Cuộn cảm không có dòng điện trước khi khóa đóng tại t = 0. Tìm điện áp vL trên cuộn cảm tại t = 1 ms.
Vs = 15 VR = 68 ΩL = 22 mHt = 1 ms
vL = V
8.Quá độ RC và RLKhó
Ngay trước khi khóa đóng tại t = 0, tụ điện giữ 20 V với cực tính như hình. Tìm điện áp tụ điện vC tại t = 25 ms.
Vs = 9 VR = 1 kΩC = 22 µFvC(0) = 20 Vt = 25 ms
vC = V
9.Tổng trở xoay chiều và phasorTrung bình
Một điện trở và một tụ điện được mắc song song qua nguồn 100 V (hiệu dụng), 100 Hz. Tìm góc pha φ của tổng trở, theo độ (dương khi dòng điện trễ pha so với điện áp).
V = 100 V (rms)f = 100 HzR = 100 ΩC = 22 µF
φ = °
10.Tổng trở xoay chiều và phasorKhó
Một mạch RLC nối tiếp được nối với nguồn 50 V (hiệu dụng), 100 Hz. Tìm tần số cộng hưởng f0 của mạch.
V = 50 V (rms)f = 100 HzR = 80 ΩL = 20 mHC = 4,7 µF
f0 = Hz
11.Công suất xoay chiều và hệ số công suấtTrung bình
Một động cơ một pha tiêu thụ 20 kW với hệ số công suất 0,75 trễ từ nguồn 240 V. Tìm dòng điện đường dây I.
P = 20 kWpf = 0,75V = 240 V
I = A
12.Công suất xoay chiều và hệ số công suấtKhó
Một tải một pha lấy 26 kW với hệ số công suất 0,75 trễ pha từ nguồn 240 V, 60 Hz. Một tụ điện 470 µF được mắc song song với tải. Tìm hệ số công suất mới cos φ mà nguồn nhìn thấy.
P = 26 kWpf1 = 0,75V = 240 Vf = 60 HzC = 470 µF
cos φ =
13.Công suất ba phaTrung bình
Một động cơ cảm ứng ba pha cho công suất cơ đầu ra 22 kW khi đầy tải. Ở tải này hiệu suất của nó là 90% và hệ số công suất là 0,82 trễ. Nguồn có điện áp dây 400 V. Tìm dòng điện dây IL.
Pout = 22 kWη = 90%cos φ = 0,82VL = 400 V
IL = A
14.Công suất ba phaKhó
Một tải ba pha cân bằng lấy 100 kW với hệ số công suất 0,8 trễ từ nguồn 400 V (điện áp dây), 60 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. Tìm tổng công suất phản kháng QC mà bộ tụ điện phải cung cấp, theo kvar.
P = 100 kWpf1 = 0,8pf2 = 0,98VL = 400 Vf = 60 Hz
QC = kvar
15.Máy biến ápTrung bình
Một máy biến áp một pha 150 kVA, 11000/400 V làm việc ở tải định mức. Coi nó là lý tưởng. Tìm dòng điện IHV trong cuộn cao áp.
S = 150 kVAV1 = 11000 VV2 = 400 V
IHV = A
16.Máy biến ápKhó
Một máy biến áp một pha 200 kVA có tổn thất lõi 800 W và tổn thất đồng 1200 W ở tải định mức. Ở tải nào Sη,max, theo kVA, hiệu suất của nó cao nhất?
S = 200 kVAPcore = 800 WPcu,fl = 1200 W
Sη,max = kVA
3Dung dịch
1.Điện trở nối tiếp và song song
Đáp số: Req = 16,75 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 = 8 + 6 = 14 Ω
R2 ∥ 14 = 2·14/(2+14) = 1,75 Ω
Req = R1 + 1,75 = 15 + 1,75 = 16,75 Ω
Đáp số
Req = 16,75 Ω
2.Điện trở nối tiếp và song song
Đáp số: IR1 = 0,7232 A
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 = 8 + 12 = 20 Ω
R4 ∥ 20 = 4 Ω
R3 + 4 = 10 Ω
R2 ∥ 10 = 4,444 Ω
Req = R1 + 4,444 = 8 + 4,444 = 12,44 Ω
Dòng điện từ nguồn
Nguồn chỉ thấy Req, nên định luật Ohm cho ra dòng điện nó cung cấp. Dòng điện đó chạy qua R₁.
