Джерело напруги Vₛ між A і B має затискач + біля A, тож забезпечує VA − VB = Vₛ. Методом вузлових потенціалів із надвузлом знайдіть вузлову напругу VA (відносно землі).
До замикання вимикача в момент t = 0 струму через котушку немає. Знайдіть струм i у момент t = 10 ms.
Vs = 5 VR = 47 ΩL = 220 mHt = 10 ms
i = A
8.Перехідні процеси RC і RLСкладна
Безпосередньо перед замиканням вимикача в момент t = 0 конденсатор має 12 V з указаною полярністю. Знайдіть напругу на конденсаторі vC у момент t = 120 ms.
Vs = 5 VR = 3,3 kΩC = 68 µFvC(0) = 12 Vt = 120 ms
vC = V
9.Повний опір і комплексні амплітудиСередня
Послідовне коло RLC підключено до мережі 10 V (діюче значення), 100 Hz. Знайдіть кут зсуву фаз φ повного опору в градусах (додатний, коли струм відстає від напруги).
V = 10 V (rms)f = 100 HzR = 50 ΩL = 50 mHC = 100 µF
φ = °
10.Повний опір і комплексні амплітудиСкладна
Послідовне коло RLC підключено до мережі 10 V (діюче значення), 60 Hz. Знайдіть діюче значення струму I.
V = 10 V (rms)f = 60 HzR = 80 ΩL = 150 mHC = 2,2 µF
I = A
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 повну потужність S.
V = 230 VZ = 5 + j12 Ω
S = VA
12.Потужність змінного струму й коефіцієнт потужностіСкладна
Однофазне навантаження споживає 45 kW при коефіцієнті потужності 0,65 (індуктивному) від мережі 230 V, 60 Hz. Паралельно підключений конденсатор підвищує коефіцієнт потужності до 0,9. Знайдіть потрібну ємність C.
P = 45 kWpf1 = 0,65pf2 = 0,9V = 230 Vf = 60 Hz
C = µF
13.Трифазні системиСередня
Симетричне навантаження, з’єднане зіркою, з повним опором 24 + j18 Ω на фазу підключене до симетричної трифазної мережі з лінійною напругою 480 V. Знайдіть сумарну активну потужність P, яку поглинає навантаження, у kW.
VL = 480 VZ = 24 + j18 Ω на фазу
P = kW
14.Трифазні системиСкладна
Симетричне трифазне навантаження споживає 100 kW при коефіцієнті потужності 0,78 (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. Знайдіть сумарну реактивну потужність QC, яку має постачати конденсаторна батарея, у kvar.
P = 100 kWpf1 = 0,78pf2 = 0,92VL = 415 Vf = 50 Hz
QC = kvar
15.ТрансформаториСередня
Однофазний трансформатор 500 kVA, 4800/240 V працює з номінальним навантаженням. Вважайте його ідеальним. Знайдіть струм IHV в обмотці вищої напруги.
S = 500 kVAV1 = 4800 VV2 = 240 V
IHV = A
16.ТрансформаториСкладна
Однофазний трансформатор 75 kVA має втрати в сталі 225 W. При номінальному навантаженні й коефіцієнті потужності 0,9 (відстаючому) його ККД становить 99%. Знайдіть втрати в міді при повному навантаженні Pcu,fl у ватах.
S = 75 kVAPcore = 225 Wpf = 0,9η = 99%
Pcu,fl = W
3Розчини
1.Послідовні й паралельні резистори
Відповідь: IR2 = 0,551 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 = 8 + 10 = 18 Ω
R2 ∥ 18 = 20·18/(20+18) = 9,474 Ω
Req = R1 + 9,474 = 6 + 9,474 = 15,47 Ω
Струм джерела
Джерело бачить лише Req, тож закон Ома дає струм, який воно віддає. Цей струм тече через R₁.
IR1 = V1/Req = 18/15,47 = 1,163 A
Струм через R₂
Відніміть спад на R₁, щоб отримати напругу у вузлі A, тобто напругу на R₂.
VA = V1 − IR1·R1 = 18 − 1,163·6 = 11,02 V
IR2 = VA/R2 = 11,02/20 = 0,551 A
Відповідь
IR2 = 0,551 A
2.Послідовні й паралельні резистори
Відповідь: IR1 = 0,6511 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 = 12 + 8 = 20 Ω
R4 ∥ 20 = 2,609 Ω
R3 + 2,609 = 5,609 Ω
R2 ∥ 5,609 = 3,822 Ω
Req = R1 + 3,822 = 10 + 3,822 = 13,82 Ω
Струм джерела
Джерело бачить лише Req, тож закон Ома дає струм, який воно віддає. Цей струм тече через R₁.
