Ромб — це джерело струму, кероване напругою, що подає струм 0,4·VA (в A, де VA у V) угору у вузол B. Методом вузлових потенціалів знайдіть вузлову напругу VA (відносно землі).
Знайдіть напругу Тевенена Vth з боку затискачів a–b.
V1 = 36 VIs = 2 AR1 = 30 ΩR2 = 6 ΩR3 = 2 Ω
Vth = V
7.Перехідні процеси RC і RLСередня
До замикання вимикача в момент t = 0 струму через котушку немає. Через який час після замикання вимикача струм досягне 80% кінцевого значення? Знайдіть t.
Vs = 5 VR = 20 ΩL = 47 mH
t = ms
8.Перехідні процеси RC і RLСкладна
Безпосередньо перед замиканням вимикача в момент t = 0 конденсатор має 24 V з указаною полярністю. Знайдіть напругу на конденсаторі vC у момент t = 120 ms.
Vs = 12 VR = 10 kΩC = 47 µFvC(0) = 24 Vt = 120 ms
vC = V
9.Повний опір і комплексні амплітудиСередня
Послідовне коло RLC підключено до мережі 50 V (діюче значення), 200 Hz. Знайдіть активну потужність P, що споживається від мережі.
V = 50 V (rms)f = 200 HzR = 25 ΩL = 200 mHC = 100 µF
P = W
10.Повний опір і комплексні амплітудиСкладна
Послідовне RLC-коло живиться від джерела 12 V (діюче значення), частоту якого встановлено рівною резонансній частоті кола. Знайдіть діюче значення напруги VL на котушці.
V = 12 V (rms)R = 15 ΩL = 10 mHC = 2,2 µF
VL = V
11.Потужність змінного струму й коефіцієнт потужностіСередня
Однофазний двигун споживає 6 kW при коефіцієнті потужності 0,8 (індуктивному) від мережі 400 V. Знайдіть струм лінії I.
P = 6 kWpf = 0,8V = 400 V
I = A
12.Потужність змінного струму й коефіцієнт потужностіСкладна
Джерело 230 V (діюче значення), 50 Hz має внутрішній опір Zs = 25 + j6 Ω. Опір навантаження ZL можна вибирати довільно. Знайдіть максимальну активну потужність Pmax, яку можна передати навантаженню.
Vs = 230 V (rms)f = 50 HzZs = 25 + j6 Ω
Pmax = W
13.Трифазні системиСередня
Трифазний асинхронний двигун при повному навантаженні розвиває механічну потужність 30 kW. При цьому навантаженні його ККД становить 95%, а коефіцієнт потужності 0,86, відстаючий. Лінійна напруга мережі 415 V. Знайдіть лінійний струм IL.
Pout = 30 kWη = 95%cos φ = 0,86VL = 415 V
IL = A
14.Трифазні системиСкладна
Симетричне трифазне навантаження споживає 75 kW при коефіцієнті потужності 0,7 (відстаючому) від мережі 400 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 = 75 kWpf1 = 0,7pf2 = 0,92VL = 400 Vf = 50 Hz
QC = kvar
15.ТрансформаториСередня
Однофазний трансформатор 500 kVA, 2400/240 V працює з номінальним навантаженням. Вважайте його ідеальним. Знайдіть струм ILV в обмотці нижчої напруги.
S = 500 kVAV1 = 2400 VV2 = 240 V
ILV = A
16.ТрансформаториСкладна
Однофазний трансформатор 75 kVA має втрати в сталі 600 W. При номінальному навантаженні й коефіцієнті потужності 0,95 (відстаючому) його ККД становить 97%. Знайдіть втрати в міді при повному навантаженні Pcu,fl у ватах.
S = 75 kVAPcore = 600 Wpf = 0,95η = 97%
Pcu,fl = W
3Розчини
1.Послідовні й паралельні резистори
Відповідь: IR2 = 0,7075 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 + 10 = 15 Ω
R2 ∥ 15 = 4·15/(4+15) = 3,158 Ω
Req = R1 + 3,158 = 8 + 3,158 = 11,16 Ω
Струм джерела
Джерело бачить лише Req, тож закон Ома дає струм, який воно віддає. Цей струм тече через R₁.
IR1 = V1/Req = 10/11,16 = 0,8962 A
Струм через R₂
Відніміть спад на R₁, щоб отримати напругу у вузлі A, тобто напругу на R₂.
VA = V1 − IR1·R1 = 10 − 0,8962·8 = 2,83 V
IR2 = VA/R2 = 2,83/4 = 0,7075 A
Відповідь
IR2 = 0,7075 A
2.Послідовні й паралельні резистори
Відповідь: IR2 = 2,454 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 = 2 + 4 = 6 Ω
R4 ∥ 6 = 4,839 Ω
R3 + 4,839 = 29,84 Ω
R2 ∥ 29,84 = 4,282 Ω
Req = R1 + 4,282 = 2 + 4,282 = 6,282 Ω
Струм джерела
Джерело бачить лише Req, тож закон Ома дає струм, який воно віддає. Цей струм тече через R₁.
IR1 = V1/Req = 18/6,282 = 2,865 A
Струм через R₂
Відніміть спад на R₁, щоб отримати напругу у вузлі A, тобто напругу на R₂.
