Між вузлом A і землею ввімкнено три вітки, як показано на схемі. Методом вузлових потенціалів знайдіть струм I2 у вітці 2, що тече вгору у вузол A в напрямку стрілки.
Через котушку тече сталий струм 2,5 A. При t = 0 ключ замикає контур через R і джерело від’єднується, тож струм котушки спадає через R. Знайдіть напругу vR на R при t = 1 ms.
i(0) = 2,5 AR = 10 ΩL = 10 mHt = 1 ms
vR = V
8.Перехідні процеси RC і RLСкладна
Безпосередньо перед замиканням вимикача в момент t = 0 конденсатор має 24 V з указаною полярністю. За який час vC досягне 12,8 V? Знайдіть t.
Vs = 10 VR = 1 kΩC = 68 µFvC(0) = 24 V
t = ms
9.Повний опір і комплексні амплітудиСередня
Послідовне RLC-коло з C = 10 µF має резонувати на частоті 100 Hz. Знайдіть потрібну індуктивність L.
f0 = 100 HzC = 10 µF
L = mH
10.Повний опір і комплексні амплітудиСкладна
Послідовне коло RLC підключено до мережі 230 V (діюче значення), 60 Hz. Знайдіть резонансну частоту f0 кола.
V = 230 V (rms)f = 60 HzR = 40 ΩL = 200 mHC = 47 µF
f0 = Hz
11.Потужність змінного струму й коефіцієнт потужностіСередня
Індуктивне навантаження споживає 12 A і 2208 W від однофазної мережі 230 V (діюче значення). Подайте його як активний опір R, послідовно з’єднаний з реактивним опором X. Знайдіть R.
V = 230 VI = 12 AP = 2208 W
R = Ω
12.Потужність змінного струму й коефіцієнт потужностіСкладна
Однофазний трансформатор потужністю 100 kVA живить навантаження 27 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 = 27 kWpf1 = 0,85
ΔP = kW
13.Трифазні системиСередня
Трифазний асинхронний двигун при повному навантаженні розвиває механічну потужність 55 kW. При цьому навантаженні його ККД становить 95%, а коефіцієнт потужності 0,8, відстаючий. Лінійна напруга мережі 690 V. Знайдіть лінійний струм IL.
Pout = 55 kWη = 95%cos φ = 0,8VL = 690 V
IL = A
14.Трифазні системиСкладна
Симетричне трифазне навантаження споживає 250 kW при коефіцієнті потужності 0,65 (відстаючому) від мережі 690 V (лінійна напруга), 60 Hz. Трифазна конденсаторна батарея, підключена паралельно до навантаження, має підвищити загальний коефіцієнт потужності до 0,98 (відстаючого). Активна потужність не змінюється. Знайдіть сумарну реактивну потужність QC, яку має постачати конденсаторна батарея, у kvar.
P = 250 kWpf1 = 0,65pf2 = 0,98VL = 690 Vf = 60 Hz
QC = kvar
15.ТрансформаториСередня
Однофазний трансформатор 25 kVA, 2400/240 V працює з номінальним навантаженням. Вважайте його ідеальним. Знайдіть струм IHV в обмотці вищої напруги.
S = 25 kVAV1 = 2400 VV2 = 240 V
IHV = A
16.ТрансформаториСкладна
Однофазний трансформатор 500 kVA має втрати в сталі 2000 W і втрати в міді 3000 W при номінальному навантаженні. При якому навантаженні Sη,max, у kVA, його ККД найвищий?
S = 500 kVAPcore = 2000 WPcu,fl = 3000 W
Sη,max = kVA
3Розчини
1.Послідовні й паралельні резистори
Відповідь: IR2 = 0,5068 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 = 6 + 20 = 26 Ω
R2 ∥ 26 = 15·26/(15+26) = 9,512 Ω
Req = R1 + 9,512 = 3 + 9,512 = 12,51 Ω
Струм джерела
Джерело бачить лише Req, тож закон Ома дає струм, який воно віддає. Цей струм тече через R₁.
IR1 = V1/Req = 10/12,51 = 0,7992 A
Струм через R₂
Відніміть спад на R₁, щоб отримати напругу у вузлі A, тобто напругу на R₂.
VA = V1 − IR1·R1 = 10 − 0,7992·3 = 7,602 V
IR2 = VA/R2 = 7,602/15 = 0,5068 A
Відповідь
IR2 = 0,5068 A
2.Послідовні й паралельні резистори
Відповідь: Req = 22,21 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 + 20 = 28 Ω
R4 ∥ 28 = 1,867 Ω
R3 + 1,867 = 13,87 Ω
R2 ∥ 13,87 = 7,206 Ω
Req = R1 + 7,206 = 15 + 7,206 = 22,21 Ω
Відповідь
Req = 22,21 Ω
3.Метод вузлових потенціалів
Відповідь: I2 = −0,3881 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.
