Hình thoi là nguồn dòng điều khiển bằng điện áp, đẩy dòng điện 0,25·VA (tính bằng A, với VA tính bằng V) lên vào nút B. Dùng phương pháp điện thế nút để tìm điện thế nút VB (đo so với đất).
Cuộn cảm không có dòng điện trước khi khóa đóng tại t = 0. Tìm điện áp vL trên cuộn cảm tại t = 40 ms.
Vs = 12 VR = 10 ΩL = 220 mHt = 40 ms
vL = V
8.Quá độ RC và RLKhó
Công tắc mắc song song với R2 đã đóng trong một thời gian dài, nên dòng điện cuộn cảm ổn định. Tại t = 0 công tắc mở. Sau t = 0 bao lâu thì dòng điện cuộn cảm đạt 1,326 A? Tìm t.
Vs = 24 VR1 = 15 ΩR2 = 20 ΩL = 33 mH
t = ms
9.Tổng trở xoay chiều và phasorTrung bình
Một mạch RLC nối tiếp được nối với nguồn 100 V (hiệu dụng), 200 Hz. Tìm hệ số công suất cos φ của mạch.
V = 100 V (rms)f = 200 HzR = 100 ΩL = 150 mHC = 2,2 µF
cos φ =
10.Tổng trở xoay chiều và phasorKhó
Một mạch RLC nối tiếp được nối với nguồn 230 V (hiệu dụng), 500 Hz. Tìm tần số cộng hưởng f0 của mạch.
V = 230 V (rms)f = 500 HzR = 25 ΩL = 20 mHC = 22 µF
f0 = Hz
11.Công suất xoay chiều và hệ số công suấtTrung bình
Một tải cảm kháng lấy 13,5 A và 1296 W từ nguồn một pha 120 V (hiệu dụng). Mô hình hóa nó như một điện trở R nối tiếp với một điện kháng X. Tìm R.
V = 120 VI = 13,5 AP = 1296 W
R = Ω
12.Công suất xoay chiều và hệ số công suấtKhó
Một máy biến áp một pha 200 kVA cấp cho một tải 80 kW với hệ số công suất 0,75 trễ pha. Có thể thêm bao nhiêu công suất thực ΔP dưới dạng tải điện trở (hệ số công suất bằng 1) trước khi máy biến áp đạt định mức kVA?
Smax = 200 kVAP1 = 80 kWpf1 = 0,75
ΔP = kW
13.Công suất ba phaTrung bình
Một tải ba pha cân bằng lấy dòng điện dây 20 A từ nguồn có điện áp dây 415 V. Hệ số công suất là 0,92 trễ. Tìm tổng công suất tác dụng P mà tải tiêu thụ, theo kW.
VL = 415 VIL = 20 Acos φ = 0,92
P = kW
14.Công suất ba phaKhó
Một tải ba pha cân bằng lấy 50 kW với hệ số công suất 0,8 trễ từ nguồn 480 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 0,92 trễ. Công suất tác dụng giữ nguyên. Các tụ điện được nối sao (Y). Tìm điện dung Cph của mỗi tụ theo µF.
P = 50 kWpf1 = 0,8pf2 = 0,92VL = 480 Vf = 60 Hz
Cph = µF
15.Máy biến ápTrung bình
Một máy biến áp một pha 50 kVA, 10000/400 V làm việc ở tải định mức. Coi nó là lý tưởng. Tìm dòng điện ILV trong cuộn hạ áp.
S = 50 kVAV1 = 10000 VV2 = 400 V
ILV = A
16.Máy biến ápKhó
Một máy biến áp một pha 75 kVA có tổn thất lõi 300 W và tổn thất đồng 450 W ở tải định mức. Ở tải nào Sη,max, theo kVA, hiệu suất của nó cao nhất?
S = 75 kVAPcore = 300 WPcu,fl = 450 W
Sη,max = kVA
3Dung dịch
1.Điện trở nối tiếp và song song
Đáp số: IR1 = 1,537 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.
R3 + R4 = 12 + 4 = 16 Ω
R2 ∥ 16 = 5·16/(5+16) = 3,81 Ω
Req = R1 + 3,81 = 4 + 3,81 = 7,81 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 = 12/7,81 = 1,537 A
Đáp số
IR1 = 1,537 A
2.Điện trở nối tiếp và song song
Đáp số: IR1 = 2,439 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 = 3 + 6 = 9 Ω
R4 ∥ 9 = 1,636 Ω
R3 + 1,636 = 21,64 Ω
R2 ∥ 21,64 = 6,839 Ω
Req = R1 + 6,839 = 3 + 6,839 = 9,839 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 = 24/9,839 = 2,439 A
Đáp số
IR1 = 2,439 A
3.Phương pháp điện thế nút
Đáp số: I2 = 1,392 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.
KCL tại nút A
Lấy dây phía dưới làm đất. Mỗi nhánh mang dòng (VA − Vk)/Rk ra khỏi A, trong đó Vk là điện áp của nguồn trong nhánh (bằng không với điện trở thuần). Tổng các dòng điện rời khỏi A bằng không.
