Знайдіть напругу Тевенена Vth з боку затискачів a–b.
V1 = 6 VIs = 4 AR1 = 8 ΩR2 = 10 ΩR3 = 4 Ω
Vth = V
7.Перехідні процеси RC і RLСередня
До замикання вимикача в момент t = 0 струму через котушку немає. Знайдіть енергію W(∞), накопичену в котушці після встановлення режиму, у mJ.
Vs = 15 VR = 5 ΩL = 22 mH
W(∞) = mJ
8.Перехідні процеси RC і RLСкладна
Безпосередньо перед замиканням вимикача в момент t = 0 конденсатор має 15 V з указаною полярністю. Знайдіть напругу на конденсаторі vC у момент t = 500 ms.
Vs = 10 VR = 6,8 kΩC = 220 µFvC(0) = 15 Vt = 500 ms
vC = V
9.Повний опір і комплексні амплітудиСередня
Послідовне коло RLC підключено до мережі 100 V (діюче значення), 200 Hz. Знайдіть діюче значення струму I.
V = 100 V (rms)f = 200 HzR = 40 ΩL = 150 mHC = 100 µF
I = A
10.Повний опір і комплексні амплітудиСкладна
Послідовне коло RLC підключено до мережі 12 V (діюче значення), 200 Hz. Знайдіть діюче значення напруги VC на конденсаторі.
V = 12 V (rms)f = 200 HzR = 60 ΩL = 20 mHC = 22 µF
VC = V
11.Потужність змінного струму й коефіцієнт потужностіСередня
Індуктивне навантаження споживає 5 A і 480 W від однофазної мережі 120 V (діюче значення). Подайте його як активний опір R, послідовно з’єднаний з реактивним опором X. Знайдіть R.
V = 120 VI = 5 AP = 480 W
R = Ω
12.Потужність змінного струму й коефіцієнт потужностіСкладна
Однофазне навантаження споживає 25 kW при коефіцієнті потужності 0,65 (індуктивному) від мережі 230 V, 50 Hz. Паралельно підключений конденсатор підвищує коефіцієнт потужності до 0,98. Знайдіть новий струм лінії Inew.
P = 25 kWpf1 = 0,65pf2 = 0,98V = 230 Vf = 50 Hz
Inew = A
13.Трифазні системиСередня
Трифазний асинхронний двигун при повному навантаженні розвиває механічну потужність 37 kW. При цьому навантаженні його ККД становить 93%, а коефіцієнт потужності 0,9, відстаючий. Лінійна напруга мережі 480 V. Знайдіть лінійний струм IL.
Pout = 37 kWη = 93%cos φ = 0,9VL = 480 V
IL = A
14.Трифазні системиСкладна
Симетричне трифазне навантаження споживає 250 kW при коефіцієнті потужності 0,72 (відстаючому) від мережі 690 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 = 250 kWpf1 = 0,72pf2 = 0,9VL = 690 Vf = 50 Hz
Cph = µF
15.ТрансформаториСередня
До вторинної обмотки ідеального трансформатора з коефіцієнтом трансформації N₁:N₂ = 3:1 підключено резистор 10 Ω. Знайдіть опір R1′ з боку первинної обмотки.
N1:N2 = 3:1RL = 10 Ω
R1′ = Ω
16.ТрансформаториСкладна
Однофазний трансформатор 75 kVA має втрати в сталі 600 W. При номінальному навантаженні й коефіцієнті потужності 0,8 (відстаючому) його ККД становить 97%. Знайдіть втрати в міді при повному навантаженні Pcu,fl у ватах.
