До замикання вимикача в момент t = 0 струму через котушку немає. Через який час після замикання вимикача струм досягне 99% кінцевого значення? Знайдіть t.
Vs = 15 VR = 22 ΩL = 22 mH
t = ms
8.Перехідні процеси RC і RLСкладна
Безпосередньо перед замиканням вимикача в момент t = 0 конденсатор має 30 V з указаною полярністю. За який час vC досягне 20,4 V? Знайдіть t.
Vs = 6 VR = 2,2 kΩC = 47 µFvC(0) = 30 V
t = ms
9.Повний опір і комплексні амплітудиСередня
Послідовне RLC-коло з L = 20 mH має резонувати на частоті 200 Hz. Знайдіть потрібну ємність C.
f0 = 200 HzL = 20 mH
C = µF
10.Повний опір і комплексні амплітудиСкладна
Резистор R1 увімкнено послідовно з паралельним з’єднанням R2 і конденсатора C; коло під’єднано до мережі 120 V (діюче значення), 60 Hz. Знайдіть модуль повного опору |Z|.
V = 120 V (rms)f = 60 HzR1 = 25 ΩR2 = 60 ΩC = 100 µF
|Z| = Ω
11.Потужність змінного струму й коефіцієнт потужностіСередня
Індуктивне навантаження споживає 15,5 A і 3162 W від однофазної мережі 240 V (діюче значення). Подайте його як активний опір R, послідовно з’єднаний з реактивним опором X. Знайдіть X.
V = 240 VI = 15,5 AP = 3162 W
X = Ω
12.Потужність змінного струму й коефіцієнт потужностіСкладна
Однофазний трансформатор потужністю 100 kVA живить навантаження 39 kW з коефіцієнтом потужності 0,85 (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 = 39 kWpf1 = 0,85
ΔP = kW
13.Трифазні системиСередня
Симетричне трифазне навантаження споживає лінійний струм 15 A від мережі з лінійною напругою 208 V. Коефіцієнт потужності 0,88, відстаючий. Знайдіть сумарну активну потужність P, яку споживає навантаження, у kW.
VL = 208 VIL = 15 Acos φ = 0,88
P = kW
14.Трифазні системиСкладна
Симетричне трифазне навантаження споживає 120 kW при коефіцієнті потужності 0,78 (відстаючому) від мережі 400 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 трикутником. Знайдіть ємність Cph кожного конденсатора в µF.
P = 120 kWpf1 = 0,78pf2 = 0,9VL = 400 Vf = 50 Hz
Cph = µF
15.ТрансформаториСередня
Однофазний трансформатор 10 kVA, 4800/240 V працює з номінальним навантаженням. Вважайте його ідеальним. Знайдіть струм IHV в обмотці вищої напруги.
S = 10 kVAV1 = 4800 VV2 = 240 V
IHV = A
16.ТрансформаториСкладна
Однофазний трансформатор 150 kVA має втрати в сталі 750 W і втрати в міді 1500 W при номінальному навантаженні. При якому навантаженні Sη,max, у kVA, його ККД найвищий?
S = 150 kVAPcore = 750 WPcu,fl = 1500 W
Sη,max = kVA
3Розчини
1.Послідовні й паралельні резистори
Відповідь: Req = 6,357 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 = 3 + 8 = 11 Ω
R2 ∥ 11 = 3·11/(3+11) = 2,357 Ω
Req = R1 + 2,357 = 4 + 2,357 = 6,357 Ω
Відповідь
Req = 6,357 Ω
2.Послідовні й паралельні резистори
Відповідь: Req = 6,708 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 = 5 + 12 = 17 Ω
R4 ∥ 17 = 5,44 Ω
R3 + 5,44 = 11,44 Ω
R2 ∥ 11,44 = 4,708 Ω
Req = R1 + 4,708 = 2 + 4,708 = 6,708 Ω
Відповідь
Req = 6,708 Ω
3.Метод вузлових потенціалів
Відповідь: PIs = 44,52 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/15 + (VA − 10)/4 + (VA − VB)/8 = 0
0,4417·VA − 0,125·VB = 2,5
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/3 + (VB − VA)/8 = 4
−0,125·VA + 0,4583·VB = 4
Розв’яжіть
Δ = (0,4417)(0,4583) − (−0,125)(−0,125) = 0,1868
VA = Δ1/Δ = 1,646/0,1868 = 8,81 V
VB = Δ2/Δ = 2,079/0,1868 = 11,13 V
Потужність, яку віддає джерело струму
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 = 11,13·4 = 44,52 W
Відповідь
PIs = 44,52 W
4.Метод вузлових потенціалів
Відповідь: IR1 = 0,4426 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 = 6 V, V2 = 36 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/8 + (VA − 6)/10 + (VA − VB)/20 = 0
0,275·VA − 0,05·VB = 0,6
ЗСК у вузлі B
Струми, що виходять із B через резистори, дорівнюють струму, який джерела подають у B.
