Một tải RL = 4 Ω được nối giữa a–b. Thay phần mạch còn lại bằng mạch tương đương Thévenin và tìm dòng qua tải IL.
V1 = 6 VR1 = 3 ΩR2 = 4 ΩR3 = 3 ΩRL = 4 Ω
IL = A
6.Thévenin và NortonKhó
Tìm dòng Norton IN: dòng điện chạy từ a đến b nếu nối tắt hai cực.
V1 = 12 VIs = 6 AR1 = 6 ΩR2 = 2 ΩR3 = 25 Ω
IN = A
7.Quá độ RC và RLTrung bình
Cuộn cảm không có dòng điện trước khi khóa đóng tại t = 0. Tìm năng lượng W tích trữ trong cuộn cảm tại t = 10 ms, theo mJ.
Vs = 15 VR = 10 ΩL = 68 mHt = 10 ms
W = mJ
8.Quá độ RC và RLKhó
Ngay trước khi khóa đóng tại t = 0, tụ điện giữ 4 V với cực tính như hình. Tìm điện áp tụ điện vC tại t = 120 ms.
Vs = 5 VR = 4,7 kΩC = 100 µFvC(0) = 4 Vt = 120 ms
vC = V
9.Tổng trở xoay chiều và phasorTrung bình
Một mạch RLC nối tiếp được nối với nguồn 100 V (hiệu dụng), 50 Hz. Tìm hệ số công suất cos φ của mạch.
V = 100 V (rms)f = 50 HzR = 30 ΩL = 50 mHC = 47 µF
cos φ =
10.Tổng trở xoay chiều và phasorKhó
Một mạch RLC nối tiếp được nối với nguồn 100 V (hiệu dụng), 100 Hz. Tìm dòng điện hiệu dụng I.
V = 100 V (rms)f = 100 HzR = 80 ΩL = 250 mHC = 47 µF
I = A
11.Công suất xoay chiều và hệ số công suấtTrung bình
Hai tải được mắc song song vào nguồn một pha 400 V: một tải 15 kW có hệ số công suất 0,7 trễ pha và một lò sưởi 16 kW (hệ số công suất bằng 1). Tìm hệ số công suất tổng cos φ mà nguồn nhìn thấy.
Một tải một pha lấy 26 kW với hệ số công suất 0,65 trễ pha từ nguồn 240 V, 60 Hz. Một tụ điện 470 µF được mắc song song với tải. Tìm dòng điện đường dây mới I.
P = 26 kWpf1 = 0,65V = 240 Vf = 60 HzC = 470 µF
I = A
13.Công suất ba phaTrung bình
Một động cơ cảm ứng ba pha cho công suất cơ đầu ra 15 kW khi đầy tải. Ở tải này hiệu suất của nó là 93% và hệ số công suất là 0,85 trễ. Nguồn có điện áp dây 400 V. Tìm dòng điện dây IL.
Pout = 15 kWη = 93%cos φ = 0,85VL = 400 V
IL = A
14.Công suất ba phaKhó
Một tải ba pha cân bằng lấy 250 kW với hệ số công suất 0,65 trễ từ nguồn 400 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 0,95 trễ. Công suất tác dụng giữ nguyên. Các tụ điện được nối sao (Y). Tìm điện dung Cph của mỗi tụ theo µF.
P = 250 kWpf1 = 0,65pf2 = 0,95VL = 400 Vf = 50 Hz
Cph = µF
15.Máy biến ápTrung bình
Một điện trở 5 Ω được nối qua cuộn thứ cấp của một máy biến áp lý tưởng có tỉ số vòng dây N₁:N₂ = 4:1. Tìm điện trở R1′ nhìn vào cuộn sơ cấp.
N1:N2 = 4:1RL = 5 Ω
R1′ = Ω
16.Máy biến ápKhó
Một máy biến áp một pha 200 kVA có tổn thất lõi 1000 W và tổn thất đồng 1500 W ở tải định mức. Nó cấp 75% kVA định mức với hệ số công suất 0,9 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 = 5 + 10 = 15 Ω
R2 ∥ 15 = 4·15/(4+15) = 3,158 Ω
Req = R1 + 3,158 = 2 + 3,158 = 5,158 Ω
Đáp số
Req = 5,158 Ω
2.Điện trở nối tiếp và song song
Đáp số: IR2 = 0,09435 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 = 5 + 10 = 15 Ω
R4 ∥ 15 = 8,571 Ω
R3 + 8,571 = 18,57 Ω
R2 ∥ 18,57 = 11,47 Ω
Req = R1 + 11,47 = 25 + 11,47 = 36,47 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 = 9/36,47 = 0,2468 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 − 0,2468·25 = 2,831 V
IR2 = VA/R2 = 2,831/30 = 0,09435 A
Đáp số
IR2 = 0,09435 A
3.Phương pháp điện thế nút
Đáp số: PIs = 53,57 W
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
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 − 15)/2 + (VA − VB)/5 = 0
0,825·VA − 0,2·VB = 7,5
KCL tại nút B
Dòng điện đi ra khỏi B qua các điện trở bằng dòng điện các nguồn đẩy vào B.
VB/R4 + (VB − VA)/R3 = Is
VB/20 + (VB − VA)/5 = 2,5
−0,2·VA + 0,25·VB = 2,5
Giải
Δ = (0,825)(0,25) − (−0,2)(−0,2) = 0,1662
VA = Δ1/Δ = 2,375/0,1662 = 14,29 V
VB = Δ2/Δ = 3,563/0,1662 = 21,43 V
Công suất do nguồn dòng cung cấp
Nguồn đẩy Iₛ lên vào nút B, từ đất (0 V) đến VB. Nguồn có dòng điện đi ra từ cực + của nó cung cấp công suất P = V·I.
