Джерело напруги Vₛ між A і B має затискач + біля B, тож забезпечує VB − VA = Vₛ. Методом вузлових потенціалів із надвузлом знайдіть вузлову напругу VA (відносно землі).
Is = 2 AVs = 10 VR1 = 2 ΩR2 = 8 Ω
VA = V
4.Метод вузлових потенціалівСкладна
Ромб — це джерело струму, кероване напругою, що подає струм 0,1·VA (в A, де VA у V) угору у вузол B. Методом вузлових потенціалів знайдіть струм IR4 через R4 у напрямку стрілки.
Знайдіть напругу Тевенена Vth з боку затискачів a–b.
V1 = 10 VR1 = 20 ΩR2 = 4 ΩR3 = 3 Ω
Vth = V
6.Тевенен і НортонСкладна
Знайдіть струм Нортона IN: струм, що тече від a до b, якщо затискачі закоротити.
V1 = 10 VIs = 6 AR1 = 30 ΩR2 = 10 ΩR3 = 8 Ω
IN = A
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 75% кінцевого значення? Знайдіть t.
Vs = 15 VR = 68 ΩL = 100 mH
t = ms
8.Перехідні процеси RC і RLСкладна
Ключ був замкнений тривалий час, тож коло в усталеному режимі. При t = 0 ключ розмикається. Знайдіть напругу на конденсаторі vC у момент t = 80 ms.
Vs = 12 VR1 = 10 kΩR2 = 6,8 kΩC = 47 µFt = 80 ms
vC = V
9.Повний опір і комплексні амплітудиСередня
Послідовне коло RLC підключено до мережі 12 V (діюче значення), 60 Hz. Знайдіть активну потужність P, що споживається від мережі.
V = 12 V (rms)f = 60 HzR = 15 ΩL = 50 mHC = 22 µF
P = W
10.Повний опір і комплексні амплітудиСкладна
Послідовне RLC-коло має R = 5 Ω, L = 20 mH і C = 1 µF. Знайдіть його смугу пропускання B (ширину смуги між частотами половинної потужності) у Hz.
R = 5 ΩL = 20 mHC = 1 µF
B = Hz
11.Потужність змінного струму й коефіцієнт потужностіСередня
Однофазний двигун споживає 22 kW при коефіцієнті потужності 0,9 (індуктивному) від мережі 240 V. Знайдіть струм лінії I.
P = 22 kWpf = 0,9V = 240 V
I = A
12.Потужність змінного струму й коефіцієнт потужностіСкладна
Однофазне навантаження споживає 50 kW при коефіцієнті потужності 0,75 (індуктивному) від мережі 230 V, 60 Hz. Паралельно підключений конденсатор підвищує коефіцієнт потужності до 0,92. Знайдіть реактивну потужність QC, яку має постачати конденсатор.
P = 50 kWpf1 = 0,75pf2 = 0,92V = 230 Vf = 60 Hz
QC = kvar
13.Трифазні системиСередня
Симетричне навантаження, з’єднане трикутником, з повним опором 24 + j7 Ω на фазу підключене до симетричної трифазної мережі з лінійною напругою 400 V. Знайдіть сумарну активну потужність P, яку поглинає навантаження, у kW.
VL = 400 VZ = 24 + j7 Ω на фазу
P = kW
14.Трифазні системиСкладна
Симетричне трифазне навантаження споживає 50 kW при коефіцієнті потужності 0,72 (відстаючому) від мережі 480 V (лінійна напруга), 50 Hz. Трифазна конденсаторна батарея, підключена паралельно до навантаження, має підвищити загальний коефіцієнт потужності до 0,98 (відстаючого). Активна потужність не змінюється. Конденсатори з’єднано зіркою. Знайдіть ємність Cph кожного конденсатора в µF.
P = 50 kWpf1 = 0,72pf2 = 0,98VL = 480 Vf = 50 Hz
Cph = µF
15.ТрансформаториСередня
Однофазний трансформатор 10 kVA, 2400/240 V працює з номінальним навантаженням. Вважайте його ідеальним. Знайдіть струм IHV в обмотці вищої напруги.
S = 10 kVAV1 = 2400 VV2 = 240 V
IHV = A
16.ТрансформаториСкладна
Однофазний трансформатор 100 kVA має втрати в сталі 600 W. При номінальному навантаженні й коефіцієнті потужності 0,8 (відстаючому) його ККД становить 96,5%. Знайдіть втрати в міді при повному навантаженні Pcu,fl у ватах.
S = 100 kVAPcore = 600 Wpf = 0,8η = 96,5%
Pcu,fl = W
3Розчини
1.Послідовні й паралельні резистори
Відповідь: IR1 = 1,382 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 = 10 + 2 = 12 Ω
R2 ∥ 12 = 2·12/(2+12) = 1,714 Ω
Req = R1 + 1,714 = 20 + 1,714 = 21,71 Ω
Струм джерела
Джерело бачить лише Req, тож закон Ома дає струм, який воно віддає. Цей струм тече через R₁.
IR1 = V1/Req = 30/21,71 = 1,382 A
Відповідь
IR1 = 1,382 A
2.Послідовні й паралельні резистори
Відповідь: IR1 = 3,781 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 = 6 + 20 = 26 Ω
R4 ∥ 26 = 12,75 Ω
R3 + 12,75 = 18,75 Ω
R2 ∥ 18,75 = 6,521 Ω
Req = R1 + 6,521 = 3 + 6,521 = 9,521 Ω
Струм джерела
Джерело бачить лише Req, тож закон Ома дає струм, який воно віддає. Цей струм тече через R₁.