VB/R5 + (VB − VA)/R2 + (VB − V2)/R4 = Is
VB/4 + (VB − VA)/20 + (VB − 36)/8 = (−6)
−0,05·VA + 0,425·VB = −1,5
Розв’яжіть
Δ = (0,275)(0,425) − (−0,05)(−0,05) = 0,1144
VA = Δ1/Δ = 0,18/0,1144 = 1,574 V
VB = Δ2/Δ = −0,3825/0,1144 = −3,344 V
Відповідь
IR1 = (V1 − VA)/R1 = (6 − 1,574)/10 = 0,4426 A
5.Тевенен і Нортон
Відповідь: Rth = 12,67 Ω
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 + 10 = 12,67 Ω
6.Тевенен і Нортон
Відповідь: IL = 2,23 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 = 2·25/(2+25) = 1,852 Ω
Rth = (R1 ∥ R2) + R3 = 1,852 + 15 = 16,85 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) = 8,333 + 2·1,852 = 12,04 V
Vth = VB = VA + Is·R3 = 12,04 + 2·15 = 42,04 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) = 42,04/(16,85 + 2) = 2,23 A
7.Перехідні процеси RC і RL
Відповідь: t = 4,605 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 і кінцевий струм
Через тривалий час після замикання котушка поводиться як коротке замикання, тож кінцевий струм визначає лише R.
τ = L/R = 22 mH / 22 Ω = 1 ms
i(∞) = Vs/R = 15/22 = 0,6818 A
Виразіть час
0,99 = 1 − e−t/τ → t = −τ·ln(1 − 0,99)
t = −1·ln(0,01) = 4,605 ms
Відповідь
t = 4,605 ms
8.Перехідні процеси RC і RL
Відповідь: t = 52,82 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
Напруга на конденсаторі не може змінитися стрибком, тож вона починає з накопиченого значення й прямує до напруги джерела.
t = τ·ln((30 − 6)/(20,4 − 6)) = 103,4·ln(1,667) = 52,82 ms
Відповідь
t = 52,82 ms
9.Повний опір і комплексні амплітуди
Відповідь: C = 31,66 µF
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|.
Умова резонансу
При резонансі індуктивний і ємнісний опори взаємно компенсуються: ωL = 1/(ωC).
ω₀ = 2π·200 = 1257 rad/s
C = 1/(ω₀²·L) = 1/(1257²·0,02) = 31,66 µF
Відповідь
C = 31,66 µF
10.Повний опір і комплексні амплітуди
Відповідь: |Z| = 41,28 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/(2π·60·100·10⁻⁶) = 26,53 Ω
Паралельне з’єднання
Помножте чисельник і знаменник на комплексно спряжене, щоб розділити Zp на дійсну й уявну частини.
11.Потужність змінного струму й коефіцієнт потужності
Відповідь: X = 8,157 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 = 3162/15,5² = 13,16 Ω
Реактивний опір з повного опору
|Z| = V/I = 240/15,5 = 15,48 Ω
X = √(|Z|² − R²) = √(15,48² − 13,16²) = 8,157 Ω
Відповідь
X = 8,157 Ω
12.Потужність змінного струму й коефіцієнт потужності
Відповідь: ΔP = 58,04 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 = 39·tan(arccos 0,85) = 24,17 kvar
Найбільша сумарна активна потужність
За повного навантаження S = Smax, а Q від активного навантаження не змінюється.
P = √(Smax² − Q1²) = √(100² − 24,17²) = 97,04 kW
Додаткова активна потужність
ΔP = 97,04 − 39 = 58,04 kW
Відповідь
ΔP = 58,04 kW
13.Трифазні системи
Відповідь: P = 4,756 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 = √3·208·15 = 5,404 kVA
Активна потужність
P = S·cos φ = 5,404·0,88 = 4,756 kW
Відповідь
P = 4,756 kW
14.Трифазні системи
Відповідь: Cph = 253 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 = 120·tan(acos 0,78) = 120·0,8023 = 96,27 kvar
Q2 = 120·tan(acos 0,9) = 120·0,4843 = 58,12 kvar
Реактивна потужність від конденсаторів
QC = Q1 − Q2 = 38,16 kvar
Ємність на фазу
У батареї, з’єднаній трикутником, кожен конденсатор увімкнено між двома лінійними проводами.
V = 400 V, ω = 2π·50 = 314,2 rad/s
Cph = (QC/3)/(ω·V²) = 12718/(314,2·400²) = 253 µF
Відповідь
Cph = 253 µF
15.Трансформатори
Відповідь: IHV = 2,083 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 = 10000/4800 = 2,083 A
Відповідь
IHV = 2,083 A
16.Трансформатори
Відповідь: Sη,max = 106,1 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.