IR1 = V1/Req = 9/12,44 = 0,7232 A
Đáp số
IR1 = 0,7232 A
3.Phương pháp điện thế nút
Đáp số: IR1 = 1,59 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 = 30 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 − 30)/15 + (VA − VB)/6 = 0
0,7333·VA − 0,1667·VB = 2
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
(6 − 5)/8 + 6/8 = (VB − 6)/25
0,875 = (VB − 6)/25 → VB = 27,88 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 = (27,88 − 6)/25 + 27,88/20 = 2,269 A
Đáp số
Is = 2,269 A
5.Thévenin và Norton
Đáp số: Rth = 4,333 Ω
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 = 2·4/(2+4) = 1,333 Ω
Rth = (R1 ∥ R2) + R3 = 1,333 + 3 = 4,333 Ω
6.Thévenin và Norton
Đáp số: IL = 1,375 A
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 = 30·5/(30+5) = 4,286 Ω
Rth = (R1 ∥ R2) + R3 = 4,286 + 12 = 16,29 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) = 0,7143 + 1,5·4,286 = 7,143 V
Vth = VB = VA + Is·R3 = 7,143 + 1,5·12 = 25,14 V
Nối tải vào mạch tương đương Thévenin
Nguồn Thévenin nối tiếp với R_th hoạt động giống hệt mạch gốc tại a–b, nên tải thấy một mạch vòng nối tiếp đơn giản.
IL = Vth/(Rth + RL) = 25,14/(16,29 + 2) = 1,375 A
7.Quá độ RC và RL
Đáp số: vL = 0,6819 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.
Hằng số thời gian và dòng điện cuối
Rất lâu sau khi khóa đóng, cuộn cảm hoạt động như ngắn mạch, nên dòng điện cuối chỉ do R quyết định.
τ = L/R = 22 mH / 68 Ω = 0,3235 ms
i(∞) = Vs/R = 15/68 = 0,2206 A
Điện áp cuộn cảm
Tại t = 0, toàn bộ điện áp nguồn xuất hiện trên cuộn cảm; sau đó nó giảm dần về không.
vL(t) = Vs·e−t/τ = 15·e−1/0,3235 = 0,6819 V
Đáp số
vL = 0,6819 V
8.Quá độ RC và RL
Đáp số: vC = 12,53 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.
Giá trị đầu, giá trị cuối, hằng số thời gian
Điện áp tụ điện không thể nhảy vọt, nên nó bắt đầu từ giá trị đã tích và hướng tới điện áp nguồn.
vC(0) = 20 V, vC(∞) = Vs = 9 V
τ = R·C = 1 kΩ · 22 µF = 22 ms
vC(t) = 9 + (20 − 9)·e−t/τ
Điện áp tại thời điểm đã cho
vC(25) = 9 + (11)·e−25/22 = 12,53 V
Đáp số
vC = 12,53 V
9.Tổng trở xoay chiều và phasor
Đáp số: φ = −54,12 °
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|.
Điện kháng
XC = 1/(ωC) = 1/(2π·100·22·10⁻⁶) = 72,34 Ω
Các dòng điện nhánh
Cả hai nhánh được nối thẳng qua nguồn, nên mỗi nhánh chịu toàn bộ điện áp V.
IR = V/R = 100/100 = 1 A
IX = V/XC = 100/72,34 = 1,382 A
Tổng dòng điện
Dòng điện qua điện trở cùng pha với V và dòng điện kháng lệch pha 90°, nên chúng cộng lại như các cạnh của một tam giác vuông.
I = √(IR² + IX²) = √(1² + 1,382²) = 1,706 A
Góc pha
Dòng điện tụ điện sớm pha so với V, nên tổng dòng điện sớm pha và góc là số âm.
φ = −arctan(IX/IR) = −arctan(1,382/1) = −54,12°
Đáp số
φ = −54,12°
10.Tổng trở xoay chiều và phasor
Đáp số: f0 = 519,1 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.
Dòng điện đường dây
Chỉ phần công suất tác dụng sinh công, nên hãy chia cho hệ số công suất.
I = P/(V·cos φ) = 20000/(240·0,75) = 111,1 A
Đáp số
I = 111,1 A
12.Công suất xoay chiều và hệ số công suất
Đáp số: cos φ = 0,8982
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 = 26·tan(arccos 0,75) = 22,93 kvar
QC = V²·2πf·C = 240²·2π·60·470·10⁻⁶ = 10206 var = 10,21 kvar
Q2 = 22,93 − 10,21 = 12,72 kvar
Công suất biểu kiến mới
S2 = √(26² + 12,72²) = 28,95 kVA
Hệ số công suất mới
cos φ = P/S2 = 26/28,95 = 0,8982
Đáp số
cos φ = 0,8982
13.Công suất ba pha
Đáp số: IL = 43,03 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 = 22/0,9 = 24,44 kW
Dòng điện đường dây
IL = Pin/(√3·VL·cos φ) = 24444/(√3·400·0,82) = 43,03 A
Đáp số
IL = 43,03 A
14.Công suất ba pha
Đáp số: QC = 54,69 kvar
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 = 100·tan(acos 0,8) = 100·0,75 = 75 kvar
Q2 = 100·tan(acos 0,98) = 100·0,2031 = 20,31 kvar
Công suất phản kháng từ các tụ điện
QC = Q1 − Q2 = 54,69 kvar
Đáp số
QC = 54,69 kvar
15.Máy biến áp
Đáp số: IHV = 13,64 A
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 = 150000/11000 = 13,64 A
Đáp số
IHV = 13,64 A
16.Máy biến áp
Đáp số: Sη,max = 163,3 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.