До замикання вимикача в момент t = 0 струму через котушку немає. Знайдіть напругу vL на котушці в момент t = 1 ms.
Vs = 20 VR = 50 ΩL = 22 mHt = 1 ms
vL = V
8.Перехідні процеси RC і RLСкладна
Ключ паралельно R2 був замкнений тривалий час, тож струм котушки сталий. При t = 0 ключ розмикається. Через який час після t = 0 струм котушки досягне 0,8 A? Знайдіть t.
Vs = 20 VR1 = 20 ΩR2 = 20 ΩL = 22 mH
t = ms
9.Повний опір і комплексні амплітудиСередня
Послідовне коло RLC підключено до мережі 12 V (діюче значення), 200 Hz. Знайдіть діюче значення струму I.
V = 12 V (rms)f = 200 HzR = 30 ΩL = 50 mHC = 4,7 µF
I = A
10.Повний опір і комплексні амплітудиСкладна
Послідовне коло RLC підключено до мережі 100 V (діюче значення), 60 Hz. Знайдіть діюче значення струму I.
V = 100 V (rms)f = 60 HzR = 80 ΩL = 100 mHC = 2,2 µF
I = A
11.Потужність змінного струму й коефіцієнт потужностіСередня
Навантаження з повним опором Z = 24 + j7 Ω під’єднано до однофазної мережі 230 V (діюче значення). Знайдіть повну потужність S.
V = 230 VZ = 24 + j7 Ω
S = VA
12.Потужність змінного струму й коефіцієнт потужностіСкладна
Однофазний трансформатор потужністю 75 kVA живить навантаження 43 kW з коефіцієнтом потужності 0,7 (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 = 75 kVAP1 = 43 kWpf1 = 0,7
ΔP = kW
13.Трифазні системиСередня
Симетричне навантаження, з’єднане зіркою, з повним опором 6 + j8 Ω на фазу підключене до симетричної трифазної мережі з лінійною напругою 415 V. Знайдіть сумарну активну потужність P, яку поглинає навантаження, у kW.
VL = 415 VZ = 6 + j8 Ω на фазу
P = kW
14.Трифазні системиСкладна
Симетричне трифазне навантаження споживає 50 kW при коефіцієнті потужності 0,7 (відстаючому) від мережі 480 V (лінійна напруга), 60 Hz. Трифазна конденсаторна батарея, підключена паралельно до навантаження, має підвищити загальний коефіцієнт потужності до 0,95 (відстаючого). Активна потужність не змінюється. Знайдіть сумарну реактивну потужність QC, яку має постачати конденсаторна батарея, у kvar.
P = 50 kWpf1 = 0,7pf2 = 0,95VL = 480 Vf = 60 Hz
QC = kvar
15.ТрансформаториСередня
Однофазний трансформатор 500 kVA, 4160/480 V працює з номінальним навантаженням. Вважайте його ідеальним. Знайдіть струм ILV в обмотці нижчої напруги.
S = 500 kVAV1 = 4160 VV2 = 480 V
ILV = A
16.ТрансформаториСкладна
Однофазний трансформатор 75 kVA має втрати в сталі 300 W. При номінальному навантаженні й коефіцієнті потужності 0,85 (відстаючому) його ККД становить 98,2%. Знайдіть втрати в міді при повному навантаженні Pcu,fl у ватах.
S = 75 kVAPcore = 300 Wpf = 0,85η = 98,2%
Pcu,fl = W
3Розчини
1.Послідовні й паралельні резистори
Відповідь: IR1 = 0,7104 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 = 20 + 15 = 35 Ω
R2 ∥ 35 = 2·35/(2+35) = 1,892 Ω
Req = R1 + 1,892 = 15 + 1,892 = 16,89 Ω
Струм джерела
Джерело бачить лише Req, тож закон Ома дає струм, який воно віддає. Цей струм тече через R₁.
IR1 = V1/Req = 12/16,89 = 0,7104 A
Відповідь
IR1 = 0,7104 A
2.Послідовні й паралельні резистори
Відповідь: IR1 = 0,7573 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 = 8 + 12 = 20 Ω
R4 ∥ 20 = 4,615 Ω
R3 + 4,615 = 8,615 Ω
R2 ∥ 8,615 = 6,693 Ω
Req = R1 + 6,693 = 25 + 6,693 = 31,69 Ω
Струм джерела
Джерело бачить лише Req, тож закон Ома дає струм, який воно віддає. Цей струм тече через R₁.
IR1 = V1/Req = 24/31,69 = 0,7573 A
Відповідь
IR1 = 0,7573 A
3.Метод вузлових потенціалів
Відповідь: VB = 7,511 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 = 18 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/5 + (VA − 18)/20 + (VA − VB)/12 = 0
0,3333·VA − 0,08333·VB = 0,9
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.
