Ромб — це джерело струму, кероване напругою, що подає струм 0,05·VA (в A, де VA у V) угору у вузол B. Методом вузлових потенціалів знайдіть вузлову напругу VA (відносно землі).
Знайдіть напругу Тевенена Vth з боку затискачів a–b.
V1 = 9 VR1 = 12 ΩR2 = 15 ΩR3 = 6 Ω
Vth = V
6.Тевенен і НортонСкладна
Знайдіть напругу Тевенена Vth з боку затискачів a–b.
V1 = 10 VIs = 3 AR1 = 2 ΩR2 = 2 ΩR3 = 25 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 = 1 ms, у mJ.
Vs = 12 VR = 33 ΩL = 33 mHt = 1 ms
W = mJ
8.Перехідні процеси RC і RLСкладна
Таймер при t = 0 починає заряджати незаряджений конденсатор через резистор від джерела 9 V. Він має спрацювати, коли напруга на конденсаторі досягне 5,4 V, рівно через 50 ms після старту. При C = 2,2 µF знайдіть потрібний опір R.
Vs = 9 VVth = 5,4 VT = 50 msC = 2,2 µF
R = kΩ
9.Повний опір і комплексні амплітудиСередня
Послідовне коло RLC підключено до мережі 50 V (діюче значення), 100 Hz. Знайдіть діюче значення струму I.
V = 50 V (rms)f = 100 HzR = 60 ΩL = 200 mHC = 10 µF
I = A
10.Повний опір і комплексні амплітудиСкладна
Послідовне коло RLC підключено до мережі 10 V (діюче значення), 200 Hz. Знайдіть діюче значення напруги VC на конденсаторі.
V = 10 V (rms)f = 200 HzR = 80 ΩL = 50 mHC = 10 µF
VC = V
11.Потужність змінного струму й коефіцієнт потужностіСередня
До однофазної мережі 240 V паралельно під’єднано два навантаження: навантаження 23 kW з коефіцієнтом потужності 0,8 (індуктивним) і навантаження 14 kW з коефіцієнтом потужності 0,85 (індуктивним). Знайдіть загальний струм I, що споживається від мережі.
12.Потужність змінного струму й коефіцієнт потужностіСкладна
Однофазне навантаження споживає 30 kW при коефіцієнті потужності 0,75 (індуктивному) від мережі 230 V, 50 Hz. Паралельно підключений конденсатор підвищує коефіцієнт потужності до 0,9. Знайдіть потрібну ємність C.
P = 30 kWpf1 = 0,75pf2 = 0,9V = 230 Vf = 50 Hz
C = µF
13.Трифазні системиСередня
Симетричне навантаження, з’єднане трикутником, з повним опором 24 + j7 Ω на фазу підключене до симетричної трифазної мережі з лінійною напругою 208 V. Знайдіть сумарну активну потужність P, яку поглинає навантаження, у kW.
VL = 208 VZ = 24 + j7 Ω на фазу
P = kW
14.Трифазні системиСкладна
Симетричне трифазне навантаження споживає 60 kW при коефіцієнті потужності 0,65 (відстаючому) від мережі 690 V (лінійна напруга), 60 Hz. Трифазна конденсаторна батарея, підключена паралельно до навантаження, має підвищити загальний коефіцієнт потужності до 0,9 (відстаючого). Активна потужність не змінюється. Знайдіть сумарну реактивну потужність QC, яку має постачати конденсаторна батарея, у kvar.
P = 60 kWpf1 = 0,65pf2 = 0,9VL = 690 Vf = 60 Hz
QC = kvar
15.ТрансформаториСередня
Однофазний трансформатор 100 kVA, 6600/230 V працює з номінальним навантаженням. Вважайте його ідеальним. Знайдіть струм ILV в обмотці нижчої напруги.
S = 100 kVAV1 = 6600 VV2 = 230 V
ILV = A
16.ТрансформаториСкладна
Однофазний трансформатор 75 kVA має втрати в сталі 450 W і втрати в міді 1350 W при номінальному навантаженні. При якому навантаженні Sη,max, у kVA, його ККД найвищий?
S = 75 kVAPcore = 450 WPcu,fl = 1350 W
Sη,max = kVA
3Розчини
1.Послідовні й паралельні резистори
Відповідь: Req = 11,88 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 = 10 + 3 = 13 Ω
R2 ∥ 13 = 20·13/(20+13) = 7,879 Ω
Req = R1 + 7,879 = 4 + 7,879 = 11,88 Ω
Відповідь
Req = 11,88 Ω
2.Послідовні й паралельні резистори
Відповідь: IR1 = 0,8472 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 = 4 + 30 = 34 Ω
R4 ∥ 34 = 10,41 Ω
R3 + 10,41 = 18,41 Ω
R2 ∥ 18,41 = 1,804 Ω
Req = R1 + 1,804 = 10 + 1,804 = 11,8 Ω
Струм джерела
Джерело бачить лише Req, тож закон Ома дає струм, який воно віддає. Цей струм тече через R₁.
