Cuộn cảm mang dòng điện ổn định 1,5 A. Tại t = 0 công tắc đóng vòng qua R và nguồn bị gỡ bỏ, nên dòng điện cuộn cảm giảm dần qua R. Mất bao lâu để dòng điện giảm xuống 0,375 A? Tìm t.
i(0) = 1,5 AR = 47 ΩL = 150 mH
t = ms
8.Quá độ RC và RLKhó
Công tắc đã đóng trong một thời gian dài, nên mạch ở trạng thái xác lập. Tại t = 0 công tắc mở. Tìm điện áp tụ điện vC tại t = 100 ms.
Vs = 24 VR1 = 2,2 kΩR2 = 1 kΩC = 47 µFt = 100 ms
vC = V
9.Tổng trở xoay chiều và phasorTrung bình
Một mạch RLC nối tiếp với L = 50 mH phải cộng hưởng ở 500 Hz. Tìm điện dung C cần thiết.
f0 = 500 HzL = 50 mH
C = µF
10.Tổng trở xoay chiều và phasorKhó
Một mạch RLC nối tiếp được nối với nguồn 120 V (hiệu dụng), 50 Hz. Tìm tần số cộng hưởng f0 của mạch.
V = 120 V (rms)f = 50 HzR = 40 ΩL = 250 mHC = 100 µF
f0 = Hz
11.Công suất xoay chiều và hệ số công suấtTrung bình
Hai tải được mắc song song vào nguồn một pha 400 V: một tải 4 kW có hệ số công suất 0,6 trễ pha và một lò sưởi 13 kW (hệ số công suất bằng 1). Tìm hệ số công suất tổng cos φ mà nguồn nhìn thấy.
Một tải một pha lấy 15 kW với hệ số công suất 0,7 trễ pha từ nguồn 230 V, 60 Hz. Một tụ điện 220 µF được mắc song song với tải. Tìm dòng điện đường dây mới I.
P = 15 kWpf1 = 0,7V = 230 Vf = 60 HzC = 220 µF
I = A
13.Công suất ba phaTrung bình
Một động cơ cảm ứng ba pha cho công suất cơ đầu ra 75 kW khi đầy tải. Ở tải này hiệu suất của nó là 93% và hệ số công suất là 0,85 trễ. Nguồn có điện áp dây 400 V. Tìm dòng điện dây IL.
Pout = 75 kWη = 93%cos φ = 0,85VL = 400 V
IL = A
14.Công suất ba phaKhó
Một tải ba pha cân bằng lấy 75 kW với hệ số công suất 0,8 trễ từ nguồn 415 V (điện áp dây), 50 Hz. Một bộ tụ điện ba pha mắc song song với tải phải nâng hệ số công suất tổng lên 0,98 trễ. Công suất tác dụng giữ nguyên. Các tụ điện được nối tam giác (Δ). Tìm điện dung Cph của mỗi tụ theo µF.
P = 75 kWpf1 = 0,8pf2 = 0,98VL = 415 Vf = 50 Hz
Cph = µF
15.Máy biến ápTrung bình
Một máy biến áp một pha 25 kVA, 4160/480 V làm việc ở tải định mức. Coi nó là lý tưởng. Tìm dòng điện IHV trong cuộn cao áp.
S = 25 kVAV1 = 4160 VV2 = 480 V
IHV = A
16.Máy biến ápKhó
Một máy biến áp một pha 250 kVA có tổn thất lõi 1000 W và tổn thất đồng 3000 W ở tải định mức. Ở tải nào Sη,max, theo kVA, hiệu suất của nó cao nhất?
S = 250 kVAPcore = 1000 WPcu,fl = 3000 W
Sη,max = kVA
3Dung dịch
1.Điện trở nối tiếp và song song
Đáp số: Req = 12,21 Ω
Điện trở nối tiếp và song song: khi nối tiếp, cùng một dòng điện chạy qua mỗi điện trở và R = R₁ + R₂ + …. Khi song song, mỗi điện trở có cùng điện áp và 1/R = 1/R₁ + 1/R₂ + …. Mạch hình thang được rút gọn từng cặp một cho đến khi còn một điện trở tương đương duy nhất.
Gộp các điện trở từ đầu xa
Bắt đầu từ đầu xa nguồn nhất và làm ngược về phía nguồn. Các điện trở có cùng dòng điện thì mắc nối tiếp; các điện trở nối giữa cùng hai nút thì mắc song song.
