Nguồn áp Vₛ giữa A và B có cực + ở B, nên nó cho VB − VA = Vₛ. Dùng phương pháp điện thế nút với siêu nút để tìm dòng điện Ix qua nguồn áp, từ A đến B như mũi tên chỉ.
Is = 5 AVs = 10 VR1 = 3 ΩR2 = 6 Ω
Ix = A
4.Phương pháp điện thế nútKhó
Nguồn áp Vₛ giữa A và B có cực + ở A, nên nó cho VA − VB = Vₛ. Dùng phương pháp điện thế nút với siêu nút để tìm điện thế nút VA (đo so với đất).
V1 = 6 VIs = 6 AVs = 8 VR1 = 6 ΩR2 = 15 ΩR3 = 3 Ω
VA = V
5.Thévenin và NortonTrung bình
Một tải RL = 6 Ω được nối giữa a–b. Thay phần mạch còn lại bằng mạch tương đương Thévenin và tìm dòng qua tải IL.
V1 = 30 VR1 = 3 ΩR2 = 5 ΩR3 = 10 ΩRL = 6 Ω
IL = A
6.Thévenin và NortonKhó
Tìm dòng Norton IN: dòng điện chạy từ a đến b nếu nối tắt hai cực.
V1 = 5 VIs = 1,5 AR1 = 10 ΩR2 = 10 ΩR3 = 12 Ω
IN = A
7.Quá độ RC và RLTrung bình
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 = 12 VR = 50 ΩL = 68 mH
t = ms
8.Quá độ RC và RLKhó
Ngay trước khi khóa đóng tại t = 0, tụ điện giữ 5 V với cực tính như hình. Mất bao lâu để vC đạt 11 V? Tìm t.
Vs = 20 VR = 4,7 kΩC = 47 µFvC(0) = 5 V
t = ms
9.Tổng trở xoay chiều và phasorTrung bình
Một mạch RLC nối tiếp được nối với nguồn 12 V (hiệu dụng), 500 Hz. Tìm dòng điện hiệu dụng I.
V = 12 V (rms)f = 500 HzR = 40 ΩL = 50 mHC = 10 µF
I = A
10.Tổng trở xoay chiều và phasorKhó
Một mạch RLC nối tiếp được kích bởi nguồn 10 V (hiệu dụng) có tần số đặt bằng tần số cộng hưởng của mạch. Tìm điện áp hiệu dụng VL trên cuộn cảm.
V = 10 V (rms)R = 15 ΩL = 50 mHC = 0,1 µF
VL = V
11.Công suất xoay chiều và hệ số công suấtTrung bình
Một tải cảm kháng lấy 16,5 A và 1188 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 = 16,5 AP = 1188 W
R = Ω
12.Công suất xoay chiều và hệ số công suấtKhó
Một nguồn 10 V (hiệu dụng), 1000 Hz có trở kháng trong Zs = 5 + j5 Ω. Trở kháng tải ZL có thể được chọn tự do. Tìm công suất thực lớn nhất Pmax có thể cấp cho tải.
Vs = 10 V (rms)f = 1000 HzZs = 5 + j5 Ω
Pmax = W
13.Công suất ba phaTrung bình
Một động cơ cảm ứng ba pha cho công suất cơ đầu ra 110 kW khi đầy tải. Ở tải này hiệu suất của nó là 88% và hệ số công suất là 0,88 trễ. Nguồn có điện áp dây 400 V. Tìm dòng điện dây IL.
Pout = 110 kWη = 88%cos φ = 0,88VL = 400 V
IL = A
14.Công suất ba phaKhó
Một tải ba pha cân bằng lấy 150 kW với hệ số công suất 0,65 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. Tìm tổng công suất phản kháng QC mà bộ tụ điện phải cung cấp, theo kvar.
