Cuộn cảm mang dòng điện ổn định 0,5 A. Tại t = 0 công tắc đóng vòng qua R và nguồn bị gỡ bỏ, nên dòng điện cuộn cảm giảm dần qua R. Tìm điện áp vR trên R tại t = 10 ms.
i(0) = 0,5 AR = 22 ΩL = 100 mHt = 10 ms
vR = V
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 = 50 ms.
Vs = 15 VR = 2,2 kΩC = 22 µFvC(0) = 4 Vt = 50 ms
vC = V
9.Tổng trở xoay chiều và phasorTrung bình
Một mạch RLC nối tiếp được nối với nguồn 50 V (hiệu dụng), 60 Hz. Tìm công suất thực P lấy từ nguồn.
V = 50 V (rms)f = 60 HzR = 40 ΩL = 250 mHC = 100 µF
P = W
10.Tổng trở xoay chiều và phasorKhó
Một mạch RLC nối tiếp được kích bởi nguồn 1 V (hiệu dụng) có tần số đặt bằng tần số cộng hưởng của mạch. Tìm điện áp hiệu dụng VL trên cuộn cảm.
V = 1 V (rms)R = 2 ΩL = 5 mHC = 2,2 µF
VL = V
11.Công suất xoay chiều và hệ số công suấtTrung bình
Một tải cảm kháng lấy 10 A và 1920 W từ nguồn một pha 240 V (hiệu dụng). Mô hình hóa nó như một điện trở R nối tiếp với một điện kháng X. Tìm X.
V = 240 VI = 10 AP = 1920 W
X = Ω
12.Công suất xoay chiều và hệ số công suấtKhó
Một tải một pha tiêu thụ 5 kW với hệ số công suất 0,8 trễ từ nguồn 240 V, 50 Hz. Một tụ điện mắc song song nâng hệ số công suất lên 0,9. Tìm công suất phản kháng QC mà tụ điện phải cung cấp.
P = 5 kWpf1 = 0,8pf2 = 0,9V = 240 Vf = 50 Hz
QC = kvar
13.Công suất ba phaTrung bình
Một tải nối tam giác (Δ) cân bằng có tổng trở 12 + j16 Ω mỗi pha được nối với nguồn ba pha cân bằng có điện áp dây 400 V. Tìm tổng công suất tác dụng P mà tải hấp thụ, theo kW.
VL = 400 VZ = 12 + j16 Ω mỗi pha
P = kW
14.Công suất ba phaKhó
Một tải ba pha cân bằng lấy 80 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 0,9 trễ. Công suất tác dụng giữ nguyên. Các tụ điện được nối tam giác (Δ). Tìm điện dung Cph của mỗi tụ theo µF.
P = 80 kWpf1 = 0,65pf2 = 0,9VL = 480 Vf = 60 Hz
Cph = µF
15.Máy biến ápTrung bình
Một máy biến áp một pha 10 kVA, 2400/240 V làm việc ở tải định mức. Coi nó là lý tưởng. Tìm dòng điện ILV trong cuộn hạ áp.
S = 10 kVAV1 = 2400 VV2 = 240 V
ILV = A
16.Máy biến ápKhó
Một máy biến áp một pha 50 kVA có tổn thất lõi 400 W và tổn thất đồng 1600 W ở tải định mức. Ở tải nào Sη,max, theo kVA, hiệu suất của nó cao nhất?
S = 50 kVAPcore = 400 WPcu,fl = 1600 W
Sη,max = kVA
3Dung dịch
1.Điện trở nối tiếp và song song
Đáp số: IR2 = 3,506 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 = 15 + 12 = 27 Ω
R2 ∥ 27 = 3·27/(3+27) = 2,7 Ω
Req = R1 + 2,7 = 5 + 2,7 = 7,7 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 = 30/7,7 = 3,896 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 = 30 − 3,896·5 = 10,52 V
IR2 = VA/R2 = 10,52/3 = 3,506 A
Đáp số
IR2 = 3,506 A
2.Điện trở nối tiếp và song song
Đáp số: Req = 29,61 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 = 30 + 20 = 50 Ω
R4 ∥ 50 = 4,545 Ω
R3 + 4,545 = 8,545 Ω
R2 ∥ 8,545 = 4,608 Ω
Req = R1 + 4,608 = 25 + 4,608 = 29,61 Ω
Đáp số
Req = 29,61 Ω
3.Phương pháp điện thế nút
Đáp số: VA = 16,33 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 = 30 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/5 + (VA − 30)/10 + (VA − VB)/8 = 0
0,425·VA − 0,125·VB = 3
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/15 + (VB − VA)/8 = 4
−0,125·VA + 0,1917·VB = 4
Giải
Δ = (0,425)(0,1917) − (−0,125)(−0,125) = 0,06583
VA = Δ1/Δ = 1,075/0,06583 = 16,33 V
VB = Δ2/Δ = 2,075/0,06583 = 31,52 V
Đáp số
VA = 16,33 V
4.Phương pháp điện thế nút
Đáp số: VA = 3,864 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 = 18 V, V2 = −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/R3 + (VA − V1)/R1 + (VA − VB)/R2 = 0
