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 VA (đo so với đất).
Cuộn cảm không có dòng điện trước khi khóa đóng tại t = 0. Sau khi khóa đóng bao lâu thì dòng điện đạt 90% giá trị cuối? Tìm t.
Vs = 5 VR = 10 ΩL = 47 mH
t = ms
8.Quá độ RC và RLKhó
Một mạch định thời bắt đầu nạp một tụ điện chưa tích điện qua một điện trở từ nguồn 15 V tại t = 0. Nó phải kích hoạt khi điện áp tụ điện đạt 11,25 V, đúng 20 ms sau khi bắt đầu. Với C = 4,7 µF, tìm điện trở R cần thiết.
Vs = 15 VVth = 11,25 VT = 20 msC = 4,7 µF
R = kΩ
9.Tổng trở xoay chiều và phasorTrung bình
Một mạch RLC nối tiếp được nối với nguồn 230 V (hiệu dụng), 200 Hz. Tìm góc pha φ của tổng trở, theo độ (dương khi dòng điện trễ pha so với điện áp).
V = 230 V (rms)f = 200 HzR = 20 ΩL = 200 mHC = 4,7 µF
φ = °
10.Tổng trở xoay chiều và phasorKhó
Một mạch RLC nối tiếp có R = 15 Ω, L = 100 mH và C = 10 µF. Tìm độ rộng băng thông B (độ rộng của dải giữa các tần số nửa công suất), theo Hz.
R = 15 ΩL = 100 mHC = 10 µF
B = Hz
11.Công suất xoay chiều và hệ số công suấtTrung bình
Một tải có trở kháng Z = 3 + j4 Ω được nối với nguồn một pha 230 V (hiệu dụng). Tìm công suất thực P mà nó hấp thụ.
V = 230 VZ = 3 + j4 Ω
P = W
12.Công suất xoay chiều và hệ số công suấtKhó
Một nguồn 12 V (hiệu dụng), 50 Hz có trở kháng trong Zs = 8 + j3 Ω. Trở kháng tải ZL có thể được chọn tự do. Tải cho công suất cực đại được tạo từ một điện trở nối tiếp với một tụ điện. Tìm điện dung C.
Vs = 12 V (rms)f = 50 HzZs = 8 + j3 Ω
C = µF
13.Công suất ba phaTrung bình
Một tải ba pha cân bằng lấy dòng điện dây 40 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 = 40 Acos φ = 0,92
P = kW
14.Công suất ba phaKhó
Một tải ba pha cân bằng lấy 120 kW với hệ số công suất 0,75 trễ từ nguồn 415 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 0,9 trễ. Công suất tác dụng giữ nguyên. Các tụ điện được nối sao (Y). Tìm điện dung Cph của mỗi tụ theo µF.
P = 120 kWpf1 = 0,75pf2 = 0,9VL = 415 Vf = 60 Hz
Cph = µF
15.Máy biến ápTrung bình
Một máy biến áp một pha 250 kVA, 7200/240 V làm việc ở tải định mức. Coi nó là lý tưởng. Tìm dòng điện IHV trong cuộn cao áp.