P = 150 kWpf1 = 0,65pf2 = 0,92VL = 480 Vf = 60 Hz
QC = kvar
15.Máy biến ápTrung bình
Một máy biến áp lý tưởng có tỉ số vòng dây N₁:N₂ = 20:1 được đặt 2400 V vào cuộn sơ cấp. Một điện trở 4 Ω được nối qua cuộn thứ cấp. Tìm dòng điện sơ cấp I1.
N1:N2 = 20:1V1 = 2400 VRL = 4 Ω
I1 = A
16.Máy biến ápKhó
Một máy biến áp một pha 75 kVA có tổn thất lõi 600 W và tổn thất đồng 1500 W ở tải định mức. Nó cấp 50% kVA định mức với hệ số công suất 0,85 trễ. Tìm tổng tổn thất Ploss theo watt ở tải này.
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 + 12 = 15 Ω
R2 ∥ 15 = 20·15/(20+15) = 8,571 Ω
Req = R1 + 8,571 = 4 + 8,571 = 12,57 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 = 9/12,57 = 0,7159 A
Dòng điện qua R₂
Trừ độ sụt áp trên R₁ để có điện áp tại nút A, cũng là điện áp trên R₂.
VA = V1 − IR1·R1 = 9 − 0,7159·4 = 6,136 V
IR2 = VA/R2 = 6,136/20 = 0,3068 A
Đáp số
IR2 = 0,3068 A
2.Điện trở nối tiếp và song song
Đáp số: Req = 14,49 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 = 20 + 20 = 40 Ω
R4 ∥ 40 = 6,667 Ω
R3 + 6,667 = 14,67 Ω
R2 ∥ 14,67 = 2,491 Ω
Req = R1 + 2,491 = 12 + 2,491 = 14,49 Ω
Đáp số
Req = 14,49 Ω
3.Phương pháp điện thế nút
Đáp số: Ix = 2,778 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.
Lập siêu nút
Nguồn áp giữa A và B mang một dòng điện chưa biết, nên không thể viết KCL riêng tại A hoặc B. Hãy bao A, B và nguồn thành một siêu nút: dòng điện đi vào nó bằng dòng điện đi ra.
VB = VA + Vs = VA + 10
VA/R1 + VB/R2 = Is
Giải
VA/3 + (VA + 10)/6 = 5
VA = (5 − 10/6)/(1/3 + 1/6) = 6,667 V
VB = 6,667 + 10 = 16,67 V
Dòng điện qua nguồn áp
Mọi dòng điện đi qua nguồn từ A đến B rời nút B qua R₂.
Ix = VB/R2 = 16,67/6 = 2,778 A
Đáp số
Ix = 2,778 A
Kết quả âm nghĩa là dòng điện thực chảy ngược chiều mũi tên.
4.Phương pháp điện thế nút
Đáp số: VA = 17,06 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.
Lập siêu nút
Nguồn áp giữa A và B mang một dòng điện chưa biết, nên không thể viết KCL riêng tại A hoặc B. Hãy bao A, B và nguồn thành một siêu nút: dòng điện đi vào nó bằng dòng điện đi ra.
VB = VA − 8
(VA − V1)/R1 + VA/R2 + VB/R3 = Is
Giải
(VA − 6)/6 + VA/15 + (VA − 8)/3 = 6
VA·(1/6 + 1/15 + 1/3) = 6 + 6/6 + 8/3 = 9,667
VA = 9,667/0,5667 = 17,06 V
VB = 9,059 V
Đáp số
VA = 17,06 V
5.Thévenin và Norton
Đáp số: IL = 1,049 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 = 3·5/(3+5) = 1,875 Ω
Rth = (R1 ∥ R2) + R3 = 1,875 + 10 = 11,88 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) = 30·5/(3+5) = 18,75 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) = 18,75/(11,88 + 6) = 1,049 A
6.Thévenin và Norton
Đáp số: IN = 1,647 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 = 10·10/(10+10) = 5 Ω
Rth = (R1 ∥ R2) + R3 = 5 + 12 = 17 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) = 2,5 + 1,5·5 = 10 V
Vth = VB = VA + Is·R3 = 10 + 1,5·12 = 28 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 = 28/17 = 1,647 A
7.Quá độ RC và RL
Đáp số: t = 3,132 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 = 68 mH / 50 Ω = 1,36 ms
i(∞) = Vs/R = 12/50 = 0,24 A
Giải tìm thời gian
0,9 = 1 − e−t/τ → t = −τ·ln(1 − 0,9)
t = −1,36·ln(0,1) = 3,132 ms
Đáp số
t = 3,132 ms
8.Quá độ RC và RL
Đáp số: t = 112,8 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
Điện áp tụ điện không thể nhảy vọt, nên nó bắt đầu từ giá trị đã tích và hướng tới điện áp nguồn.