VA/10 + (VA − 18)/5 + (VA − VB)/5 = 0
0,5·VA − 0,2·VB = 3,6
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/8 + (VB − VA)/5 + (VB − (−18))/20 = (−3)
−0,2·VA + 0,375·VB = −3,9
Giải
Δ = (0,5)(0,375) − (−0,2)(−0,2) = 0,1475
VA = Δ1/Δ = 0,57/0,1475 = 3,864 V
VB = Δ2/Δ = −1,23/0,1475 = −8,339 V
Đáp số
VA = 3,864 V
5.Thévenin và Norton
Đáp số: Rth = 9,333 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 = 5·10/(5+10) = 3,333 Ω
Rth = (R1 ∥ R2) + R3 = 3,333 + 6 = 9,333 Ω
6.Thévenin và Norton
Đáp số: Vth = 24,46 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 = 6·20/(6+20) = 4,615 Ω
Rth = (R1 ∥ R2) + R3 = 4,615 + 3 = 7,615 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) = 9,231 + 2·4,615 = 18,46 V
Vth = VB = VA + Is·R3 = 18,46 + 2·3 = 24,46 V
7.Quá độ RC và RL
Đáp số: vR = 1,219 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
τ = L/R = 100 mH / 22 Ω = 4,545 ms
Sự giảm của dòng điện
i(t) = 0,5·e−10/4,545 = 0,0554 A
vR = R·i = 22·0,0554 = 1,219 V
Đáp số
vR = 1,219 V
8.Quá độ RC và RL
Đáp số: vC = 11,08 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 = 15 V
τ = R·C = 2,2 kΩ · 22 µF = 48,4 ms
vC(t) = 15 + (4 − 15)·e−t/τ
Điện áp tại thời điểm đã cho
vC(50) = 15 + (−11)·e−50/48,4 = 11,08 V
Đáp số
vC = 11,08 V
9.Tổng trở xoay chiều và phasor
Đáp số: P = 16,16 W
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 = 94,25 Ω, XC = 26,53 Ω
Tổng trở
|Z| = √(40² + (67,72)²) = 78,65 Ω
Công suất tác dụng
Cuộn cảm và tụ điện chỉ tích trữ và trả lại năng lượng; điện trở hấp thụ toàn bộ công suất thực.
I = 50/78,65 = 0,6357 A
P = I²·R = 0,6357²·40 = 16,16 W
Đáp số
P = 16,16 W
10.Tổng trở xoay chiều và phasor
Đáp số: VL = 23,84 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/√(0,005·2,2·10⁻⁶) = 9535 rad/s
I = V/R = 1/2 = 0,5 A
Điện áp trên cuộn cảm
XL = ω₀L = 9535·0,005 = 47,67 Ω
VL = I·XL = 0,5·47,67 = 23,84 V
Đáp số
VL = 23,84 V
Đây là Q = 23,84 lần điện áp nguồn.
11.Công suất xoay chiều và hệ số công suất
Đáp số: X = 14,4 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 = 1920/10² = 19,2 Ω
Điện kháng từ trở kháng
|Z| = V/I = 240/10 = 24 Ω
X = √(|Z|² − R²) = √(24² − 19,2²) = 14,4 Ω
Đáp số
X = 14,4 Ω
12.Công suất xoay chiều và hệ số công suất
Đáp số: QC = 1,328 kvar
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 = 5·tan(36,87°) = 3,75 kvar
Q2 = P·tan φ2 = 5·tan(25,84°) = 2,422 kvar
QC = Q1 − Q2 = 1,328 kvar
Đáp số
QC = 1,328 kvar
13.Công suất ba pha
Đáp số: P = 14,4 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.
Điện áp pha
Vph = VL = 400 V
Dòng điện pha
|Z| = √(12² + 16²) = 20 Ω
Iph = 400/20 = 20 A
Tổng công suất tác dụng
Chỉ phần điện trở của mỗi tổng trở hấp thụ công suất tác dụng.
P = 3·Iph²·R = 3·20²·12 = 14,4 kW
Đáp số
P = 14,4 kW
Kiểm tra: cos φ = R/|Z| = 0,6, và √3·VL·IL·cos φ cho cùng công suất.
14.Công suất ba pha
Đáp số: Cph = 210,2 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 = 80·tan(acos 0,65) = 80·1,169 = 93,53 kvar
Q2 = 80·tan(acos 0,9) = 80·0,4843 = 38,75 kvar
Công suất phản kháng từ các tụ điện
QC = Q1 − Q2 = 54,78 kvar
Điện dung mỗi pha
Trong bộ nối tam giác (Δ), mỗi tụ được nối giữa hai dây pha.
V = 480 V, ω = 2π·60 = 377 rad/s
Cph = (QC/3)/(ω·V²) = 18262/(377·480²) = 210,2 µF
Đáp số
Cph = 210,2 µF
15.Máy biến áp
Đáp số: ILV = 41,67 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 = 10000/240 = 41,67 A
Đáp số
ILV = 41,67 A
16.Máy biến áp
Đáp số: Sη,max = 25 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.