Hình thoi là nguồn dòng điều khiển bằng điện áp, đẩy dòng điện 0,1·VA (tính bằng A, với VA tính bằng V) lên vào nút B. Dùng phương pháp điện thế nút để tìm dòng điện IR4 chạy qua R4 theo chiều mũi tên.
Tìm dòng Norton IN: dòng điện chạy từ a đến b nếu nối tắt hai cực.
V1 = 5 VIs = 5 AR1 = 4 ΩR2 = 12 ΩR3 = 5 Ω
IN = A
7.Quá độ RC và RLTrung bình
Cuộn cảm mang dòng điện ổn định 2,5 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 0,5 A? Tìm t.
i(0) = 2,5 AR = 20 ΩL = 10 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 9 V, đúng 100 ms sau khi bắt đầu. Với C = 22 µF, tìm điện trở R cần thiết.
Vs = 15 VVth = 9 VT = 100 msC = 22 µF
R = kΩ
9.Tổng trở xoay chiều và phasorTrung bình
Một mạch RLC nối tiếp được nối với nguồn 120 V (hiệu dụng), 100 Hz. Tìm hệ số công suất cos φ của mạch.
V = 120 V (rms)f = 100 HzR = 80 ΩL = 20 mHC = 10 µF
cos φ =
10.Tổng trở xoay chiều và phasorKhó
Một mạch RLC nối tiếp được nối với nguồn 12 V (hiệu dụng), 1000 Hz. Tìm tần số cộng hưởng f0 của mạch.
V = 12 V (rms)f = 1000 HzR = 10 ΩL = 20 mHC = 10 µF
f0 = Hz
11.Công suất xoay chiều và hệ số công suấtTrung bình
Một động cơ một pha tiêu thụ 17 kW với hệ số công suất 0,65 trễ từ nguồn 240 V. Tìm công suất phản kháng Q mà nó tiêu thụ.
P = 17 kWpf = 0,65V = 240 V
Q = kvar
12.Công suất xoay chiều và hệ số công suấtKhó
Một tải một pha tiêu thụ 45 kW với hệ số công suất 0,65 trễ từ nguồn 400 V, 50 Hz. Một tụ điện mắc song song nâng hệ số công suất lên 0,92. Tìm dòng điện đường dây mới Inew.
P = 45 kWpf1 = 0,65pf2 = 0,92V = 400 Vf = 50 Hz
Inew = A
13.Công suất ba phaTrung bình
Một động cơ cảm ứng ba pha cho công suất cơ đầu ra 37 kW khi đầy tải. Ở tải này hiệu suất của nó là 88% và hệ số công suất là 0,9 trễ. Nguồn có điện áp dây 690 V. Tìm dòng điện dây IL.
Pout = 37 kWη = 88%cos φ = 0,9VL = 690 V
IL = A
14.Công suất ba phaKhó
Một tải ba pha cân bằng lấy 75 kW với hệ số công suất 0,75 trễ từ nguồn 690 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 0,9 trễ. Công suất tác dụng giữ nguyên. Tìm tổng công suất phản kháng QC mà bộ tụ điện phải cung cấp, theo kvar.
P = 75 kWpf1 = 0,75pf2 = 0,9VL = 690 Vf = 50 Hz
QC = kvar
15.Máy biến ápTrung bình
Một máy biến áp một pha 75 kVA, 4160/480 V làm việc ở tải định mức. Coi nó là lý tưởng. Tìm dòng điện ILV trong cuộn hạ áp.
S = 75 kVAV1 = 4160 VV2 = 480 V
ILV = A
16.Máy biến ápKhó
Một máy biến áp một pha 250 kVA có tổn thất lõi 1000 W và tổn thất đồng 1500 W ở tải định mức. Ở tải nào Sη,max, theo kVA, hiệu suất của nó cao nhất?