t = τ·ln((5 − 20)/(11 − 20)) = 220,9·ln(1,667) = 112,8 ms
Đáp số
t = 112,8 ms
9.Tổng trở xoay chiều và phasor
Đáp số: I = 0,09127 A
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·500 = 3142 rad/s
XL = ωL = 3142·0,05 = 157,1 Ω
XC = 1/(ωC) = 1/(3142·10·10⁻⁶) = 31,83 Ω
Tổng trở
Khi nối tiếp, các tổng trở cộng như số phức: Z = R + j(XL − XC).
Cùng một dòng điện chạy qua mọi phần tử của mạch nối tiếp.
I = V/|Z| = 12/131,5 = 0,09127 A
Đáp số
I = 0,09127 A
10.Tổng trở xoay chiều và phasor
Đáp số: VL = 471,4 V
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
Tại cộng hưởng các điện kháng triệt tiêu, nên trở kháng chỉ là R.
ω₀ = 1/√(LC) = 1/√(0,05·0,1·10⁻⁶) = 14142 rad/s
I = V/R = 10/15 = 0,6667 A
Điện áp trên cuộn cảm
XL = ω₀L = 14142·0,05 = 707,1 Ω
VL = I·XL = 0,6667·707,1 = 471,4 V
Đáp số
VL = 471,4 V
Đây là Q = 47,14 lần điện áp nguồn.
11.Công suất xoay chiều và hệ số công suất
Đáp số: R = 4,364 Ω
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 = 1188/16,5² = 4,364 Ω
Đáp số
R = 4,364 Ω
12.Công suất xoay chiều và hệ số công suất
Đáp số: Pmax = 5 W
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* = 5 − j5 Ω
Công suất cực đại
I = Vs/(2Rs) = 10/10 = 1 A
Pmax = I²·RL = Vs²/(4Rs) = 10²/(4·5) = 5 W
Đáp số
Pmax = 5 W
13.Công suất ba pha
Đáp số: IL = 205 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 = 110/0,88 = 125 kW
Dòng điện đường dây
IL = Pin/(√3·VL·cos φ) = 125000/(√3·400·0,88) = 205 A
Đáp số
IL = 205 A
14.Công suất ba pha
Đáp số: QC = 111,5 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 = 150·tan(acos 0,65) = 150·1,169 = 175,4 kvar
Q2 = 150·tan(acos 0,92) = 150·0,426 = 63,9 kvar
Công suất phản kháng từ các tụ điện
QC = Q1 − Q2 = 111,5 kvar
Đáp số
QC = 111,5 kvar
15.Máy biến áp
Đáp số: I1 = 1,5 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.
Điện áp và dòng điện thứ cấp
V2 = 2400/20 = 120 V
I2 = 120/4 = 30 A
Dòng điện sơ cấp
Máy biến áp lý tưởng không có tổn thất: V₁·I₁ = V₂·I₂.
I1 = I2/20 = 1,5 A
Đáp số
I1 = 1,5 A
Kiểm tra: tải nhìn từ sơ cấp là a²·RL = 1600 Ω, và 2400/1600 cho cùng dòng điện.
16.Máy biến áp
Đáp số: Ploss = 975 W
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.