R3 + R4 = 6 + 20 = 26 Ω
R2 ∥ 26 = 12·26/(12+26) = 8,211 Ω
Req = R1 + 8,211 = 4 + 8,211 = 12,21 Ω
Đáp số
Req = 12,21 Ω
2.Điện trở nối tiếp và song song
Đáp số: Req = 24,31 Ω
Điện trở nối tiếp và song song: khi nối tiếp, cùng một dòng điện chạy qua mỗi điện trở và R = R₁ + R₂ + …. Khi song song, mỗi điện trở có cùng điện áp và 1/R = 1/R₁ + 1/R₂ + …. Mạch hình thang được rút gọn từng cặp một cho đến khi còn một điện trở tương đương duy nhất.
Gộp các điện trở từ đầu xa
Bắt đầu từ đầu xa nguồn nhất và làm ngược về phía nguồn. Các điện trở có cùng dòng điện thì mắc nối tiếp; các điện trở nối giữa cùng hai nút thì mắc song song.
R5 + R6 = 10 + 8 = 18 Ω
R4 ∥ 18 = 6,429 Ω
R3 + 6,429 = 31,43 Ω
R2 ∥ 31,43 = 4,314 Ω
Req = R1 + 4,314 = 20 + 4,314 = 24,31 Ω
Đáp số
Req = 24,31 Ω
3.Phương pháp điện thế nút
Đáp số: IR3 = −0,1942 A
Phương pháp điện thế nút: chọn một nút tham chiếu, đặt tên các điện thế nút chưa biết, viết định luật dòng Kirchhoff tại mỗi nút chưa biết bằng định luật Ohm (I = ΔV/R), rồi giải hệ phương trình thu được.
Thiết lập các nút
Đất là dây dưới cùng. Các điện thế nút đã biết lấy thẳng từ các nguồn (V1 = 15 V). Ẩn số: VA, VB.
KCL tại nút A
Dòng điện đi ra khỏi A qua các điện trở bằng dòng điện các nguồn đẩy vào A.
VA/R2 + (VA − V1)/R1 + (VA − VB)/R3 = 0
VA/2 + (VA − 15)/12 + (VA − VB)/8 = 0
0,7083·VA − 0,125·VB = 1,25
KCL tại nút B
Dòng điện đi ra khỏi B qua các điện trở bằng dòng điện các nguồn đẩy vào B.
Phương pháp điện thế nút: chọn một nút tham chiếu, đặt tên các điện thế nút chưa biết, viết định luật dòng Kirchhoff tại mỗi nút chưa biết bằng định luật Ohm (I = ΔV/R), rồi giải hệ phương trình thu được.
KCL tại nút A
VA đã biết, nên phương trình này cho VB.
(VA − V1)/R1 + VA/R2 + (VA − VB)/R3 = 0
(13 − 10)/15 + 13/3 = (VB − 13)/2
4,533 = (VB − 13)/2 → VB = 22,07 V
KCL tại nút B
Các dòng điện rời khỏi B qua các điện trở bằng dòng điện do các nguồn đẩy vào B.
Is = (VB − VA)/R3 + VB/R4 = (22,07 − 13)/2 + 22,07/8 = 7,292 A
Đáp số
Is = 7,292 A
5.Thévenin và Norton
Đáp số: Vth = 27,27 V
Định lý Thévenin: mọi mạng tuyến tính hai cực đều hoạt động như một nguồn điện áp Vth duy nhất nối tiếp với điện trở Rth. Định lý Norton cho cùng mạng đó dưới dạng nguồn dòng IN = Vth/Rth song song với Rth.
Tìm Rth khi tắt mọi nguồn
Thay nguồn điện áp bằng ngắn mạch và nguồn dòng bằng hở mạch, rồi nhìn vào mạch từ a–b.
R1 ∥ R2 = 2·20/(2+20) = 1,818 Ω
Rth = (R1 ∥ R2) + R3 = 1,818 + 6 = 7,818 Ω
Tìm Vth, điện áp hở mạch
Khi a–b hở, không có dòng điện qua R₃, nên không có sụt áp trên nó và V_b = V_A. R₁ và R₂ tạo thành một cầu chia áp.
Vth = V1·R2/(R1+R2) = 30·20/(2+20) = 27,27 V
6.Thévenin và Norton
Đáp số: Vth = −20,5 V
Định lý Thévenin: mọi mạng tuyến tính hai cực đều hoạt động như một nguồn điện áp Vth duy nhất nối tiếp với điện trở Rth. Định lý Norton cho cùng mạng đó dưới dạng nguồn dòng IN = Vth/Rth song song với Rth.
Tìm Rth khi tắt mọi nguồn
Thay nguồn điện áp bằng ngắn mạch và nguồn dòng bằng hở mạch, rồi nhìn vào mạch từ a–b.