IR1 = V1/Req = 10/11,8 = 0,8472 A
Відповідь
IR1 = 0,8472 A
3.Метод вузлових потенціалів
Відповідь: PIs = 41,76 W
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 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/6 + (VA − 6)/10 + (VA − VB)/12 = 0
0,35·VA − 0,08333·VB = 0,6
ЗСК у вузлі B
Струми, що виходять із B через резистори, дорівнюють струму, який джерела подають у B.
Джерело подає Iₛ угору у вузол B, від землі (0 V) до VB. Джерело, струм якого виходить з його затискача +, віддає потужність P = V·I.
PIs = VB·Is = 10,44·4 = 41,76 W
Відповідь
PIs = 41,76 W
4.Метод вузлових потенціалів
Відповідь: VA = 3,822 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.
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
0,3317·VA − 0,1667·VB = 0,75
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.
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 = 12·15/(12+15) = 6,667 Ω
Rth = (R1 ∥ R2) + R3 = 6,667 + 6 = 12,67 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) = 9·15/(12+15) = 5 V
6.Тевенен і Нортон
Відповідь: Vth = 83 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 = 2·2/(2+2) = 1 Ω
Rth = (R1 ∥ R2) + R3 = 1 + 25 = 26 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 + 3·1 = 8 V
Vth = VB = VA + Is·R3 = 8 + 3·25 = 83 V
7.Перехідні процеси RC і RL
Відповідь: W = 0,8718 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 = 33 mH / 33 Ω = 1 ms
i(∞) = Vs/R = 12/33 = 0,3636 A
Струм у заданий момент
i(t) = 0,3636·(1 − e−1/1) = 0,2299 A
Накопичена енергія
W = ½·L·i² = ½·33·0,2299² = 0,8718 mJ
Відповідь
W = 0,8718 mJ
8.Перехідні процеси RC і RL
Відповідь: R = 24,8 kΩ
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.
Потрібна стала часу
5,4 = 9·(1 − e−50/τ) → τ = 50/ln(9/(9 − 5,4))
τ = 50/0,9163 = 54,57 ms
Опір
kΩ помножити на µF дає мілісекунди.
R = τ/C = 54,57/2,2 = 24,8 kΩ
Відповідь
R = 24,8 kΩ
9.Повний опір і комплексні амплітуди
Відповідь: I = 0,7276 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·100 = 628,3 rad/s
XL = ωL = 628,3·0,2 = 125,7 Ω
XC = 1/(ωC) = 1/(628,3·10·10⁻⁶) = 159,2 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| = 50/68,71 = 0,7276 A
Відповідь
I = 0,7276 A
10.Повний опір і комплексні амплітуди
Відповідь: VC = 9,736 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|.
Реактивні опори
ω = 2πf = 2π·200 = 1257 rad/s
XL = ωL = 1257·0,05 = 62,83 Ω
XC = 1/(ωC) = 1/(1257·10·10⁻⁶) = 79,58 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| = 10/81,73 = 0,1223 A
Напруга на конденсаторі
VC = I·XC = 0,1223·79,58 = 9,736 V
Відповідь
VC = 9,736 V
11.Потужність змінного струму й коефіцієнт потужності
Відповідь: I = 188,2 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 кожного навантаження
Індуктивне навантаження споживає реактивну потужність (Q > 0); ємнісне — віддає її (Q < 0).
Q1 = 23·tan(arccos 0,8) = 17,25 kvar
Q2 = 14·tan(arccos 0,85) = 8,676 kvar
Сумарні значення
P = 23 + 14 = 37 kW
Q = 17,25 + 8,676 = 25,93 kvar
S = √(37² + 25,93²) = 45,18 kVA
Загальний струм
I = S/V = 45179/240 = 188,2 A
Відповідь
I = 188,2 A
12.Потужність змінного струму й коефіцієнт потужності
Відповідь: C = 717,7 µF
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 = 30·tan(41,41°) = 26,46 kvar
Q2 = P·tan φ2 = 30·tan(25,84°) = 14,53 kvar
QC = Q1 − Q2 = 11,93 kvar
Ємність
Конденсатор, підключений до мережі, постачає Q = V²·ωC.
C = QC/(2πf·V²) = 11928/(2π·50·230²) = 717,7 µF
Відповідь
C = 717,7 µF
13.Трифазні системи
Відповідь: P = 4,984 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 = 208 V
Фазний струм
|Z| = √(24² + 7²) = 25 Ω
Iph = 208/25 = 8,32 A
Сумарна активна потужність
Активну потужність поглинає лише активна складова кожного опору.
P = 3·Iph²·R = 3·8,32²·24 = 4,984 kW
Відповідь
P = 4,984 kW
Перевірка: cos φ = R/|Z| = 0,96, і √3·VL·IL·cos φ дає ту саму потужність.
14.Трифазні системи
Відповідь: QC = 41,09 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 = 60·tan(acos 0,65) = 60·1,169 = 70,15 kvar
Q2 = 60·tan(acos 0,9) = 60·0,4843 = 29,06 kvar
Реактивна потужність від конденсаторів
QC = Q1 − Q2 = 41,09 kvar
Відповідь
QC = 41,09 kvar
15.Трансформатори
Відповідь: ILV = 434,8 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 = 100000/230 = 434,8 A
Відповідь
ILV = 434,8 A
16.Трансформатори
Відповідь: Sη,max = 43,3 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.