Знайдіть струм Нортона IN: струм, що тече від a до b, якщо затискачі закоротити.
V1 = 24 VIs = 3 AR1 = 15 ΩR2 = 30 ΩR3 = 12 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 = 5 ms, у mJ.
Vs = 15 VR = 33 ΩL = 100 mHt = 5 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. Знайдіть струм котушки i при t = 5 ms.
Vs = 10 VR1 = 22 ΩR2 = 5 ΩL = 68 mHt = 5 ms
i = A
9.Повний опір і комплексні амплітудиСередня
Послідовне коло RLC підключено до мережі 100 V (діюче значення), 50 Hz. Знайдіть коефіцієнт потужності cos φ кола.
V = 100 V (rms)f = 50 HzR = 15 ΩL = 20 mHC = 100 µF
cos φ =
10.Повний опір і комплексні амплітудиСкладна
Послідовне коло RLC підключено до мережі 12 V (діюче значення), 100 Hz. Знайдіть резонансну частоту f0 кола.
V = 12 V (rms)f = 100 HzR = 60 ΩL = 250 mHC = 2,2 µF
f0 = Hz
11.Потужність змінного струму й коефіцієнт потужностіСередня
Навантаження з повним опором Z = 5 + j12 Ω під’єднано до однофазної мережі 230 V (діюче значення). Знайдіть реактивну потужність Q, яку воно споживає.
V = 230 VZ = 5 + j12 Ω
Q = var
12.Потужність змінного струму й коефіцієнт потужностіСкладна
Однофазне навантаження споживає 10 kW при коефіцієнті потужності 0,65 (індуктивному) від мережі 400 V, 50 Hz. Паралельно підключений конденсатор підвищує коефіцієнт потужності до 0,92. Знайдіть потрібну ємність C.
P = 10 kWpf1 = 0,65pf2 = 0,92V = 400 Vf = 50 Hz
C = µF
13.Трифазні системиСередня
Трифазний асинхронний двигун при повному навантаженні розвиває механічну потужність 90 kW. При цьому навантаженні його ККД становить 88%, а коефіцієнт потужності 0,86, відстаючий. Лінійна напруга мережі 690 V. Знайдіть лінійний струм IL.
Pout = 90 kWη = 88%cos φ = 0,86VL = 690 V
IL = A
14.Трифазні системиСкладна
Симетричне трифазне навантаження споживає 150 kW при коефіцієнті потужності 0,75 (відстаючому) від мережі 400 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 = 150 kWpf1 = 0,75pf2 = 0,95VL = 400 Vf = 50 Hz
QC = kvar
15.ТрансформаториСередня
До первинної обмотки ідеального трансформатора з коефіцієнтом трансформації N₁:N₂ = 2:1 прикладено 480 V. До вторинної обмотки підключено резистор 4 Ω. Знайдіть первинний струм I1.
N1:N2 = 2:1V1 = 480 VRL = 4 Ω
I1 = A
16.ТрансформаториСкладна
Однофазний трансформатор 75 kVA має втрати в сталі 375 W. При номінальному навантаженні й коефіцієнті потужності 0,9 (відстаючому) його ККД становить 98,5%. Знайдіть втрати в міді при повному навантаженні Pcu,fl у ватах.
S = 75 kVAPcore = 375 Wpf = 0,9η = 98,5%
Pcu,fl = W
3Розчини
1.Послідовні й паралельні резистори
Відповідь: IR1 = 0,9393 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 = 5 + 12 = 17 Ω
R2 ∥ 17 = 15·17/(15+17) = 7,969 Ω
Req = R1 + 7,969 = 8 + 7,969 = 15,97 Ω
Струм джерела
Джерело бачить лише Req, тож закон Ома дає струм, який воно віддає. Цей струм тече через R₁.
IR1 = V1/Req = 15/15,97 = 0,9393 A
Відповідь
IR1 = 0,9393 A
2.Послідовні й паралельні резистори
Відповідь: IR1 = 2,815 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 = 4 + 25 = 29 Ω
R4 ∥ 29 = 6,27 Ω
R3 + 6,27 = 36,27 Ω
R2 ∥ 36,27 = 4,394 Ω
Req = R1 + 4,394 = 2 + 4,394 = 6,394 Ω
Струм джерела
Джерело бачить лише Req, тож закон Ома дає струм, який воно віддає. Цей струм тече через R₁.
