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.
Знайдіть напругу Тевенена Vth з боку затискачів a–b.
V1 = 9 VR1 = 6 ΩR2 = 12 ΩR3 = 5 Ω
Vth = V
6.Тевенен і НортонСкладна
Знайдіть напругу Тевенена Vth з боку затискачів a–b.
V1 = 12 VIs = 2,5 AR1 = 25 ΩR2 = 8 ΩR3 = 6 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 при t = 10 ms, у mJ.
Vs = 5 VR = 10 ΩL = 150 mHt = 10 ms
W = mJ
8.Перехідні процеси RC і RLСкладна
Безпосередньо перед замиканням вимикача в момент t = 0 конденсатор має 15 V з указаною полярністю. За який час vC досягне 10,5 V? Знайдіть t.
Vs = 6 VR = 2,2 kΩC = 220 µFvC(0) = 15 V
t = ms
9.Повний опір і комплексні амплітудиСередня
Послідовне коло RLC підключено до мережі 100 V (діюче значення), 60 Hz. Знайдіть діюче значення струму I.
V = 100 V (rms)f = 60 HzR = 50 ΩL = 250 mHC = 22 µF
I = A
10.Повний опір і комплексні амплітудиСкладна
Послідовне RLC-коло має R = 10 Ω, L = 20 mH і C = 0,01 µF. Знайдіть його смугу пропускання B (ширину смуги між частотами половинної потужності) у Hz.
R = 10 ΩL = 20 mHC = 0,01 µF
B = Hz
11.Потужність змінного струму й коефіцієнт потужностіСередня
Однофазний двигун споживає 40 kW при коефіцієнті потужності 0,7 (індуктивному) від мережі 240 V. Знайдіть струм лінії I.
P = 40 kWpf = 0,7V = 240 V
I = A
12.Потужність змінного струму й коефіцієнт потужностіСкладна
Однофазний трансформатор потужністю 150 kVA живить навантаження 55 kW з коефіцієнтом потужності 0,65 (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 = 150 kVAP1 = 55 kWpf1 = 0,65
ΔP = kW
13.Трифазні системиСередня
Симетричне трифазне навантаження споживає лінійний струм 20 A від мережі з лінійною напругою 400 V. Коефіцієнт потужності 0,95, відстаючий. Знайдіть сумарну активну потужність P, яку споживає навантаження, у kW.
VL = 400 VIL = 20 Acos φ = 0,95
P = kW
14.Трифазні системиСкладна
Симетричне трифазне навантаження споживає 120 kW при коефіцієнті потужності 0,75 (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. Конденсатори з’єднано зіркою. Знайдіть ємність Cph кожного конденсатора в µF.
P = 120 kWpf1 = 0,75pf2 = 0,95VL = 480 Vf = 60 Hz
Cph = µF
15.ТрансформаториСередня
Однофазний трансформатор 10 kVA, 480/240 V працює з номінальним навантаженням. Вважайте його ідеальним. Знайдіть струм ILV в обмотці нижчої напруги.
S = 10 kVAV1 = 480 VV2 = 240 V
ILV = A
16.ТрансформаториСкладна
Однофазний трансформатор 50 kVA має втрати в сталі 200 W. При номінальному навантаженні й коефіцієнті потужності 0,95 (відстаючому) його ККД становить 98,5%. Знайдіть втрати в міді при повному навантаженні Pcu,fl у ватах.
S = 50 kVAPcore = 200 Wpf = 0,95η = 98,5%
Pcu,fl = W
3Розчини
1.Послідовні й паралельні резистори
Відповідь: Req = 7,733 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 = 4 + 3 = 7 Ω
R2 ∥ 7 = 8·7/(8+7) = 3,733 Ω
Req = R1 + 3,733 = 4 + 3,733 = 7,733 Ω
Відповідь
Req = 7,733 Ω
2.Послідовні й паралельні резистори
Відповідь: Req = 7,795 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 + 15 = 23 Ω
R4 ∥ 23 = 13,02 Ω
R3 + 13,02 = 21,02 Ω
R2 ∥ 21,02 = 5,795 Ω
Req = R1 + 5,795 = 2 + 5,795 = 7,795 Ω
Відповідь
Req = 7,795 Ω
3.Метод вузлових потенціалів
Відповідь: I2 = 2,906 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 − 24)/20 + (VA − 30)/4 + (VA − 12)/2 = 0
Знайдіть VA
VA = (24/20 + 30/4 + 12/2) / (1/20 + 1/4 + 1/2) = 14,7/0,8 = 18,37 V
Струм гілки
Стрілка спрямована вгору вздовж вітки, у вузол A.