S = 250 kVAV1 = 7200 VV2 = 240 V
IHV = A
16.Máy biến ápKhó
Một máy biến áp một pha 100 kVA có tổn thất lõi 300 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 = 100 kVAPcore = 300 WPcu,fl = 1200 W
Sη,max = kVA
3Dung dịch
1.Điện trở nối tiếp và song song
Đáp số: Req = 9 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 + 6 = 12 Ω
R2 ∥ 12 = 12·12/(12+12) = 6 Ω
Req = R1 + 6 = 3 + 6 = 9 Ω
Đáp số
Req = 9 Ω
2.Điện trở nối tiếp và song song
Đáp số: IR1 = 0,771 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 = 25 + 2 = 27 Ω
R4 ∥ 27 = 6,171 Ω
R3 + 6,171 = 26,17 Ω
R2 ∥ 26,17 = 6,127 Ω
Req = R1 + 6,127 = 25 + 6,127 = 31,13 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 = 24/31,13 = 0,771 A
Đáp số
IR1 = 0,771 A
3.Phương pháp điện thế nút
Đáp số: IR3 = −0,1463 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 = 18 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/4 + (VA − 18)/3 + (VA − VB)/2 = 0
1,083·VA − 0,5·VB = 6
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
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
0,3567·VA − 0,04·VB = 1,6
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
−0,29·VA + 0,54·VB = 0
Giải
Δ = (0,3567)(0,54) − (−0,04)(−0,29) = 0,181
VA = Δ1/Δ = 0,864/0,181 = 4,773 V
VB = Δ2/Δ = 0,464/0,181 = 2,564 V
Đáp số
VA = 4,773 V
5.Thévenin và Norton
Đáp số: Vth = 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 + 10 = 11,5 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) = 10·3/(3+3) = 5 V
6.Thévenin và Norton
Đáp số: Vth = −21,2 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 = 12·3/(12+3) = 2,4 Ω
Rth = (R1 ∥ R2) + R3 = 2,4 + 5 = 7,4 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) = 1 + (−3)·2,4 = −6,2 V
Vth = VB = VA + Is·R3 = −6,2 + (−3)·5 = −21,2 V
7.Quá độ RC và RL
Đáp số: t = 10,82 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 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 = 47 mH / 10 Ω = 4,7 ms
i(∞) = Vs/R = 5/10 = 0,5 A
Giải tìm thời gian
0,9 = 1 − e−t/τ → t = −τ·ln(1 − 0,9)
t = −4,7·ln(0,1) = 10,82 ms
Đáp số
t = 10,82 ms
8.Quá độ RC và RL
Đáp số: R = 3,07 kΩ
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.
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
ω = 2πf = 2π·200 = 1257 rad/s
XL = ωL = 1257·0,2 = 251,3 Ω
XC = 1/(ωC) = 1/(1257·4,7·10⁻⁶) = 169,3 Ω
Tổng trở
Khi nối tiếp, các tổng trở cộng như số phức: Z = R + j(XL − XC).
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|.
Tần số cộng hưởng
f0 = 1/(2π·√(0,1·10·10⁻⁶)) = 159,2 Hz
Hệ số phẩm chất
Q so sánh điện kháng tại cộng hưởng với điện trở: Q = ω₀L/R.
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
|Z| = √(3² + 4²) = 5 Ω
I = V/|Z| = 230/5 = 46 A
Công suất tác dụng
P = I²·R = 46²·3 = 6348 W
Đáp số
P = 6348 W
12.Công suất xoay chiều và hệ số công suất
Đáp số: C = 1061 µF
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.
Phối hợp liên hợp
Điện kháng của tải triệt tiêu điện kháng của nguồn, và điện trở tải bằng điện trở nguồn.
ZL = Zs* = 8 − j3 Ω
Điện dung
XC = 3 Ω → C = 1/(2π·50·3) = 1061 µF
Đáp số
C = 1061 µF
13.Công suất ba pha
Đáp số: P = 26,45 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 = √3·415·40 = 28,75 kVA
Công suất tác dụng
P = S·cos φ = 28,75·0,92 = 26,45 kW
Đáp số
P = 26,45 kW
14.Công suất ba pha
Đáp số: Cph = 734,8 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 = 120·tan(acos 0,75) = 120·0,8819 = 105,8 kvar
Q2 = 120·tan(acos 0,9) = 120·0,4843 = 58,12 kvar
Công suất phản kháng từ các tụ điện
QC = Q1 − Q2 = 47,71 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.
IHV = S/V = 250000/7200 = 34,72 A
Đáp số
IHV = 34,72 A
16.Máy biến áp
Đáp số: Sη,max = 50 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.