R1 ∥ R2 = 3·3/(3+3) = 1,5 Ω
Rth = (R1 ∥ R2) + R3 = 1,5 + 25 = 26,5 Ω
Tìm Vth, điện áp hở mạch
Khi a–b hở, đường duy nhất cho Iₛ là qua R₃ vào nút A. Tìm V_A bằng xếp chồng V₁ và Iₛ, rồi cộng thêm độ sụt áp trên R₃.
VA = V1·R2/(R1+R2) + Is·(R1∥R2) = 6 + (−1)·1,5 = 4,5 V
Vth = VB = VA + Is·R3 = 4,5 + (−1)·25 = −20,5 V
7.Quá độ RC và RL
Đáp số: t = 4,424 ms
Quá độ bậc nhất: trong mạch có một tụ điện hoặc một cuộn cảm, mọi điện áp và dòng điện biến thiên theo hàm mũ từ giá trị ban đầu đến giá trị cuối: x(t) = x(∞) + [x(0) − x(∞)]·e−t/τ, với τ = RC hoặc τ = L/R. Sau khoảng 5τ mạch đã ổn định.
Hằng số thời gian
τ = L/R = 150 mH / 47 Ω = 3,191 ms
Giải tìm thời gian
0,375 = 1,5·e−t/τ → t = τ·ln(1,5/0,375)
t = 3,191·ln(4) = 4,424 ms
Đáp số
t = 4,424 ms
8.Quá độ RC và RL
Đáp số: vC = 0,8934 V
Quá độ bậc nhất: trong mạch có một tụ điện hoặc một cuộn cảm, mọi điện áp và dòng điện biến thiên theo hàm mũ từ giá trị ban đầu đến giá trị cuối: x(t) = x(∞) + [x(0) − x(∞)]·e−t/τ, với τ = RC hoặc τ = L/R. Sau khoảng 5τ mạch đã ổn định.
Điện áp ban đầu của tụ điện
Ở trạng thái xác lập, tụ điện là mạch hở, nên R₁ và R₂ tạo thành bộ chia áp. Điện áp tụ điện không thể nhảy khi công tắc mở.
vC(0) = 24·1/(2,2 + 1) = 7,5 V
Hằng số thời gian sau khi công tắc mở
τ = R2·C = 1·47 = 47 ms
Sự phóng điện
vC(t) = 7,5·e−100/47 = 0,8934 V
Đáp số
vC = 0,8934 V
9.Tổng trở xoay chiều và phasor
Đáp số: C = 2,026 µF
Mạch xoay chiều với phasor: điện trở, cuộn cảm và tụ điện có tổng trở lần lượt là R, jωL và 1/(jωC), với ω = 2πf. Khi nối tiếp, các tổng trở cộng như điện trở, nhưng là số phức. Dòng điện và điện áp hiệu dụng tuân theo định luật Ohm với |Z|.
Điều kiện cộng hưởng
Tại cộng hưởng, cảm kháng và dung kháng triệt tiêu nhau: ωL = 1/(ωC).
ω₀ = 2π·500 = 3142 rad/s
C = 1/(ω₀²·L) = 1/(3142²·0,05) = 2,026 µF
Đáp số
C = 2,026 µF
10.Tổng trở xoay chiều và phasor
Đáp số: f0 = 31,83 Hz
Mạch xoay chiều với phasor: điện trở, cuộn cảm và tụ điện có tổng trở lần lượt là R, jωL và 1/(jωC), với ω = 2πf. Khi nối tiếp, các tổng trở cộng như điện trở, nhưng là số phức. Dòng điện và điện áp hiệu dụng tuân theo định luật Ohm với |Z|.
Cộng hưởng
Khi cộng hưởng, cảm kháng và dung kháng triệt tiêu nhau: ωL = 1/(ωC). Tần số nguồn không ảnh hưởng.
Công suất xoay chiều: công suất biểu kiến S = V·I (VA) tách thành công suất tác dụng P = S·cos φ (W), thực hiện công có ích, và công suất phản kháng Q = S·sin φ (var), dao động qua lại giữa nguồn và tải. Hệ số công suất là cos φ. Một tụ điện mắc song song cung cấp công suất phản kháng tại chỗ, nên dòng điện trên đường dây giảm với cùng công suất tác dụng.
Công suất phản kháng của mỗi tải
Tải trễ pha lấy công suất phản kháng (Q > 0); tải sớm pha cung cấp nó (Q < 0).