S = 75 kVAPcore = 600 Wpf = 0,8η = 97%
Pcu,fl = W
3Розчини
1.Послідовні й паралельні резистори
Відповідь: Req = 14,36 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 = 12 + 4 = 16 Ω
R2 ∥ 16 = 6·16/(6+16) = 4,364 Ω
Req = R1 + 4,364 = 10 + 4,364 = 14,36 Ω
Відповідь
Req = 14,36 Ω
2.Послідовні й паралельні резистори
Відповідь: Req = 11,47 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 = 8 + 25 = 33 Ω
R4 ∥ 33 = 3,568 Ω
R3 + 3,568 = 5,568 Ω
R2 ∥ 5,568 = 1,471 Ω
Req = R1 + 1,471 = 10 + 1,471 = 11,47 Ω
Відповідь
Req = 11,47 Ω
3.Метод вузлових потенціалів
Відповідь: VB = 11,69 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/10 + (VA − 12)/20 + (VA − VB)/4 = 0
0,4·VA − 0,25·VB = 0,6
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/15 + (VB − VA)/4 = 1,5
−0,25·VA + 0,3167·VB = 1,5
Розв’яжіть
Δ = (0,4)(0,3167) − (−0,25)(−0,25) = 0,06417
VA = Δ1/Δ = 0,565/0,06417 = 8,805 V
VB = Δ2/Δ = 0,75/0,06417 = 11,69 V
Відповідь
VB = 11,69 V
4.Метод вузлових потенціалів
Відповідь: VB = 18,78 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 = 10 V, V2 = 24 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 − 10)/4 + (VA − VB)/30 = 0
0,3833·VA − 0,03333·VB = 2,5
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 = 2·12/(2+12) = 1,714 Ω
Rth = (R1 ∥ R2) + R3 = 1,714 + 12 = 13,71 Ω
6.Тевенен і Нортон
Відповідь: Vth = 37,11 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 = 8·10/(8+10) = 4,444 Ω
Rth = (R1 ∥ R2) + R3 = 4,444 + 4 = 8,444 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) = 3,333 + 4·4,444 = 21,11 V
Vth = VB = VA + Is·R3 = 21,11 + 4·4 = 37,11 V
7.Перехідні процеси RC і RL
Відповідь: W(∞) = 99 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 = 22 mH / 5 Ω = 4,4 ms
i(∞) = Vs/R = 15/5 = 3 A
Накопичена енергія
W(∞) = ½·L·i(∞)² = ½·22·3² = 99 mJ
Відповідь
W(∞) = 99 mJ
8.Перехідні процеси RC і RL
Відповідь: vC = 13,58 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) = 15 V, vC(∞) = Vs = 10 V
τ = R·C = 6,8 kΩ · 220 µF = 1496 ms
vC(t) = 10 + (15 − 10)·e−t/τ
Напруга в заданий момент
vC(500) = 10 + (5)·e−500/1496 = 13,58 V
Відповідь
vC = 13,58 V
9.Повний опір і комплексні амплітуди
Відповідь: I = 0,5408 A
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/(1257·100·10⁻⁶) = 7,958 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| = 100/184,9 = 0,5408 A
Відповідь
I = 0,5408 A
10.Повний опір і комплексні амплітуди
Відповідь: VC = 7,115 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 = 1257·0,02 = 25,13 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| = 12/61,01 = 0,1967 A
Напруга на конденсаторі
VC = I·XC = 0,1967·36,17 = 7,115 V
Відповідь
VC = 7,115 V
11.Потужність змінного струму й коефіцієнт потужності
Відповідь: R = 19,2 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 = 480/5² = 19,2 Ω
Відповідь
R = 19,2 Ω
12.Потужність змінного струму й коефіцієнт потужності
Відповідь: Inew = 110,9 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 = 25·tan(49,46°) = 29,23 kvar
Q2 = P·tan φ2 = 25·tan(11,48°) = 5,076 kvar
QC = Q1 − Q2 = 24,15 kvar
Новий струм лінії
Inew = P/(V·cos φ2) = 25000/(230·0,98) = 110,9 A
Відповідь
Inew = 110,9 A
13.Трифазні системи
Відповідь: IL = 53,17 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 = 37/0,93 = 39,78 kW
Струм лінії
IL = Pin/(√3·VL·cos φ) = 39785/(√3·480·0,9) = 53,17 A
Відповідь
IL = 53,17 A
14.Трифазні системи
Відповідь: Cph = 801,5 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 = 250·tan(acos 0,72) = 250·0,9639 = 241 kvar
Q2 = 250·tan(acos 0,9) = 250·0,4843 = 121,1 kvar
Реактивна потужність від конденсаторів
QC = Q1 − Q2 = 119,9 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 = 3²·10 = 90 Ω
Відповідь
R1′ = 90 Ω
16.Трансформатори
Відповідь: Pcu,fl = 1256 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.