Джерело напруги Vₛ між A і B має затискач + біля B, тож забезпечує VB − VA = Vₛ. Методом вузлових потенціалів із надвузлом знайдіть струм Ix через джерело напруги від A до B, як показує стрілка.
До a–b підключено навантаження RL = 15 Ω. Замініть решту кола еквівалентом Тевенена і знайдіть струм навантаження IL.
V1 = 15 VR1 = 4 ΩR2 = 20 ΩR3 = 10 ΩRL = 15 Ω
IL = A
6.Тевенен і НортонСкладна
Знайдіть струм Нортона IN: струм, що тече від a до b, якщо затискачі закоротити.
V1 = 6 VIs = 6 AR1 = 6 ΩR2 = 2 ΩR3 = 4 Ω
IN = A
7.Перехідні процеси RC і RLСередня
Джерело Vₛ заряджає конденсатор через R₁, а R₂ під’єднано паралельно C. Конденсатор розряджений, коли вимикач замикається в момент t = 0. Знайдіть сталу часу τ кола після замикання ключа.
Vs = 24 VR1 = 3,3 kΩR2 = 6,8 kΩC = 220 µF
τ = ms
8.Перехідні процеси RC і RLСкладна
Безпосередньо перед замиканням вимикача в момент t = 0 конденсатор має 30 V з указаною полярністю. Знайдіть напругу на конденсаторі vC у момент t = 80 ms.
Vs = 20 VR = 3,3 kΩC = 10 µFvC(0) = 30 Vt = 80 ms
vC = V
9.Повний опір і комплексні амплітудиСередня
Послідовне коло RLC підключено до мережі 120 V (діюче значення), 1000 Hz. Знайдіть кут зсуву фаз φ повного опору в градусах (додатний, коли струм відстає від напруги).
V = 120 V (rms)f = 1000 HzR = 100 ΩL = 250 mHC = 4,7 µF
φ = °
10.Повний опір і комплексні амплітудиСкладна
Послідовне RLC-коло живиться від джерела 24 V (діюче значення), частоту якого встановлено рівною резонансній частоті кола. Знайдіть діюче значення напруги VL на котушці.
V = 24 V (rms)R = 10 ΩL = 20 mHC = 2,2 µF
VL = V
11.Потужність змінного струму й коефіцієнт потужностіСередня
Однофазний двигун споживає 21 kW при коефіцієнті потужності 0,6 (індуктивному) від мережі 230 V. Знайдіть реактивну потужність Q, яку він споживає.
P = 21 kWpf = 0,6V = 230 V
Q = kvar
12.Потужність змінного струму й коефіцієнт потужностіСкладна
Однофазне навантаження споживає 15 kW при коефіцієнті потужності 0,65 (індуктивному) від мережі 240 V, 60 Hz. Паралельно підключений конденсатор підвищує коефіцієнт потужності до 0,9. Знайдіть новий струм лінії Inew.
P = 15 kWpf1 = 0,65pf2 = 0,9V = 240 Vf = 60 Hz
Inew = A
13.Трифазні системиСередня
Симетричне трифазне навантаження споживає лінійний струм 120 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 = 120 Acos φ = 0,88
P = kW
14.Трифазні системиСкладна
Симетричне трифазне навантаження споживає 250 kW при коефіцієнті потужності 0,75 (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. Конденсатори з’єднано трикутником. Знайдіть ємність Cph кожного конденсатора в µF.
P = 250 kWpf1 = 0,75pf2 = 0,98VL = 690 Vf = 60 Hz
Cph = µF
15.ТрансформаториСередня
Однофазний трансформатор 75 kVA, 4160/480 V працює з номінальним навантаженням. Вважайте його ідеальним. Знайдіть струм IHV в обмотці вищої напруги.
S = 75 kVAV1 = 4160 VV2 = 480 V
IHV = A
16.ТрансформаториСкладна
Однофазний трансформатор 50 kVA має втрати в сталі 200 W. При номінальному навантаженні й коефіцієнті потужності 0,85 (відстаючому) його ККД становить 96%. Знайдіть втрати в міді при повному навантаженні Pcu,fl у ватах.
S = 50 kVAPcore = 200 Wpf = 0,85η = 96%
Pcu,fl = W
3Розчини
1.Послідовні й паралельні резистори
Відповідь: Req = 10,22 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 + 4 = 8 Ω
R2 ∥ 8 = 15·8/(15+8) = 5,217 Ω
Req = R1 + 5,217 = 5 + 5,217 = 10,22 Ω
Відповідь
Req = 10,22 Ω
2.Послідовні й паралельні резистори
Відповідь: Req = 35,12 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 + 25 = 30 Ω
R4 ∥ 30 = 15 Ω
R3 + 15 = 35 Ω
R2 ∥ 35 = 5,122 Ω
Req = R1 + 5,122 = 30 + 5,122 = 35,12 Ω
Відповідь
Req = 35,12 Ω
3.Метод вузлових потенціалів
Відповідь: IR1 = 0,7679 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 = 9 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/2 + (VA − 9)/8 + (VA − VB)/20 = 0
0,675·VA − 0,05·VB = 1,125
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/12 + (VB − VA)/20 = 2
−0,05·VA + 0,1333·VB = 2
Розв’яжіть
Δ = (0,675)(0,1333) − (−0,05)(−0,05) = 0,0875
VA = Δ1/Δ = 0,25/0,0875 = 2,857 V
VB = Δ2/Δ = 1,406/0,0875 = 16,07 V
Відповідь
IR1 = (V1 − VA)/R1 = (9 − 2,857)/8 = 0,7679 A
4.Метод вузлових потенціалів
Відповідь: Ix = 0,5556 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.