Q1 = 4·tan(arccos 0,6) = 5,333 kvar
Q2 = 0 = 0 kvar
Các tổng
P = 4 + 13 = 17 kW
Q = 5,333 + 0 = 5,333 kvar
S = √(17² + 5,333²) = 17,82 kVA
Hệ số công suất tổng
cos φ = P/S = 17/17,82 = 0,9541 trễ pha
Đáp số
cos φ = 0,9541
12.Công suất xoay chiều và hệ số công suất
Đáp số: I = 80,66 A
Công suất xoay chiều: công suất biểu kiến S = V·I (VA) tách thành công suất tác dụng P = S·cos φ (W), thực hiện công có ích, và công suất phản kháng Q = S·sin φ (var), dao động qua lại giữa nguồn và tải. Hệ số công suất là cos φ. Một tụ điện mắc song song cung cấp công suất phản kháng tại chỗ, nên dòng điện trên đường dây giảm với cùng công suất tác dụng.
Công suất phản kháng trước và sau
Công suất tác dụng P không đổi; chỉ công suất phản kháng lấy từ nguồn thay đổi.
Q1 = 15·tan(arccos 0,7) = 15,3 kvar
QC = V²·2πf·C = 230²·2π·60·220·10⁻⁶ = 4387 var = 4,387 kvar
Q2 = 15,3 − 4,387 = 10,92 kvar
Công suất biểu kiến mới
S2 = √(15² + 10,92²) = 18,55 kVA
Dòng điện đường dây mới
I = S2/V = 18551/230 = 80,66 A
Đáp số
I = 80,66 A
13.Công suất ba pha
Đáp số: IL = 136,9 A
Hệ ba pha cân bằng: trong nối sao (Y), điện áp dây bằng √3 lần điện áp pha, VL = √3·Vph, và dòng điện dây bằng dòng điện pha. Trong nối tam giác (Δ), điện áp dây bằng điện áp pha và dòng điện dây bằng √3 lần dòng điện pha, IL = √3·Iph. Tổng công suất bằng ba lần công suất của một pha: P = 3·Vph·Iph·cos φ = √3·VL·IL·cos φ.
Công suất điện đầu vào
Pin = Pout/η = 75/0,93 = 80,65 kW
Dòng điện đường dây
IL = Pin/(√3·VL·cos φ) = 80645/(√3·400·0,85) = 136,9 A
Đáp số
IL = 136,9 A
14.Công suất ba pha
Đáp số: Cph = 252,7 µF
Hệ ba pha cân bằng: trong nối sao (Y), điện áp dây bằng √3 lần điện áp pha, VL = √3·Vph, và dòng điện dây bằng dòng điện pha. Trong nối tam giác (Δ), điện áp dây bằng điện áp pha và dòng điện dây bằng √3 lần dòng điện pha, IL = √3·Iph. Tổng công suất bằng ba lần công suất của một pha: P = 3·Vph·Iph·cos φ = √3·VL·IL·cos φ. Bù hệ số công suất: tụ điện cung cấp công suất phản kháng tại chỗ, QC = P·(tan φ1 − tan φ2). Mỗi tụ trong ba tụ cung cấp QC/3 = V²·ω·C, trong đó V là điện áp trên tụ đó: VL trong bộ nối tam giác (Δ), VL/√3 trong bộ nối sao (Y).
Công suất phản kháng trước và sau
Công suất tác dụng không đổi, nên mỗi hệ số công suất xác định công suất phản kháng: Q = P·tan φ.
Q1 = 75·tan(acos 0,8) = 75·0,75 = 56,25 kvar
Q2 = 75·tan(acos 0,98) = 75·0,2031 = 15,23 kvar
Công suất phản kháng từ các tụ điện
QC = Q1 − Q2 = 41,02 kvar
Điện dung mỗi pha
Trong bộ nối tam giác (Δ), mỗi tụ được nối giữa hai dây pha.
Máy biến áp lý tưởng: điện áp tỉ lệ với số vòng dây và dòng điện theo tỉ lệ nghịch: V₁/V₂ = N₁/N₂ = a và I₁/I₂ = N₂/N₁ = 1/a, nên công suất vào bằng công suất ra, V₁·I₁ = V₂·I₂. Một tổng trở tải Z ở thứ cấp trông như a²·Z khi nhìn từ sơ cấp.
Dòng điện định mức
Cả hai cuộn dây mang cùng công suất biểu kiến.
IHV = S/V = 25000/4160 = 6,01 A
Đáp số
IHV = 6,01 A
16.Máy biến áp
Đáp số: Sη,max = 144,3 kVA
Tổn thất của máy biến áp: tổn thất lõi (từ trễ và dòng điện xoáy) phụ thuộc vào điện áp và như nhau ở mọi tải. Tổn thất đồng ở các cuộn dây tỉ lệ với bình phương dòng điện, nên ở một phần x của tải định mức nó là x²·Pcu,fl. Hiệu suất η = Pout/(Pout + Pcore + Pcu), với Pout = x·S·pf. Hiệu suất cao nhất ở tải mà tổn thất đồng bằng tổn thất lõi.