіСкладна
Джерело 50 V (діюче значення), 1000 Hz має внутрішній опір Zs = 8 + j40 Ω. Опір навантаження ZL можна вибирати довільно. Знайдіть максимальну активну потужність Pmax, яку можна передати навантаженню.
Vs = 50 V (rms)f = 1000 HzZs = 8 + j40 Ω
Pmax = W
13.Трифазні системиСередня
Симетричне навантаження, з’єднане трикутником, з повним опором 8 + j6 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 = 8 + j6 Ω на фазу
P = kW
14.Трифазні системиСкладна
Симетричне трифазне навантаження споживає 80 kW при коефіцієнті потужності 0,78 (відстаючому) від мережі 480 V (лінійна напруга), 50 Hz. Трифазна конденсаторна батарея, підключена паралельно до навантаження, має підвищити загальний коефіцієнт потужності до 0,9 (відстаючого). Активна потужність не змінюється. Конденсатори з’єднано зіркою. Знайдіть ємність Cph кожного конденсатора в µF.
P = 80 kWpf1 = 0,78pf2 = 0,9VL = 480 Vf = 50 Hz
Cph = µF
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 200 kVA має втрати в сталі 1200 W і втрати в міді 3000 W при номінальному навантаженні. Він віддає 25% 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 = 20 + 20 = 40 Ω
R2 ∥ 40 = 5·40/(5+40) = 4,444 Ω
Req = R1 + 4,444 = 2 + 4,444 = 6,444 Ω
Відповідь
Req = 6,444 Ω
2.Послідовні й паралельні резистори
Відповідь: IR1 = 1,362 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 = 20 + 15 = 35 Ω
R4 ∥ 35 = 10,5 Ω
R3 + 10,5 = 16,5 Ω
R2 ∥ 16,5 = 3,22 Ω
Req = R1 + 3,22 = 10 + 3,22 = 13,22 Ω
Струм джерела
Джерело бачить лише Req, тож закон Ома дає струм, який воно віддає. Цей струм тече через R₁.
IR1 = V1/Req = 18/13,22 = 1,362 A
Відповідь
IR1 = 1,362 A
3.Метод вузлових потенціалів
Відповідь: VA = 4,6 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 = 15 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/2 + (VA − 15)/4 + (VA − VB)/20 = 0
0,8·VA − 0,05·VB = 3,75
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)/20 = (−1)
−0,05·VA + 0,55·VB = −1
Розв’яжіть
Δ = (0,8)(0,55) − (−0,05)(−0,05) = 0,4375
VA = Δ1/Δ = 2,013/0,4375 = 4,6 V
VB = Δ2/Δ = −0,6125/0,4375 = −1,4 V
Відповідь
VA = 4,6 V
4.Метод вузлових потенціалів
Відповідь: IR2 = −0,3703 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 = 5 V, V2 = 9 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 − 5)/30 + (VA − VB)/20 = 0
0,1833·VA − 0,05·VB = 0,1667
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 = 4·8/(4+8) = 2,667 Ω
Rth = (R1 ∥ R2) + R3 = 2,667 + 12 = 14,67 Ω
6.Тевенен і Нортон
Відповідь: IN = −4,5 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 = 8·4/(8+4) = 2,667 Ω
Rth = (R1 ∥ R2) + R3 = 2,667 + 4 = 6,667 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) = 3,333 + (−5)·2,667 = −10 V
Vth = VB = VA + Is·R3 = −10 + (−5)·4 = −30 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 = −30/6,667 = −4,5 A
7.Перехідні процеси RC і RL
Відповідь: t = 13,86 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
τ = L/R = 100 mH / 10 Ω = 10 ms
Виразіть час
0,25 = 1·e−t/τ → t = τ·ln(1/0,25)
t = 10·ln(4) = 13,86 ms
Відповідь
t = 13,86 ms
8.Перехідні процеси RC і RL
Відповідь: vC = 17,08 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) = 2 V, vC(∞) = Vs = 20 V
τ = R·C = 1 kΩ · 22 µF = 22 ms
vC(t) = 20 + (2 − 20)·e−t/τ
Напруга в заданий момент
vC(40) = 20 + (−18)·e−40/22 = 17,08 V
Відповідь
vC = 17,08 V
9.Повний опір і комплексні амплітуди
Відповідь: |Z| = 13,03 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/(ωC) = 1/(2π·500·22·10⁻⁶) = 14,47 Ω
Струми віток
Обидві вітки під’єднано безпосередньо до мережі, тож на кожній повна напруга V.
IR = V/R = 50/30 = 1,667 A
IX = V/XC = 50/14,47 = 3,456 A
Загальний струм
Струм резистора збігається за фазою з V, а реактивний струм зсунутий на 90°, тож вони додаються як катети прямокутного трикутника.
I = √(IR² + IX²) = √(1,667² + 3,456²) = 3,837 A
Повний опір
|Z| = V/I = 50/3,837 = 13,03 Ω
Відповідь
|Z| = 13,03 Ω
10.Повний опір і комплексні амплітуди
Відповідь: f0 = 103,8 Hz
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 індуктивний і ємнісний опори взаємно компенсуються: ωL = 1/(ωC). Частота мережі не має значення.
11.Потужність змінного струму й коефіцієнт потужності
Відповідь: R = 25,09 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 = 759/5,5² = 25,09 Ω
Відповідь
R = 25,09 Ω
12.Потужність змінного струму й коефіцієнт потужності
Відповідь: Pmax = 78,13 W
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.
Спряжене узгодження
Реактивний опір навантаження компенсує реактивний опір джерела, а активний опір навантаження дорівнює активному опору джерела.
ZL = Zs* = 8 − j40 Ω
Максимальна потужність
I = Vs/(2Rs) = 50/16 = 3,125 A
Pmax = I²·RL = Vs²/(4Rs) = 50²/(4·8) = 78,13 W
Відповідь
Pmax = 78,13 W
13.Трифазні системи
Відповідь: P = 10,38 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 = VL = 208 V
Фазний струм
|Z| = √(8² + 6²) = 10 Ω
Iph = 208/10 = 20,8 A
Сумарна активна потужність
Активну потужність поглинає лише активна складова кожного опору.
P = 3·Iph²·R = 3·20,8²·8 = 10,38 kW
Відповідь
P = 10,38 kW
Перевірка: cos φ = R/|Z| = 0,8, і √3·VL·IL·cos φ дає ту саму потужність.
14.Трифазні системи
Відповідь: Cph = 351,4 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 = 80·tan(acos 0,78) = 80·0,8023 = 64,18 kvar
Q2 = 80·tan(acos 0,9) = 80·0,4843 = 38,75 kvar
Реактивна потужність від конденсаторів
QC = Q1 − Q2 = 25,44 kvar
Ємність на фазу
У батареї, з’єднаній зіркою, кожен конденсатор увімкнено між лінійним проводом і нейтральною точкою.
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: Ploss = 1388 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 = 0,0625·3000 = 187,5 W
Сумарні втрати
Втрати в сталі однакові за будь-якого навантаження.