Визначте вузли
Земля — нижній провід. Відомі вузлові напруги беруться прямо з джерел (V1 = 15 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/12 + (VA − 15)/6 + (VA − VB)/2 = 0
0,75·VA − 0,5·VB = 2,5
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/20 + (VB − VA)/2 + (VB − 36)/2 = 1,5
−0,5·VA + 1,05·VB = 19,5
Розв’яжіть
Δ = (0,75)(1,05) − (−0,5)(−0,5) = 0,5375
VA = Δ1/Δ = 12,38/0,5375 = 23,02 V
VB = Δ2/Δ = 15,88/0,5375 = 29,53 V
Відповідь
VB = 29,53 V
5.Тевенен і Нортон
Відповідь: Rth = 18 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 = 10·15/(10+15) = 6 Ω
Rth = (R1 ∥ R2) + R3 = 6 + 12 = 18 Ω
6.Тевенен і Нортон
Відповідь: PL = 9,734 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 = 25·30/(25+30) = 13,64 Ω
Rth = (R1 ∥ R2) + R3 = 13,64 + 5 = 18,64 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) = 19,64 + (−2,5)·13,64 = −14,45 V
Vth = VB = VA + Is·R3 = −14,45 + (−2,5)·5 = −26,95 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) = −26,95/(18,64 + 20) = −0,6976 A
PL = IL²·RL = −0,6976²·20 = 9,734 W
7.Перехідні процеси RC і RL
Відповідь: vL = 2,061 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 і кінцевий струм
Через тривалий час після замикання котушка поводиться як коротке замикання, тож кінцевий струм визначає лише R.
τ = L/R = 22 mH / 50 Ω = 0,44 ms
i(∞) = Vs/R = 20/50 = 0,4 A
Напруга на котушці
У момент t = 0 уся напруга живлення прикладена до котушки; далі вона спадає до нуля.
vL(t) = Vs·e−t/τ = 20·e−1/0,44 = 2,061 V
Відповідь
vL = 2,061 V
8.Перехідні процеси RC і RL
Відповідь: t = 0,281 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
До t = 0 замкнений ключ шунтує R₂; після цього в контурі обидва резистори, R₁ і R₂.
i(0) = 20/20 = 1 A
i(∞) = 20/(20 + 20) = 0,5 A
τ = L/R = 22/40 = 0,55 ms
i(t) = 0,5 + (1 − 0,5)·e−t/τ
Виразіть час
e−t/τ = (0,8 − 0,5)/(1 − 0,5) = 0,6
t = 0,55·ln(1,667) = 0,281 ms
Відповідь
t = 0,281 ms
9.Повний опір і комплексні амплітуди
Відповідь: I = 0,1085 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 = 1257·0,05 = 62,83 Ω
XC = 1/(ωC) = 1/(1257·4,7·10⁻⁶) = 169,3 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| = 12/110,6 = 0,1085 A
Відповідь
I = 0,1085 A
10.Повний опір і комплексні амплітуди
Відповідь: I = 0,08541 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·60 = 377 rad/s
XL = ωL = 377·0,1 = 37,7 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| = 100/1171 = 0,08541 A
Відповідь
I = 0,08541 A
11.Потужність змінного струму й коефіцієнт потужності
Відповідь: S = 2116 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| = √(24² + 7²) = 25 Ω
I = V/|Z| = 230/25 = 9,2 A
Повна потужність
S = V·I = 230·9,2 = 2116 VA
Відповідь
S = 2116 VA
12.Потужність змінного струму й коефіцієнт потужності
Відповідь: ΔP = 17,83 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 = 43·tan(arccos 0,7) = 43,87 kvar
Найбільша сумарна активна потужність
За повного навантаження S = Smax, а Q від активного навантаження не змінюється.
P = √(Smax² − Q1²) = √(75² − 43,87²) = 60,83 kW
Додаткова активна потужність
ΔP = 60,83 − 43 = 17,83 kW
Відповідь
ΔP = 17,83 kW
13.Трифазні системи
Відповідь: P = 10,33 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 = 415/√3 = 239,6 V
Фазний струм
|Z| = √(6² + 8²) = 10 Ω
Iph = 239,6/10 = 23,96 A
Сумарна активна потужність
Активну потужність поглинає лише активна складова кожного опору.
P = 3·Iph²·R = 3·23,96²·6 = 10,33 kW
Відповідь
P = 10,33 kW
Перевірка: cos φ = R/|Z| = 0,6, і √3·VL·IL·cos φ дає ту саму потужність.
14.Трифазні системи
Відповідь: QC = 34,58 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 = 50·tan(acos 0,7) = 50·1,02 = 51,01 kvar
Q2 = 50·tan(acos 0,95) = 50·0,3287 = 16,43 kvar
Реактивна потужність від конденсаторів
QC = Q1 − Q2 = 34,58 kvar
Відповідь
QC = 34,58 kvar
15.Трансформатори
Відповідь: ILV = 1042 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 = 500000/480 = 1042 A
Відповідь
ILV = 1042 A
16.Трансформатори
Відповідь: Pcu,fl = 868,5 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.