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. Скільки часу потрібно, щоб струм зменшився до 0,5 A? Знайдіть t.
i(0) = 2,5 AR = 50 ΩL = 100 mH
t = ms
8.Перехідні процеси RC і RLСкладна
Безпосередньо перед замиканням вимикача в момент t = 0 конденсатор має 20 V з указаною полярністю. За який час vC досягне 13 V? Знайдіть t.
Vs = 10 VR = 1 kΩC = 10 µFvC(0) = 20 V
t = ms
9.Повний опір і комплексні амплітудиСередня
Резистор і котушку з’єднано паралельно й під’єднано до мережі 24 V (діюче значення), 100 Hz. Знайдіть діюче значення струму I.
V = 24 V (rms)f = 100 HzR = 40 ΩL = 20 mH
I = A
10.Повний опір і комплексні амплітудиСкладна
Послідовне RLC-коло живиться від джерела 1 V (діюче значення), частоту якого встановлено рівною резонансній частоті кола. Знайдіть діюче значення напруги VL на котушці.
V = 1 V (rms)R = 10 ΩL = 100 mHC = 0,47 µF
VL = V
11.Потужність змінного струму й коефіцієнт потужностіСередня
Однофазний двигун споживає 9 kW при коефіцієнті потужності 0,9 (індуктивному) від мережі 400 V. Знайдіть струм лінії I.
P = 9 kWpf = 0,9V = 400 V
I = A
12.Потужність змінного струму й коефіцієнт потужностіСкладна
Однофазне навантаження споживає 40 kW при коефіцієнті потужності 0,6 (індуктивному) від мережі 400 V, 50 Hz. Паралельно підключений конденсатор підвищує коефіцієнт потужності до 0,95. Знайдіть реактивну потужність QC, яку має постачати конденсатор.
P = 40 kWpf1 = 0,6pf2 = 0,95V = 400 Vf = 50 Hz
QC = kvar
13.Трифазні системиСередня
Трифазний асинхронний двигун при повному навантаженні розвиває механічну потужність 15 kW. При цьому навантаженні його ККД становить 90%, а коефіцієнт потужності 0,9, відстаючий. Лінійна напруга мережі 400 V. Знайдіть лінійний струм IL.
Pout = 15 kWη = 90%cos φ = 0,9VL = 400 V
IL = A
14.Трифазні системиСкладна
Симетричне трифазне навантаження споживає 120 kW при коефіцієнті потужності 0,78 (відстаючому) від мережі 480 V (лінійна напруга), 60 Hz. Трифазна конденсаторна батарея, підключена паралельно до навантаження, має підвищити загальний коефіцієнт потужності до 0,92 (відстаючого). Активна потужність не змінюється. Знайдіть сумарну реактивну потужність QC, яку має постачати конденсаторна батарея, у kvar.
P = 120 kWpf1 = 0,78pf2 = 0,92VL = 480 Vf = 60 Hz
QC = kvar
15.ТрансформаториСередня
До первинної обмотки ідеального трансформатора з коефіцієнтом трансформації N₁:N₂ = 10:1 прикладено 2300 V. До вторинної обмотки підключено резистор 60 Ω. Знайдіть первинний струм I1.
N1:N2 = 10:1V1 = 2300 VRL = 60 Ω
I1 = A
16.ТрансформаториСкладна
Однофазний трансформатор 200 kVA має втрати в сталі 600 W і втрати в міді 1800 W при номінальному навантаженні. При якому навантаженні Sη,max, у kVA, його ККД найвищий?
S = 200 kVAPcore = 600 WPcu,fl = 1800 W
Sη,max = kVA
3Розчини
1.Послідовні й паралельні резистори
Відповідь: Req = 19,5 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 + 8 = 12 Ω
R2 ∥ 12 = 20·12/(20+12) = 7,5 Ω
Req = R1 + 7,5 = 12 + 7,5 = 19,5 Ω
Відповідь
Req = 19,5 Ω
2.Послідовні й паралельні резистори
Відповідь: Req = 18,59 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 = 6 + 3 = 9 Ω
R4 ∥ 9 = 3,6 Ω
R3 + 3,6 = 5,6 Ω
R2 ∥ 5,6 = 3,59 Ω
Req = R1 + 3,59 = 15 + 3,59 = 18,59 Ω
Відповідь
Req = 18,59 Ω
3.Метод вузлових потенціалів
Відповідь: I2 = 1,714 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 − 6)/2 + (VA − 18)/3 + (VA − 18)/3 = 0
Знайдіть VA
VA = (6/2 + 18/3 + 18/3) / (1/2 + 1/3 + 1/3) = 15/1,167 = 12,86 V
Струм гілки
Стрілка спрямована вгору вздовж вітки, у вузол A.
I2 = (18 − VA)/R2 = (18 − 12,86)/3 = 1,714 A
Відповідь
I2 = 1,714 A
Від’ємний результат означає, що дійсний струм тече проти стрілки.