ЗСК для вузла A
Нижній провід візьміть за землю. Кожна вітка проводить від A струм (VA − Vk)/Rk, де Vk — напруга її джерела (нуль для простого резистора). Сума струмів, що виходять з A, дорівнює нулю.
(VA − 30)/8 + (VA − 10)/10 + (VA − 9)/3 = 0
Знайдіть VA
VA = (30/8 + 10/10 + 9/3) / (1/8 + 1/10 + 1/3) = 7,75/0,5583 = 13,88 V
Струм гілки
Стрілка спрямована вгору вздовж вітки, у вузол A.
I2 = (10 − VA)/R2 = (10 − 13,88)/10 = −0,3881 A
Відповідь
I2 = −0,3881 A
Від’ємний результат означає, що дійсний струм тече проти стрілки.
4.Метод вузлових потенціалів
Відповідь: IR4 = 0,8417 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 = −10 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/6 + (VA − 6)/15 + (VA − VB)/3 = 0
0,5667·VA − 0,3333·VB = 0,4
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/15 + (VB − VA)/3 + (VB − (−10))/20 = 2
−0,3333·VA + 0,45·VB = 1,5
Розв’яжіть
Δ = (0,5667)(0,45) − (−0,3333)(−0,3333) = 0,1439
VA = Δ1/Δ = 0,68/0,1439 = 4,726 V
VB = Δ2/Δ = 0,9833/0,1439 = 6,834 V
Відповідь
IR4 = (VB − V2)/R4 = (6,834 − −10)/20 = 0,8417 A
5.Тевенен і Нортон
Відповідь: IN = 0,6 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 = 4·5/(4+5) = 2,222 Ω
Rth = (R1 ∥ R2) + R3 = 2,222 + 20 = 22,22 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) = 24·5/(4+5) = 13,33 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 = 13,33/22,22 = 0,6 A
6.Тевенен і Нортон
Відповідь: PL = 28,05 W
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 + 12 = 13,88 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) = 18,75 + 1,5·1,875 = 21,56 V
Vth = VB = VA + Is·R3 = 21,56 + 1,5·12 = 39,56 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) = 39,56/(13,88 + 12) = 1,529 A
PL = IL²·RL = 1,529²·12 = 28,05 W
7.Перехідні процеси RC і RL
Відповідь: vR = 9,197 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.
Стала часу
τ = L/R = 10 mH / 10 Ω = 1 ms
Спадання струму
i(t) = 2,5·e−1/1 = 0,9197 A
vR = R·i = 10·0,9197 = 9,197 V
Відповідь
vR = 9,197 V
8.Перехідні процеси RC і RL
Відповідь: t = 109,4 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((24 − 10)/(12,8 − 10)) = 68·ln(5) = 109,4 ms
Відповідь
t = 109,4 ms
9.Повний опір і комплексні амплітуди
Відповідь: L = 253,3 mH
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·100 = 628,3 rad/s
L = 1/(ω₀²·C) = 1/(628,3²·10·10⁻⁶) = 253,3 mH
Відповідь
L = 253,3 mH
10.Повний опір і комплексні амплітуди
Відповідь: f0 = 51,91 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: R = 15,33 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 = 2208/12² = 15,33 Ω
Відповідь
R = 15,33 Ω
12.Потужність змінного струму й коефіцієнт потужності
Відповідь: ΔP = 71,59 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 = 27·tan(arccos 0,85) = 16,73 kvar
Найбільша сумарна активна потужність
За повного навантаження S = Smax, а Q від активного навантаження не змінюється.
P = √(Smax² − Q1²) = √(100² − 16,73²) = 98,59 kW
Додаткова активна потужність
ΔP = 98,59 − 27 = 71,59 kW
Відповідь
ΔP = 71,59 kW
13.Трифазні системи
Відповідь: IL = 60,55 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 = 55/0,95 = 57,89 kW
Струм лінії
IL = Pin/(√3·VL·cos φ) = 57895/(√3·690·0,8) = 60,55 A
Відповідь
IL = 60,55 A
14.Трифазні системи
Відповідь: QC = 241,5 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 = 250·tan(acos 0,65) = 250·1,169 = 292,3 kvar
Q2 = 250·tan(acos 0,98) = 250·0,2031 = 50,76 kvar
Реактивна потужність від конденсаторів
QC = Q1 − Q2 = 241,5 kvar
Відповідь
QC = 241,5 kvar
15.Трансформатори
Відповідь: IHV = 10,42 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 = 25000/2400 = 10,42 A
Відповідь
IHV = 10,42 A
16.Трансформатори
Відповідь: Sη,max = 408,2 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.