IR1 = V1/Req = 9/13,82 = 0,6511 A
Відповідь
IR1 = 0,6511 A
3.Метод вузлових потенціалів
Відповідь: PIs = 156 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/8 + (VA − 30)/10 + (VA − VB)/3 = 0
0,5583·VA − 0,3333·VB = 3
ЗСК у вузлі B
Струми, що виходять із B через резистори, дорівнюють струму, який джерела подають у B.
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 = 31,2·5 = 156 W
Відповідь
PIs = 156 W
4.Метод вузлових потенціалів
Відповідь: VA = 12,24 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.
Утворіть надвузол
Струм через джерело напруги між A і B невідомий, тож ЗСК не можна записати для A чи B окремо. Об’єднайте A, B і джерело в один надвузол: струм, що входить у нього, дорівнює струму, що виходить.
VB = VA − 4
(VA − V1)/R1 + VA/R2 + VB/R3 = Is
Розв’яжіть
(VA − 6)/4 + VA/20 + (VA − 4)/25 = 2,5
VA·(1/4 + 1/20 + 1/25) = 2,5 + 6/4 + 4/25 = 4,16
VA = 4,16/0,34 = 12,24 V
VB = 8,235 V
Відповідь
VA = 12,24 V
5.Тевенен і Нортон
Відповідь: Vth = 5,4 V
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 = 10·15/(10+15) = 6 Ω
Rth = (R1 ∥ R2) + R3 = 6 + 15 = 21 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) = 9·15/(10+15) = 5,4 V
6.Тевенен і Нортон
Відповідь: IL = −0,7882 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 = 10·8/(10+8) = 4,444 Ω
Rth = (R1 ∥ R2) + R3 = 4,444 + 2 = 6,444 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) = 2,222 + (−1,5)·4,444 = −4,444 V
Vth = VB = VA + Is·R3 = −4,444 + (−1,5)·2 = −7,444 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) = −7,444/(6,444 + 3) = −0,7882 A
7.Перехідні процеси RC і RL
Відповідь: i = 0,09382 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.
Стала часу і кінцевий струм
Через тривалий час після замикання котушка поводиться як коротке замикання, тож кінцевий струм визначає лише R.
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) = 12 V, vC(∞) = Vs = 5 V
τ = R·C = 3,3 kΩ · 68 µF = 224,4 ms
vC(t) = 5 + (12 − 5)·e−t/τ
Напруга в заданий момент
vC(120) = 5 + (7)·e−120/224,4 = 9,101 V
Відповідь
vC = 9,101 V
9.Повний опір і комплексні амплітуди
Відповідь: φ = 17,22 °
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·100 = 628,3 rad/s
XL = ωL = 628,3·0,05 = 31,42 Ω
XC = 1/(ωC) = 1/(628,3·100·10⁻⁶) = 15,92 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|.
Реактивні опори
ω = 2πf = 2π·60 = 377 rad/s
XL = ωL = 377·0,15 = 56,55 Ω
XC = 1/(ωC) = 1/(377·2,2·10⁻⁶) = 1206 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| = 10/1152 = 0,008681 A
Відповідь
I = 0,008681 A
11.Потужність змінного струму й коефіцієнт потужності
Відповідь: S = 4069 VA
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
Повна потужність
S = V·I = 230·17,69 = 4069 VA
Відповідь
S = 4069 VA
12.Потужність змінного струму й коефіцієнт потужності
Відповідь: C = 1545 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 = 45·tan(49,46°) = 52,61 kvar
Q2 = P·tan φ2 = 45·tan(25,84°) = 21,79 kvar
QC = Q1 − Q2 = 30,82 kvar
Ємність
Конденсатор, підключений до мережі, постачає Q = V²·ωC.
C = QC/(2πf·V²) = 30816/(2π·60·230²) = 1545 µF
Відповідь
C = 1545 µF
13.Трифазні системи
Відповідь: P = 6,144 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 = 480/√3 = 277,1 V
Фазний струм
|Z| = √(24² + 18²) = 30 Ω
Iph = 277,1/30 = 9,238 A
Сумарна активна потужність
Активну потужність поглинає лише активна складова кожного опору.
P = 3·Iph²·R = 3·9,238²·24 = 6,144 kW
Відповідь
P = 6,144 kW
Перевірка: cos φ = R/|Z| = 0,8, і √3·VL·IL·cos φ дає ту саму потужність.
14.Трифазні системи
Відповідь: QC = 37,63 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 = 100·tan(acos 0,78) = 100·0,8023 = 80,23 kvar
Q2 = 100·tan(acos 0,92) = 100·0,426 = 42,6 kvar
Реактивна потужність від конденсаторів
QC = Q1 − Q2 = 37,63 kvar
Відповідь
QC = 37,63 kvar
15.Трансформатори
Відповідь: IHV = 104,2 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.
Номінальний струм
Обидві обмотки передають однакову повну потужність.
IHV = S/V = 500000/4800 = 104,2 A
Відповідь
IHV = 104,2 A
16.Трансформатори
Відповідь: Pcu,fl = 456,8 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.