PIs = VB·Is = 21,43·2,5 = 53,57 W
Đáp số
PIs = 53,57 W
4.Phương pháp điện thế nút
Đáp số: VB = 2,762 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.
Thiết lập các nút
Đất là dây dưới cùng. Các điện thế nút đã biết lấy thẳng từ các nguồn (V1 = 24 V, V2 = 5 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/R3 + (VA − V1)/R1 + (VA − VB)/R2 = 0
VA/20 + (VA − 24)/15 + (VA − VB)/10 = 0
0,2167·VA − 0,1·VB = 1,6
KCL tại nút B
Dòng điện đi ra khỏi B qua các điện trở bằng dòng điện các nguồn đẩy vào B.
VB/R5 + (VB − VA)/R2 + (VB − V2)/R4 = Is
VB/10 + (VB − VA)/10 + (VB − 5)/12 = (−0,5)
−0,1·VA + 0,2833·VB = −0,08333
Giải
Δ = (0,2167)(0,2833) − (−0,1)(−0,1) = 0,05139
VA = Δ1/Δ = 0,445/0,05139 = 8,659 V
VB = Δ2/Δ = 0,1419/0,05139 = 2,762 V
Đáp số
VB = 2,762 V
5.Thévenin và Norton
Đáp số: IL = 0,3934 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 = 3·4/(3+4) = 1,714 Ω
Rth = (R1 ∥ R2) + R3 = 1,714 + 3 = 4,714 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) = 6·4/(3+4) = 3,429 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) = 3,429/(4,714 + 4) = 0,3934 A
6.Thévenin và Norton
Đáp số: IN = 6,113 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 = 6·2/(6+2) = 1,5 Ω
Rth = (R1 ∥ R2) + R3 = 1,5 + 25 = 26,5 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 + 6·1,5 = 12 V
Vth = VB = VA + Is·R3 = 12 + 6·25 = 162 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 = 162/26,5 = 6,113 A
7.Quá độ RC và RL
Đáp số: W = 45,38 mJ
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 / 10 Ω = 6,8 ms
i(∞) = Vs/R = 15/10 = 1,5 A
Dòng điện tại thời điểm đã cho
i(t) = 1,5·(1 − e−10/6,8) = 1,155 A
Năng lượng tích trữ
W = ½·L·i² = ½·68·1,155² = 45,38 mJ
Đáp số
W = 45,38 mJ
8.Quá độ RC và RL
Đáp số: vC = 4,225 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) = 4 V, vC(∞) = Vs = 5 V
τ = R·C = 4,7 kΩ · 100 µF = 470 ms
vC(t) = 5 + (4 − 5)·e−t/τ
Điện áp tại thời điểm đã cho
vC(120) = 5 + (−1)·e−120/470 = 4,225 V
Đáp số
vC = 4,225 V
9.Tổng trở xoay chiều và phasor
Đáp số: cos φ = 0,4996
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 = 15,71 Ω, XC = 67,73 Ω
Tổng trở
|Z| = √(30² + (−52,02)²) = 60,05 Ω
Hệ số công suất
cos φ = R/|Z| = 30/60,05 = 0,4996
Mạch có tính dung kháng, nên hệ số công suất sớm pha.
Đáp số
cos φ = 0,4996
10.Tổng trở xoay chiều và phasor
Đáp số: I = 0,6807 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·100 = 628,3 rad/s
XL = ωL = 628,3·0,25 = 157,1 Ω
XC = 1/(ωC) = 1/(628,3·47·10⁻⁶) = 33,86 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| = 100/146,9 = 0,6807 A
Đáp số
I = 0,6807 A
11.Công suất xoay chiều và hệ số công suất
Đáp số: cos φ = 0,8967
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 mỗi tải
Tải trễ pha lấy công suất phản kháng (Q > 0); tải sớm pha cung cấp nó (Q < 0).
Q1 = 15·tan(arccos 0,7) = 15,3 kvar
Q2 = 0 = 0 kvar
Các tổng
P = 15 + 16 = 31 kW
Q = 15,3 + 0 = 15,3 kvar
S = √(31² + 15,3²) = 34,57 kVA
Hệ số công suất tổng
cos φ = P/S = 31/34,57 = 0,8967 trễ pha
Đáp số
cos φ = 0,8967
12.Công suất xoay chiều và hệ số công suất
Đáp số: I = 137,2 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 = 26·tan(arccos 0,65) = 30,4 kvar
QC = V²·2πf·C = 240²·2π·60·470·10⁻⁶ = 10206 var = 10,21 kvar
Q2 = 30,4 − 10,21 = 20,19 kvar
Công suất biểu kiến mới
S2 = √(26² + 20,19²) = 32,92 kVA
Dòng điện đường dây mới
I = S2/V = 32920/240 = 137,2 A
Đáp số
I = 137,2 A
13.Công suất ba pha
Đáp số: IL = 27,39 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 = 15/0,93 = 16,13 kW
Dòng điện đường dây
IL = Pin/(√3·VL·cos φ) = 16129/(√3·400·0,85) = 27,39 A
Đáp số
IL = 27,39 A
14.Công suất ba pha
Đáp số: Cph = 4180 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 = 250·tan(acos 0,65) = 250·1,169 = 292,3 kvar
Q2 = 250·tan(acos 0,95) = 250·0,3287 = 82,17 kvar
Công suất phản kháng từ các tụ điện
QC = Q1 − Q2 = 210,1 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.
Điện trở quy đổi
Điện áp tăng a lần và dòng điện giảm a lần, nên tỉ số V/I tăng a² lần.
R1′ = a²·RL = 4²·5 = 80 Ω
Đáp số
R1′ = 80 Ω
16.Máy biến áp
Đáp số: Ploss = 1844 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.