Знайдіть струм Нортона IN: струм, що тече від a до b, якщо затискачі закоротити.
V1 = 24 VR1 = 15 ΩR2 = 6 ΩR3 = 15 Ω
IN = A
6.Тевенен і НортонСкладна
Знайдіть струм Нортона IN: струм, що тече від a до b, якщо затискачі закоротити.
V1 = 6 VIs = 3 AR1 = 15 ΩR2 = 2 ΩR3 = 10 Ω
IN = A
7.Перехідні процеси RC і RLСередня
До замикання вимикача в момент t = 0 струму через котушку немає. Знайдіть енергію W, накопичену в котушці при t = 10 ms, у mJ.
Vs = 10 VR = 33 ΩL = 220 mHt = 10 ms
W = mJ
8.Перехідні процеси RC і RLСкладна
Ключ паралельно R2 був замкнений тривалий час, тож струм котушки сталий. При t = 0 ключ розмикається. Через який час після t = 0 струм котушки досягне 1,44 A? Знайдіть t.
Vs = 12 VR1 = 5 ΩR2 = 20 ΩL = 150 mH
t = ms
9.Повний опір і комплексні амплітудиСередня
Резистор і конденсатор з’єднано паралельно й під’єднано до мережі 12 V (діюче значення), 500 Hz. Знайдіть модуль повного опору |Z|.
V = 12 V (rms)f = 500 HzR = 40 ΩC = 22 µF
|Z| = Ω
10.Повний опір і комплексні амплітудиСкладна
Послідовне коло RLC підключено до мережі 230 V (діюче значення), 200 Hz. Знайдіть діюче значення напруги VC на конденсаторі.
V = 230 V (rms)f = 200 HzR = 60 ΩL = 150 mHC = 22 µF
VC = V
11.Потужність змінного струму й коефіцієнт потужностіСередня
Однофазний двигун споживає 40 kW при коефіцієнті потужності 0,8 (індуктивному) від мережі 230 V. Знайдіть реактивну потужність Q, яку він споживає.
P = 40 kWpf = 0,8V = 230 V
Q = kvar
12.Потужність змінного струму й коефіцієнт потужностіСкладна
Однофазний трансформатор потужністю 100 kVA живить навантаження 53 kW з коефіцієнтом потужності 0,65 (індуктивним). Яку додаткову активну потужність ΔP можна під’єднати у вигляді активного навантаження (коефіцієнт потужності 1), перш ніж трансформатор досягне номінальної потужності в kVA?
Smax = 100 kVAP1 = 53 kWpf1 = 0,65
ΔP = kW
13.Трифазні системиСередня
Симетричне трифазне навантаження споживає лінійний струм 25 A від мережі з лінійною напругою 480 V. Коефіцієнт потужності 0,75, відстаючий. Знайдіть сумарну активну потужність P, яку споживає навантаження, у kW.
VL = 480 VIL = 25 Acos φ = 0,75
P = kW
14.Трифазні системиСкладна
Симетричне трифазне навантаження споживає 300 kW при коефіцієнті потужності 0,65 (відстаючому) від мережі 415 V (лінійна напруга), 60 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 = 300 kWpf1 = 0,65pf2 = 0,95VL = 415 Vf = 60 Hz
QC = kvar
15.ТрансформаториСередня
До вторинної обмотки ідеального трансформатора з коефіцієнтом трансформації N₁:N₂ = 8:1 підключено резистор 2 Ω. Знайдіть опір R1′ з боку первинної обмотки.
N1:N2 = 8:1RL = 2 Ω
R1′ = Ω
16.ТрансформаториСкладна
Однофазний трансформатор 200 kVA має втрати в сталі 1000 W і втрати в міді 2000 W при номінальному навантаженні. При якому навантаженні Sη,max, у kVA, його ККД найвищий?
S = 200 kVAPcore = 1000 WPcu,fl = 2000 W
Sη,max = kVA
3Розчини
1.Послідовні й паралельні резистори
Відповідь: Req = 19,19 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 = 15 + 2 = 17 Ω
R2 ∥ 17 = 20·17/(20+17) = 9,189 Ω
Req = R1 + 9,189 = 10 + 9,189 = 19,19 Ω
Відповідь
Req = 19,19 Ω
2.Послідовні й паралельні резистори
Відповідь: IR1 = 0,211 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 + 2 = 22 Ω
R4 ∥ 22 = 4,074 Ω
R3 + 4,074 = 24,07 Ω
R2 ∥ 24,07 = 3,43 Ω
Req = R1 + 3,43 = 25 + 3,43 = 28,43 Ω
Струм джерела
Джерело бачить лише Req, тож закон Ома дає струм, який воно віддає. Цей струм тече через R₁.
IR1 = V1/Req = 6/28,43 = 0,211 A
Відповідь
IR1 = 0,211 A
3.Метод вузлових потенціалів
Відповідь: IR3 = 1,478 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 = 10 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/20 + (VA − 10)/6 + (VA − VB)/4 = 0
0,4667·VA − 0,25·VB = 1,667
ЗСК у вузлі B
Струми, що виходять із B через резистори, дорівнюють струму, який джерела подають у B.