(VA − (−10))/20 + (VA − 18)/5 + (VA − 9)/6 = 0
Giải tìm VA
VA = ((−10)/20 + 18/5 + 9/6) / (1/20 + 1/5 + 1/6) = 4,6/0,4167 = 11,04 V
Dòng điện nhánh
Mũi tên hướng lên qua nhánh, vào nút A.
I2 = (18 − VA)/R2 = (18 − 11,04)/5 = 1,392 A
Đáp số
I2 = 1,392 A
Kết quả âm nghĩa là dòng điện thực chảy ngược chiều mũi tên.
4.Phương pháp điện thế nút
Đáp số: VB = 6,396 V
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
Các dòng điện rời khỏi A qua các điện trở bằng dòng điện do các nguồn đẩy vào A.
(VA − V1)/R1 + VA/R2 + (VA − VB)/R3 = 0
0,3333·VA − 0,1·VB = 2
KCL tại nút B
Nguồn phụ thuộc đẩy g·VA vào nút B. Hãy coi nó như nguồn độc lập, rồi chuyển số hạng VA sang vế trái.
(VB − VA)/R3 + VB/R4 = 0,25·VA
−0,35·VA + 0,4333·VB = 0
Giải
Δ = (0,3333)(0,4333) − (−0,1)(−0,35) = 0,1094
VA = Δ1/Δ = 0,8667/0,1094 = 7,919 V
VB = Δ2/Δ = 0,7/0,1094 = 6,396 V
Đáp số
VB = 6,396 V
5.Thévenin và Norton
Đáp số: Rth = 13 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 = 20·20/(20+20) = 10 Ω
Rth = (R1 ∥ R2) + R3 = 10 + 3 = 13 Ω
6.Thévenin và Norton
Đáp số: IL = −0,3784 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 = 6·4/(6+4) = 2,4 Ω
Rth = (R1 ∥ R2) + R3 = 2,4 + 12 = 14,4 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) = 12 + (−2)·2,4 = 7,2 V
Vth = VB = VA + Is·R3 = 7,2 + (−2)·12 = −16,8 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) = −16,8/(14,4 + 30) = −0,3784 A
7.Quá độ RC và RL
Đáp số: vL = 1,948 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 = 220 mH / 10 Ω = 22 ms
i(∞) = Vs/R = 12/10 = 1,2 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 = 12·e−40/22 = 1,948 V
Đáp số
vL = 1,948 V
8.Quá độ RC và RL
Đáp số: t = 0,3359 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.
Giá trị đầu, giá trị cuối, hằng số thời gian
Trước t = 0, công tắc đóng nối tắt R₂; sau đó R₁ và R₂ đều ở trong vòng.
i(0) = 24/15 = 1,6 A
i(∞) = 24/(15 + 20) = 0,6857 A
τ = L/R = 33/35 = 0,9429 ms
i(t) = 0,6857 + (1,6 − 0,6857)·e−t/τ
Giải tìm thời gian
e−t/τ = (1,326 − 0,6857)/(1,6 − 0,6857) = 0,7003
t = 0,9429·ln(1,428) = 0,3359 ms
Đáp số
t = 0,3359 ms
9.Tổng trở xoay chiều và phasor
Đáp số: cos φ = 0,5
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
XL = 188,5 Ω, XC = 361,7 Ω
Tổng trở
|Z| = √(100² + (−173,2)²) = 200 Ω
Hệ số công suất
cos φ = R/|Z| = 100/200 = 0,5
Mạch có tính dung kháng, nên hệ số công suất sớm pha.
Đáp số
cos φ = 0,5
10.Tổng trở xoay chiều và phasor
Đáp số: f0 = 239,9 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.
Điện trở từ công suất thực
R = P/I² = 1296/13,5² = 7,111 Ω
Đáp số
R = 7,111 Ω
12.Công suất xoay chiều và hệ số công suất
Đáp số: ΔP = 107,1 kW
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 tải hiện có
Q1 = 80·tan(arccos 0,75) = 70,55 kvar
Tổng công suất thực lớn nhất
Ở định mức đầy đủ S = Smax, và Q không đổi do tải điện trở.
P = √(Smax² − Q1²) = √(200² − 70,55²) = 187,1 kW
Công suất thực thêm vào
ΔP = 187,1 − 80 = 107,1 kW
Đáp số
ΔP = 107,1 kW
13.Công suất ba pha
Đáp số: P = 13,23 kW
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 biểu kiến
S = √3·VL·IL = √3·415·20 = 14,38 kVA
Công suất tác dụng
P = S·cos φ = 14,38·0,92 = 13,23 kW
Đáp số
P = 13,23 kW
14.Công suất ba pha
Đáp số: Cph = 186,5 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 = 50·tan(acos 0,8) = 50·0,75 = 37,5 kvar
Q2 = 50·tan(acos 0,92) = 50·0,426 = 21,3 kvar
Công suất phản kháng từ các tụ điện
QC = Q1 − Q2 = 16,2 kvar
Điện dung mỗi pha
Trong bộ nối sao (Y), mỗi tụ được nối giữa một dây pha và điểm sao.
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.
ILV = S/V = 50000/400 = 125 A
Đáp số
ILV = 125 A
16.Máy biến áp
Đáp số: Sη,max = 61,24 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.