S = 250 kVAPcore = 1000 WPcu,fl = 1500 W
Sη,max = kVA
3Dung dịch
1.Điện trở nối tiếp và song song
Đáp số: IR1 = 1,888 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 = 3 + 8 = 11 Ω
R2 ∥ 11 = 3·11/(3+11) = 2,357 Ω
Req = R1 + 2,357 = 4 + 2,357 = 6,357 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 = 12/6,357 = 1,888 A
Đáp số
IR1 = 1,888 A
2.Điện trở nối tiếp và song song
Đáp số: IR1 = 0,8218 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 = 4 + 3 = 7 Ω
R4 ∥ 7 = 2,1 Ω
R3 + 2,1 = 7,1 Ω
R2 ∥ 7,1 = 3,252 Ω
Req = R1 + 3,252 = 15 + 3,252 = 18,25 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 = 15/18,25 = 0,8218 A
Đáp số
IR1 = 0,8218 A
3.Phương pháp điện thế nút
Đáp số: IR3 = −0,5373 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 = 24 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/8 + (VA − 24)/12 + (VA − VB)/10 = 0
0,3083·VA − 0,1·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
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
0,34·VA − 0,04·VB = 0,5
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 = 0,1·VA
−0,14·VA + 0,29·VB = 0
Giải
Δ = (0,34)(0,29) − (−0,04)(−0,14) = 0,093
VA = Δ1/Δ = 0,145/0,093 = 1,559 V
VB = Δ2/Δ = 0,07/0,093 = 0,7527 V
Dòng điện qua R₄
IR4 = VB/R4 = 0,7527/4 = 0,1882 A
Đáp số
IR4 = 0,1882 A
5.Thévenin và Norton
Đáp số: Rth = 6 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 = 4·4/(4+4) = 2 Ω
Rth = (R1 ∥ R2) + R3 = 2 + 4 = 6 Ω
6.Thévenin và Norton
Đáp số: IN = 5,469 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 = 4·12/(4+12) = 3 Ω
Rth = (R1 ∥ R2) + R3 = 3 + 5 = 8 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) = 3,75 + 5·3 = 18,75 V
Vth = VB = VA + Is·R3 = 18,75 + 5·5 = 43,75 V
Mạch tương đương Norton
Nguồn Norton là cùng mạch đó nhìn như một nguồn dòng song song với R_th. Dòng của nó là dòng ngắn mạch tại a–b.
IN = Vth/Rth = 43,75/8 = 5,469 A
7.Quá độ RC và RL
Đáp số: t = 0,8047 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 = 10 mH / 20 Ω = 0,5 ms
Giải tìm thời gian
0,5 = 2,5·e−t/τ → t = τ·ln(2,5/0,5)
t = 0,5·ln(5) = 0,8047 ms
Đáp số
t = 0,8047 ms
8.Quá độ RC và RL
Đáp số: R = 4,961 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.
Hằng số thời gian cần thiết
9 = 15·(1 − e−100/τ) → τ = 100/ln(15/(15 − 9))
τ = 100/0,9163 = 109,1 ms
Điện trở
kΩ nhân µF cho ra mili giây.
R = τ/C = 109,1/22 = 4,961 kΩ
Đáp số
R = 4,961 kΩ
9.Tổng trở xoay chiều và phasor
Đáp số: cos φ = 0,479
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 = 12,57 Ω, XC = 159,2 Ω
Tổng trở
|Z| = √(80² + (−146,6)²) = 167 Ω
Hệ số công suất
cos φ = R/|Z| = 80/167 = 0,479
Mạch có tính dung kháng, nên hệ số công suất sớm pha.
Đáp số
cos φ = 0,479
10.Tổng trở xoay chiều và phasor
Đáp số: f0 = 355,9 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.
Góc
φ = arccos(0,65) = 49,46°, tan φ = 1,169
Công suất phản kháng
Q = P·tan φ = 17·1,169 = 19,88 kvar
Đáp số
Q = 19,88 kvar
12.Công suất xoay chiều và hệ số công suất
Đáp số: Inew = 122,3 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 = P·tan φ1 = 45·tan(49,46°) = 52,61 kvar
Q2 = P·tan φ2 = 45·tan(23,07°) = 19,17 kvar
QC = Q1 − Q2 = 33,44 kvar
Dòng điện đường dây mới
Inew = P/(V·cos φ2) = 45000/(400·0,92) = 122,3 A
Đáp số
Inew = 122,3 A
13.Công suất ba pha
Đáp số: IL = 39,09 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 = 37/0,88 = 42,05 kW
Dòng điện đường dây
IL = Pin/(√3·VL·cos φ) = 42045/(√3·690·0,9) = 39,09 A
Đáp số
IL = 39,09 A
14.Công suất ba pha
Đáp số: QC = 29,82 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 = 75·tan(acos 0,75) = 75·0,8819 = 66,14 kvar
Q2 = 75·tan(acos 0,9) = 75·0,4843 = 36,32 kvar
Công suất phản kháng từ các tụ điện
QC = Q1 − Q2 = 29,82 kvar
Đáp số
QC = 29,82 kvar
15.Máy biến áp
Đáp số: ILV = 156,3 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.
ILV = S/V = 75000/480 = 156,3 A
Đáp số
ILV = 156,3 A
16.Máy biến áp
Đáp số: Sη,max = 204,1 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.