IR1 = V1/Req = 36/9,521 = 3,781 A
Відповідь
IR1 = 3,781 A
3.Метод вузлових потенціалів
Відповідь: VA = 1,2 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.
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.
VB = VA + Vs = VA + 10
VA/R1 + VB/R2 = Is
Розв’яжіть
VA/2 + (VA + 10)/8 = 2
VA = (2 − 10/8)/(1/2 + 1/8) = 1,2 V
VB = 1,2 + 10 = 11,2 V
Відповідь
VA = 1,2 V
4.Метод вузлових потенціалів
Відповідь: IR4 = 0,7692 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
Струми, що виходять з A через резистори, дорівнюють струму, який джерела подають у A.
(VA − V1)/R1 + VA/R2 + (VA − VB)/R3 = 0
0,3667·VA − 0,25·VB = 0,8333
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 = 0,1·VA
−0,35·VA + 0,5833·VB = 0
Розв’яжіть
Δ = (0,3667)(0,5833) − (−0,25)(−0,35) = 0,1264
VA = Δ1/Δ = 0,4861/0,1264 = 3,846 V
VB = Δ2/Δ = 0,2917/0,1264 = 2,308 V
Струм через R₄
IR4 = VB/R4 = 2,308/3 = 0,7692 A
Відповідь
IR4 = 0,7692 A
5.Тевенен і Нортон
Відповідь: Vth = 1,667 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 = 20·4/(20+4) = 3,333 Ω
Rth = (R1 ∥ R2) + R3 = 3,333 + 3 = 6,333 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) = 10·4/(20+4) = 1,667 V
6.Тевенен і Нортон
Відповідь: IN = 6,161 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 = 30·10/(30+10) = 7,5 Ω
Rth = (R1 ∥ R2) + R3 = 7,5 + 8 = 15,5 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) = 2,5 + 6·7,5 = 47,5 V
Vth = VB = VA + Is·R3 = 47,5 + 6·8 = 95,5 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 = 95,5/15,5 = 6,161 A
7.Перехідні процеси RC і RL
Відповідь: t = 2,039 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 = 100 mH / 68 Ω = 1,471 ms
i(∞) = Vs/R = 15/68 = 0,2206 A
Виразіть час
0,75 = 1 − e−t/τ → t = −τ·ln(1 − 0,75)
t = −1,471·ln(0,25) = 2,039 ms
Відповідь
t = 2,039 ms
8.Перехідні процеси RC і RL
Відповідь: vC = 3,782 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.
Початкова напруга на конденсаторі
В усталеному режимі конденсатор — розрив кола, тож R₁ і R₂ утворюють подільник напруги. Напруга на конденсаторі не може змінитися стрибком у момент розмикання ключа.
vC(0) = 12·6,8/(10 + 6,8) = 4,857 V
Стала часу після розмикання ключа
τ = R2·C = 6,8·47 = 319,6 ms
Розряджання
vC(t) = 4,857·e−80/319,6 = 3,782 V
Відповідь
vC = 3,782 V
9.Повний опір і комплексні амплітуди
Відповідь: P = 0,2043 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 = 18,85 Ω, XC = 120,6 Ω
Повний опір
|Z| = √(15² + (−101,7)²) = 102,8 Ω
Активна потужність
Котушки й конденсатори лише накопичують і повертають енергію; усю активну потужність споживає резистор.
I = 12/102,8 = 0,1167 A
P = I²·R = 0,1167²·15 = 0,2043 W
Відповідь
P = 0,2043 W
10.Повний опір і комплексні амплітуди
Відповідь: B = 39,79 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·√(0,02·1·10⁻⁶)) = 1125 Hz
Добротність
Q порівнює реактивний опір при резонансі з активним опором: Q = ω₀L/R.
Q = (1/R)·√(L/C) = (1/5)·√(0,02/(1·10⁻⁶)) = 28,28
Смуга пропускання
B = f0/Q = 1125/28,28 = 39,79 Hz
Відповідь
B = 39,79 Hz
11.Потужність змінного струму й коефіцієнт потужності
Відповідь: I = 101,9 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) = 22000/(240·0,9) = 101,9 A
Відповідь
I = 101,9 A
12.Потужність змінного струму й коефіцієнт потужності
Відповідь: QC = 22,8 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.
Реактивна потужність до і після
Активна потужність P не змінюється; змінюється лише реактивна потужність із мережі.
Q1 = P·tan φ1 = 50·tan(41,41°) = 44,1 kvar
Q2 = P·tan φ2 = 50·tan(23,07°) = 21,3 kvar
QC = Q1 − Q2 = 22,8 kvar
Відповідь
QC = 22,8 kvar
13.Трифазні системи
Відповідь: P = 18,43 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 = VL = 400 V
Фазний струм
|Z| = √(24² + 7²) = 25 Ω
Iph = 400/25 = 16 A
Сумарна активна потужність
Активну потужність поглинає лише активна складова кожного опору.
P = 3·Iph²·R = 3·16²·24 = 18,43 kW
Відповідь
P = 18,43 kW
Перевірка: cos φ = R/|Z| = 0,96, і √3·VL·IL·cos φ дає ту саму потужність.
14.Трифазні системи
Відповідь: Cph = 525,5 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 = 50·tan(acos 0,72) = 50·0,9639 = 48,19 kvar
Q2 = 50·tan(acos 0,98) = 50·0,2031 = 10,15 kvar
Реактивна потужність від конденсаторів
QC = Q1 − Q2 = 38,04 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.
IHV = S/V = 10000/2400 = 4,167 A
Відповідь
IHV = 4,167 A
16.Трансформатори
Відповідь: Pcu,fl = 2302 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.