IR1 = V1/Req = 18/6,394 = 2,815 A
Відповідь
IR1 = 2,815 A
3.Метод вузлових потенціалів
Відповідь: VB = 14,78 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 = 12 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/6 + (VA − 12)/10 + (VA − VB)/3 = 0
0,6·VA − 0,3333·VB = 1,2
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/10 + (VB − VA)/3 = 3
−0,3333·VA + 0,4333·VB = 3
Розв’яжіть
Δ = (0,6)(0,4333) − (−0,3333)(−0,3333) = 0,1489
VA = Δ1/Δ = 1,52/0,1489 = 10,21 V
VB = Δ2/Δ = 2,2/0,1489 = 14,78 V
Відповідь
VB = 14,78 V
4.Метод вузлових потенціалів
Відповідь: IR2 = −0,3481 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 = 12 V, V2 = 6 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/2 + (VA − 12)/5 + (VA − VB)/20 = 0
0,75·VA − 0,05·VB = 2,4
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 = 3·5/(3+5) = 1,875 Ω
Rth = (R1 ∥ R2) + R3 = 1,875 + 6 = 7,875 Ω
6.Тевенен і Нортон
Відповідь: IN = 3,727 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 = 15·30/(15+30) = 10 Ω
Rth = (R1 ∥ R2) + R3 = 10 + 12 = 22 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) = 16 + 3·10 = 46 V
Vth = VB = VA + Is·R3 = 46 + 3·12 = 82 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 = 82/22 = 3,727 A
7.Перехідні процеси RC і RL
Відповідь: W = 6,744 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 = 100 mH / 33 Ω = 3,03 ms
i(∞) = Vs/R = 15/33 = 0,4545 A
Струм у заданий момент
i(t) = 0,4545·(1 − e−5/3,03) = 0,3673 A
Накопичена енергія
W = ½·L·i² = ½·100·0,3673² = 6,744 mJ
Відповідь
W = 6,744 mJ
8.Перехідні процеси RC і RL
Відповідь: i = 0,3819 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.
Початкове значення, кінцеве значення, стала часу
До t = 0 замкнений ключ шунтує R₂; після цього в контурі обидва резистори, R₁ і R₂.
i(0) = 10/22 = 0,4545 A
i(∞) = 10/(22 + 5) = 0,3704 A
τ = L/R = 68/27 = 2,519 ms
i(t) = 0,3704 + (0,4545 − 0,3704)·e−t/τ
Струм у заданий момент
i(5) = 0,3704 + (0,08418)·e−5/2,519 = 0,3819 A
Відповідь
i = 0,3819 A
9.Повний опір і комплексні амплітуди
Відповідь: cos φ = 0,5063
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 = 6,283 Ω, XC = 31,83 Ω
Повний опір
|Z| = √(15² + (−25,55)²) = 29,63 Ω
Коефіцієнт потужності
cos φ = R/|Z| = 15/29,63 = 0,5063
Коло ємнісне, тож коефіцієнт потужності ємнісний (струм випереджає).
Відповідь
cos φ = 0,5063
10.Повний опір і комплексні амплітуди
Відповідь: f0 = 214,6 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: Q = 3756 var
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
|Z| = √(5² + 12²) = 13 Ω
I = V/|Z| = 230/13 = 17,69 A
Реактивна потужність
Q = I²·X = 17,69²·12 = 3756 var
Відповідь
Q = 3756 var
12.Потужність змінного струму й коефіцієнт потужності
Відповідь: C = 147,8 µF
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 = 10·tan(49,46°) = 11,69 kvar
Q2 = P·tan φ2 = 10·tan(23,07°) = 4,26 kvar
QC = Q1 − Q2 = 7,431 kvar
Ємність
Конденсатор, підключений до мережі, постачає Q = V²·ωC.
C = QC/(2πf·V²) = 7431/(2π·50·400²) = 147,8 µF
Відповідь
C = 147,8 µF
13.Трифазні системи
Відповідь: IL = 99,51 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 = 90/0,88 = 102,3 kW
Струм лінії
IL = Pin/(√3·VL·cos φ) = 102273/(√3·690·0,86) = 99,51 A
Відповідь
IL = 99,51 A
14.Трифазні системи
Відповідь: QC = 82,98 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 = 150·tan(acos 0,75) = 150·0,8819 = 132,3 kvar
Q2 = 150·tan(acos 0,95) = 150·0,3287 = 49,3 kvar
Реактивна потужність від конденсаторів
QC = Q1 − Q2 = 82,98 kvar
Відповідь
QC = 82,98 kvar
15.Трансформатори
Відповідь: I1 = 30 A
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 = 480/2 = 240 V
I2 = 240/4 = 60 A
Первинний струм
Ідеальний трансформатор не має втрат: V₁·I₁ = V₂·I₂.
I1 = I2/2 = 30 A
Відповідь
I1 = 30 A
Перевірка: навантаження з боку первинної обмотки a²·RL = 16 Ω, і 480/16 дає той самий струм.
16.Трансформатори
Відповідь: Pcu,fl = 652,9 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.