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
VA відоме, тож це рівняння дає VB.
(VA − V1)/R1 + VA/R2 + (VA − VB)/R3 = 0
(4,5 − 5)/6 + 4,5/20 = (VB − 4,5)/15
0,1417 = (VB − 4,5)/15 → VB = 6,625 V
ЗСК для вузла B
Струми, що виходять з B через резистори, дорівнюють струму, який джерела подають у B.
Is = (VB − VA)/R3 + VB/R4 = (6,625 − 4,5)/15 + 6,625/30 = 0,3625 A
Відповідь
Is = 0,3625 A
5.Тевенен і Нортон
Відповідь: IN = 0,3556 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 = 15·6/(15+6) = 4,286 Ω
Rth = (R1 ∥ R2) + R3 = 4,286 + 15 = 19,29 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) = 24·6/(15+6) = 6,857 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 = 6,857/19,29 = 0,3556 A
6.Тевенен і Нортон
Відповідь: IN = 3,06 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 = 15·2/(15+2) = 1,765 Ω
Rth = (R1 ∥ R2) + R3 = 1,765 + 10 = 11,76 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) = 0,7059 + 3·1,765 = 6 V
Vth = VB = VA + Is·R3 = 6 + 3·10 = 36 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 = 36/11,76 = 3,06 A
7.Перехідні процеси RC і RL
Відповідь: W = 6,096 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 = 220 mH / 33 Ω = 6,667 ms
i(∞) = Vs/R = 10/33 = 0,303 A
Струм у заданий момент
i(t) = 0,303·(1 − e−10/6,667) = 0,2354 A
Накопичена енергія
W = ½·L·i² = ½·220·0,2354² = 6,096 mJ
Відповідь
W = 6,096 mJ
8.Перехідні процеси RC і RL
Відповідь: t = 4,159 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.
Початкове значення, кінцеве значення, стала часу
До t = 0 замкнений ключ шунтує R₂; після цього в контурі обидва резистори, R₁ і R₂.
i(0) = 12/5 = 2,4 A
i(∞) = 12/(5 + 20) = 0,48 A
τ = L/R = 150/25 = 6 ms
i(t) = 0,48 + (2,4 − 0,48)·e−t/τ
Виразіть час
e−t/τ = (1,44 − 0,48)/(2,4 − 0,48) = 0,5
t = 6·ln(2) = 4,159 ms
Відповідь
t = 4,159 ms
9.Повний опір і комплексні амплітуди
Відповідь: |Z| = 13,61 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 = 12/40 = 0,3 A
IX = V/XC = 12/14,47 = 0,8294 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) = √(0,3² + 0,8294²) = 0,882 A
Повний опір
|Z| = V/I = 12/0,882 = 13,61 Ω
Відповідь
|Z| = 13,61 Ω
10.Повний опір і комплексні амплітуди
Відповідь: VC = 50,82 V
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·200 = 1257 rad/s
XL = ωL = 1257·0,15 = 188,5 Ω
XC = 1/(ωC) = 1/(1257·22·10⁻⁶) = 36,17 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| = 230/163,7 = 1,405 A
Напруга на конденсаторі
VC = I·XC = 1,405·36,17 = 50,82 V
Відповідь
VC = 50,82 V
11.Потужність змінного струму й коефіцієнт потужності
Відповідь: Q = 30 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(0,8) = 36,87°, tan φ = 0,75
Реактивна потужність
Q = P·tan φ = 40·0,75 = 30 kvar
Відповідь
Q = 30 kvar
12.Потужність змінного струму й коефіцієнт потужності
Відповідь: ΔP = 25,49 kW
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 наявного навантаження
Q1 = 53·tan(arccos 0,65) = 61,96 kvar
Найбільша сумарна активна потужність
За повного навантаження S = Smax, а Q від активного навантаження не змінюється.
P = √(Smax² − Q1²) = √(100² − 61,96²) = 78,49 kW
Додаткова активна потужність
ΔP = 78,49 − 53 = 25,49 kW
Відповідь
ΔP = 25,49 kW
13.Трифазні системи
Відповідь: P = 15,59 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.
Повна потужність
S = √3·VL·IL = √3·480·25 = 20,78 kVA
Активна потужність
P = S·cos φ = 20,78·0,75 = 15,59 kW
Відповідь
P = 15,59 kW
14.Трифазні системи
Відповідь: QC = 252,1 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 = 300·tan(acos 0,65) = 300·1,169 = 350,7 kvar
Q2 = 300·tan(acos 0,95) = 300·0,3287 = 98,61 kvar
Реактивна потужність від конденсаторів
QC = Q1 − Q2 = 252,1 kvar
Відповідь
QC = 252,1 kvar
15.Трансформатори
Відповідь: R1′ = 128 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 = 8²·2 = 128 Ω
Відповідь
R1′ = 128 Ω
16.Трансформатори
Відповідь: Sη,max = 141,4 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.