VA = V1 − IR1·R1 = 18 − 2,865·2 = 12,27 V
IR2 = VA/R2 = 12,27/5 = 2,454 A
Відповідь
IR2 = 2,454 A
3.Метод вузлових потенціалів
Відповідь: IR3 = −0,7921 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). 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/15 + (VA − 6)/12 + (VA − VB)/15 = 0
0,2167·VA − 0,06667·VB = 0,5
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
Струми, що виходять з A через резистори, дорівнюють струму, який джерела подають у A.
(VA − V1)/R1 + VA/R2 + (VA − VB)/R3 = 0
0,6917·VA − 0,125·VB = 9
ЗСК для вузла B
Залежне джерело подає g·VA у вузол B. Розглядайте його як незалежне джерело, потім перенесіть доданок з VA у ліву частину.
(VB − VA)/R3 + VB/R4 = 0,4·VA
−0,525·VA + 0,1917·VB = 0
Розв’яжіть
Δ = (0,6917)(0,1917) − (−0,125)(−0,525) = 0,06694
VA = Δ1/Δ = 1,725/0,06694 = 25,77 V
VB = Δ2/Δ = 4,725/0,06694 = 70,58 V
Відповідь
VA = 25,77 V
5.Тевенен і Нортон
Відповідь: Rth = 9 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 = 5·20/(5+20) = 4 Ω
Rth = (R1 ∥ R2) + R3 = 4 + 5 = 9 Ω
6.Тевенен і Нортон
Відповідь: Vth = 20 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 = 30·6/(30+6) = 5 Ω
Rth = (R1 ∥ R2) + R3 = 5 + 2 = 7 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) = 6 + 2·5 = 16 V
Vth = VB = VA + Is·R3 = 16 + 2·2 = 20 V
7.Перехідні процеси RC і RL
Відповідь: t = 3,782 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 = 47 mH / 20 Ω = 2,35 ms
i(∞) = Vs/R = 5/20 = 0,25 A
Виразіть час
0,8 = 1 − e−t/τ → t = −τ·ln(1 − 0,8)
t = −2,35·ln(0,2) = 3,782 ms
Відповідь
t = 3,782 ms
8.Перехідні процеси RC і RL
Відповідь: vC = 21,3 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) = 24 V, vC(∞) = Vs = 12 V
τ = R·C = 10 kΩ · 47 µF = 470 ms
vC(t) = 12 + (24 − 12)·e−t/τ
Напруга в заданий момент
vC(120) = 12 + (12)·e−120/470 = 21,3 V
Відповідь
vC = 21,3 V
9.Повний опір і комплексні амплітуди
Відповідь: P = 1,044 W
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 = 251,3 Ω, XC = 7,958 Ω
Повний опір
|Z| = √(25² + (243,4)²) = 244,7 Ω
Активна потужність
Котушки й конденсатори лише накопичують і повертають енергію; усю активну потужність споживає резистор.
I = 50/244,7 = 0,2044 A
P = I²·R = 0,2044²·25 = 1,044 W
Відповідь
P = 1,044 W
10.Повний опір і комплексні амплітуди
Відповідь: VL = 53,94 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|.
Резонанс
При резонансі реактивні опори компенсуються, тож повний опір дорівнює просто R.
ω₀ = 1/√(LC) = 1/√(0,01·2,2·10⁻⁶) = 6742 rad/s
I = V/R = 12/15 = 0,8 A
Напруга на котушці
XL = ω₀L = 6742·0,01 = 67,42 Ω
VL = I·XL = 0,8·67,42 = 53,94 V
Відповідь
VL = 53,94 V
Це в Q = 4,495 разів більше за напругу мережі.
11.Потужність змінного струму й коефіцієнт потужності
Відповідь: I = 18,75 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.
Струм лінії
Роботу виконує лише активна частина потужності, тож поділіть на коефіцієнт потужності.
I = P/(V·cos φ) = 6000/(400·0,8) = 18,75 A
Відповідь
I = 18,75 A
12.Потужність змінного струму й коефіцієнт потужності
Відповідь: Pmax = 529 W
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.
Спряжене узгодження
Реактивний опір навантаження компенсує реактивний опір джерела, а активний опір навантаження дорівнює активному опору джерела.
ZL = Zs* = 25 − j6 Ω
Максимальна потужність
I = Vs/(2Rs) = 230/50 = 4,6 A
Pmax = I²·RL = Vs²/(4Rs) = 230²/(4·25) = 529 W
Відповідь
Pmax = 529 W
13.Трифазні системи
Відповідь: IL = 51,08 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 = 30/0,95 = 31,58 kW
Струм лінії
IL = Pin/(√3·VL·cos φ) = 31579/(√3·415·0,86) = 51,08 A
Відповідь
IL = 51,08 A
14.Трифазні системи
Відповідь: QC = 44,57 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 = 75·tan(acos 0,7) = 75·1,02 = 76,52 kvar
Q2 = 75·tan(acos 0,92) = 75·0,426 = 31,95 kvar
Реактивна потужність від конденсаторів
QC = Q1 − Q2 = 44,57 kvar
Відповідь
QC = 44,57 kvar
15.Трансформатори
Відповідь: ILV = 2083 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.
ILV = S/V = 500000/240 = 2083 A
Відповідь
ILV = 2083 A
16.Трансформатори
Відповідь: Pcu,fl = 1604 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.