I2 = (30 − VA)/R2 = (30 − 18,37)/4 = 2,906 A
Відповідь
I2 = 2,906 A
Від’ємний результат означає, що дійсний струм тече проти стрілки.
4.Метод вузлових потенціалів
Відповідь: IR2 = 0,4 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 = 12 V, V2 = 30 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/3 + (VA − 12)/20 + (VA − VB)/15 = 0
0,45·VA − 0,06667·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/3 + (VB − VA)/15 + (VB − 30)/20 = (−4)
−0,06667·VA + 0,45·VB = −2,5
Розв’яжіть
Δ = (0,45)(0,45) − (−0,06667)(−0,06667) = 0,1981
VA = Δ1/Δ = 0,1033/0,1981 = 0,5217 V
VB = Δ2/Δ = −1,085/0,1981 = −5,478 V
Відповідь
IR2 = (VA − VB)/R2 = (0,5217 − −5,478)/15 = 0,4 A
5.Тевенен і Нортон
Відповідь: Vth = 6 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 = 6·12/(6+12) = 4 Ω
Rth = (R1 ∥ R2) + R3 = 4 + 5 = 9 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) = 9·12/(6+12) = 6 V
6.Тевенен і Нортон
Відповідь: Vth = 33,06 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 = 25·8/(25+8) = 6,061 Ω
Rth = (R1 ∥ R2) + R3 = 6,061 + 6 = 12,06 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) = 2,909 + 2,5·6,061 = 18,06 V
Vth = VB = VA + Is·R3 = 18,06 + 2,5·6 = 33,06 V
7.Перехідні процеси RC і RL
Відповідь: W = 4,439 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 = 150 mH / 10 Ω = 15 ms
i(∞) = Vs/R = 5/10 = 0,5 A
Струм у заданий момент
i(t) = 0,5·(1 − e−10/15) = 0,2433 A
Накопичена енергія
W = ½·L·i² = ½·150·0,2433² = 4,439 mJ
Відповідь
W = 4,439 mJ
8.Перехідні процеси RC і RL
Відповідь: t = 335,5 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((15 − 6)/(10,5 − 6)) = 484·ln(2) = 335,5 ms
Відповідь
t = 335,5 ms
9.Повний опір і комплексні амплітуди
Відповідь: I = 1,77 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 = 377·0,25 = 94,25 Ω
XC = 1/(ωC) = 1/(377·22·10⁻⁶) = 120,6 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| = 100/56,51 = 1,77 A
Відповідь
I = 1,77 A
10.Повний опір і комплексні амплітуди
Відповідь: B = 79,58 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|.
Резонансна частота
f0 = 1/(2π·√(0,02·0,01·10⁻⁶)) = 11254 Hz
Добротність
Q порівнює реактивний опір при резонансі з активним опором: Q = ω₀L/R.
11.Потужність змінного струму й коефіцієнт потужності
Відповідь: I = 238,1 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) = 40000/(240·0,7) = 238,1 A
Відповідь
I = 238,1 A
12.Потужність змінного струму й коефіцієнт потужності
Відповідь: ΔP = 80,52 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 = 55·tan(arccos 0,65) = 64,3 kvar
Найбільша сумарна активна потужність
За повного навантаження S = Smax, а Q від активного навантаження не змінюється.
P = √(Smax² − Q1²) = √(150² − 64,3²) = 135,5 kW
Додаткова активна потужність
ΔP = 135,5 − 55 = 80,52 kW
Відповідь
ΔP = 80,52 kW
13.Трифазні системи
Відповідь: P = 13,16 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 = √3·400·20 = 13,86 kVA
Активна потужність
P = S·cos φ = 13,86·0,95 = 13,16 kW
Відповідь
P = 13,16 kW
14.Трифазні системи
Відповідь: Cph = 764,3 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 0,75) = 120·0,8819 = 105,8 kvar
Q2 = 120·tan(acos 0,95) = 120·0,3287 = 39,44 kvar
Реактивна потужність від конденсаторів
QC = Q1 − Q2 = 66,39 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.
Номінальний струм
Обидві обмотки передають однакову повну потужність.
ILV = S/V = 10000/240 = 41,67 A
Відповідь
ILV = 41,67 A
16.Трансформатори
Відповідь: Pcu,fl = 523,4 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.