4.Метод вузлових потенціалів
Відповідь: VB = 2,687 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 = 30 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/5 + (VA − 30)/5 + (VA − VB)/25 = 0
0,44·VA − 0,04·VB = 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/10 + (VB − VA)/25 + (VB − (−30))/15 = 2
−0,04·VA + 0,2067·VB = 0
Розв’яжіть
Δ = (0,44)(0,2067) − (−0,04)(−0,04) = 0,08933
VA = Δ1/Δ = 1,24/0,08933 = 13,88 V
VB = Δ2/Δ = 0,24/0,08933 = 2,687 V
Відповідь
VB = 2,687 V
5.Тевенен і Нортон
Відповідь: Vth = 4,444 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 = 10·8/(10+8) = 4,444 Ω
Rth = (R1 ∥ R2) + R3 = 4,444 + 5 = 9,444 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) = 10·8/(10+8) = 4,444 V
6.Тевенен і Нортон
Відповідь: PL = 15,81 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 = 6·5/(6+5) = 2,727 Ω
Rth = (R1 ∥ R2) + R3 = 2,727 + 3 = 5,727 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) = 5,455 + 2,5·2,727 = 12,27 V
Vth = VB = VA + Is·R3 = 12,27 + 2,5·3 = 19,77 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) = 19,77/(5,727 + 10) = 1,257 A
PL = IL²·RL = 1,257²·10 = 15,81 W
7.Перехідні процеси RC і RL
Відповідь: t = 3,219 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
τ = L/R = 100 mH / 50 Ω = 2 ms
Виразіть час
0,5 = 2,5·e−t/τ → t = τ·ln(2,5/0,5)
t = 2·ln(5) = 3,219 ms
Відповідь
t = 3,219 ms
8.Перехідні процеси RC і RL
Відповідь: t = 12,04 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((20 − 10)/(13 − 10)) = 10·ln(3,333) = 12,04 ms
Відповідь
t = 12,04 ms
9.Повний опір і комплексні амплітуди
Відповідь: I = 2,002 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|.
Реактивний опір
XL = ωL = 2π·100·0,02 = 12,57 Ω
Струми віток
Обидві вітки під’єднано безпосередньо до мережі, тож на кожній повна напруга V.
IR = V/R = 24/40 = 0,6 A
IX = V/XL = 24/12,57 = 1,91 A
Загальний струм
Струм резистора збігається за фазою з V, а реактивний струм зсунутий на 90°, тож вони додаються як катети прямокутного трикутника.
I = √(IR² + IX²) = √(0,6² + 1,91²) = 2,002 A
Відповідь
I = 2,002 A
10.Повний опір і комплексні амплітуди
Відповідь: VL = 46,13 V
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/√(0,1·0,47·10⁻⁶) = 4613 rad/s
I = V/R = 1/10 = 0,1 A
Напруга на котушці
XL = ω₀L = 4613·0,1 = 461,3 Ω
VL = I·XL = 0,1·461,3 = 46,13 V
Відповідь
VL = 46,13 V
Це в Q = 46,13 разів більше за напругу мережі.
11.Потужність змінного струму й коефіцієнт потужності
Відповідь: I = 25 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) = 9000/(400·0,9) = 25 A
Відповідь
I = 25 A
12.Потужність змінного струму й коефіцієнт потужності
Відповідь: QC = 40,19 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 = 40·tan(53,13°) = 53,33 kvar
Q2 = P·tan φ2 = 40·tan(18,19°) = 13,15 kvar
QC = Q1 − Q2 = 40,19 kvar
Відповідь
QC = 40,19 kvar
13.Трифазні системи
Відповідь: IL = 26,73 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 = 15/0,9 = 16,67 kW
Струм лінії
IL = Pin/(√3·VL·cos φ) = 16667/(√3·400·0,9) = 26,73 A
Відповідь
IL = 26,73 A
14.Трифазні системи
Відповідь: QC = 45,15 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 = 120·tan(acos 0,78) = 120·0,8023 = 96,27 kvar
Q2 = 120·tan(acos 0,92) = 120·0,426 = 51,12 kvar
Реактивна потужність від конденсаторів
QC = Q1 − Q2 = 45,15 kvar
Відповідь
QC = 45,15 kvar
15.Трансформатори
Відповідь: I1 = 0,3833 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.
Вторинні напруга й струм
V2 = 2300/10 = 230 V
I2 = 230/60 = 3,833 A
Первинний струм
Ідеальний трансформатор не має втрат: V₁·I₁ = V₂·I₂.
I1 = I2/10 = 0,3833 A
Відповідь
I1 = 0,3833 A
Перевірка: навантаження з боку первинної обмотки a²·RL = 6000 Ω, і 2300/6000 дає той самий струм.
16.Трансформатори
Відповідь: Sη,max = 115,5 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.