Утворіть надвузол
Струм через джерело напруги між A і B невідомий, тож ЗСК не можна записати для A чи B окремо. Об’єднайте A, B і джерело в один надвузол: струм, що входить у нього, дорівнює струму, що виходить.
ЗСК лише для вузла A: струм, що надходить через R₁, виходить через R₂ і через джерело напруги.
IR1 = (18 − 6,444)/15 = 0,7704 A
Ix = IR1 − VA/R2 = 0,7704 − 6,444/30 = 0,5556 A
Відповідь
Ix = 0,5556 A
Від’ємний результат означає, що дійсний струм тече проти стрілки.
5.Тевенен і Нортон
Відповідь: IL = 0,4412 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 = 4·20/(4+20) = 3,333 Ω
Rth = (R1 ∥ R2) + R3 = 3,333 + 10 = 13,33 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) = 15·20/(4+20) = 12,5 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) = 12,5/(13,33 + 15) = 0,4412 A
6.Тевенен і Нортон
Відповідь: IN = 6,273 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 = 6·2/(6+2) = 1,5 Ω
Rth = (R1 ∥ R2) + R3 = 1,5 + 4 = 5,5 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) = 1,5 + 6·1,5 = 10,5 V
Vth = VB = VA + Is·R3 = 10,5 + 6·4 = 34,5 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 = 34,5/5,5 = 6,273 A
7.Перехідні процеси RC і RL
Відповідь: τ = 488,8 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.
Еквівалентна схема Тевенена з боку конденсатора
Закоротіть джерело, щоб знайти Rth; розімкніть конденсатор, щоб знайти напругу, до якої він зарядиться.
Rth = R1 ∥ R2 = 3,3·6,8/(3,3 + 6,8) = 2,222 kΩ
vC(∞) = 24·6,8/(3,3 + 6,8) = 16,16 V
Стала часу
τ = Rth·C = 2,222·220 = 488,8 ms
Відповідь
τ = 488,8 ms
8.Перехідні процеси RC і RL
Відповідь: vC = 20,89 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) = 30 V, vC(∞) = Vs = 20 V
τ = R·C = 3,3 kΩ · 10 µF = 33 ms
vC(t) = 20 + (30 − 20)·e−t/τ
Напруга в заданий момент
vC(80) = 20 + (10)·e−80/33 = 20,89 V
Відповідь
vC = 20,89 V
9.Повний опір і комплексні амплітуди
Відповідь: φ = 86,28 °
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·1000 = 6283 rad/s
XL = ωL = 6283·0,25 = 1571 Ω
XC = 1/(ωC) = 1/(6283·4,7·10⁻⁶) = 33,86 Ω
Повний опір
Послідовно повні опори додаються як комплексні числа: Z = R + j(XL − XC).
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/√(0,02·2,2·10⁻⁶) = 4767 rad/s
I = V/R = 24/10 = 2,4 A
Напруга на котушці
XL = ω₀L = 4767·0,02 = 95,35 Ω
VL = I·XL = 2,4·95,35 = 228,8 V
Відповідь
VL = 228,8 V
Це в Q = 9,535 разів більше за напругу мережі.
11.Потужність змінного струму й коефіцієнт потужності
Відповідь: Q = 28 kvar
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.
Кут
φ = arccos(0,6) = 53,13°, tan φ = 1,333
Реактивна потужність
Q = P·tan φ = 21·1,333 = 28 kvar
Відповідь
Q = 28 kvar
12.Потужність змінного струму й коефіцієнт потужності
Відповідь: Inew = 69,44 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.
Реактивна потужність до і після
Активна потужність P не змінюється; змінюється лише реактивна потужність із мережі.
Q1 = P·tan φ1 = 15·tan(49,46°) = 17,54 kvar
Q2 = P·tan φ2 = 15·tan(25,84°) = 7,265 kvar
QC = Q1 − Q2 = 10,27 kvar
Новий струм лінії
Inew = P/(V·cos φ2) = 15000/(240·0,9) = 69,44 A
Відповідь
Inew = 69,44 A
13.Трифазні системи
Відповідь: P = 38,04 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 = √3·208·120 = 43,23 kVA
Активна потужність
P = S·cos φ = 43,23·0,88 = 38,04 kW
Відповідь
P = 38,04 kW
14.Трифазні системи
Відповідь: Cph = 315,2 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 = 250·tan(acos 0,75) = 250·0,8819 = 220,5 kvar
Q2 = 250·tan(acos 0,98) = 250·0,2031 = 50,76 kvar
Реактивна потужність від конденсаторів
QC = Q1 − Q2 = 169,7 kvar
Ємність на фазу
У батареї, з’єднаній трикутником, кожен конденсатор увімкнено між двома лінійними проводами.
V = 690 V, ω = 2π·60 = 377 rad/s
Cph = (QC/3)/(ω·V²) = 56572/(377·690²) = 315,2 µF
Відповідь
Cph = 315,2 µF
15.Трансформатори
Відповідь: IHV = 18,03 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 = 75000/4160 = 18,03 A
Відповідь
IHV = 18,03 A
16.Трансформатори
Відповідь: Pcu,fl = 1571 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.