Cuộn cảm mang dòng điện ổn định 2 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 = 15 ms.
i(0) = 2 AR = 22 ΩL = 220 mHt = 15 ms
vR = V
8.Quá độ RC và RLKhó
Ngay trước khi khóa đóng tại t = 0, tụ điện giữ 10 V với cực tính như hình. Mất bao lâu để vC đạt 14,2 V? Tìm t.
Vs = 24 VR = 1 kΩC = 47 µFvC(0) = 10 V
t = ms
9.Tổng trở xoay chiều và phasorTrung bình
Một mạch RLC nối tiếp được nối với nguồn 50 V (hiệu dụng), 500 Hz. Tìm công suất thực P lấy từ nguồn.
V = 50 V (rms)f = 500 HzR = 50 ΩL = 150 mHC = 4,7 µF
P = W
10.Tổng trở xoay chiều và phasorKhó
Một điện trở R1 được mắc nối tiếp với một tổ hợp song song của R2 và một tụ điện C, qua nguồn 120 V (hiệu dụng), 200 Hz. Tìm độ lớn của tổng trở |Z|.
V = 120 V (rms)f = 200 HzR1 = 10 ΩR2 = 50 ΩC = 22 µF
|Z| = Ω
11.Công suất xoay chiều và hệ số công suấtTrung bình
Một tải có trở kháng Z = 20 + j15 Ω được nối với nguồn một pha 240 V (hiệu dụng). Tìm công suất phản kháng Q mà nó hấp thụ.
V = 240 VZ = 20 + j15 Ω
Q = var
12.Công suất xoay chiều và hệ số công suấtKhó
Một tải một pha lấy 24 kW với hệ số công suất 0,7 trễ pha từ nguồn 230 V, 50 Hz. Một tụ điện 330 µF được mắc song song với tải. Tìm dòng điện đường dây mới I.
P = 24 kWpf1 = 0,7V = 230 Vf = 50 HzC = 330 µF
I = A
13.Công suất ba phaTrung bình
Một tải ba pha cân bằng lấy dòng điện dây 25 A từ nguồn có điện áp dây 415 V. Hệ số công suất là 0,88 trễ. Tìm tổng công suất tác dụng P mà tải tiêu thụ, theo kW.
VL = 415 VIL = 25 Acos φ = 0,88
P = kW
14.Công suất ba phaKhó
Một tải ba pha cân bằng lấy 200 kW với hệ số công suất 0,78 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 0,92 trễ. Công suất tác dụng giữ nguyên. Các tụ điện được nối sao (Y). Tìm điện dung Cph của mỗi tụ theo µF.
P = 200 kWpf1 = 0,78pf2 = 0,92VL = 415 Vf = 60 Hz
Cph = µF
15.Máy biến ápTrung bình
Một điện trở 75 Ω được nối qua cuộn thứ cấp của một máy biến áp lý tưởng có tỉ số vòng dây N₁:N₂ = 5:1. Tìm điện trở R1′ nhìn vào cuộn sơ cấp.
N1:N2 = 5:1RL = 75 Ω
R1′ = Ω
16.Máy biến ápKhó
Một máy biến áp một pha 250 kVA có tổn thất lõi 1500 W và tổn thất đồng 2250 W ở tải định mức. Nó cấp 25% 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 = 12 + 15 = 27 Ω
R2 ∥ 27 = 3·27/(3+27) = 2,7 Ω
Req = R1 + 2,7 = 4 + 2,7 = 6,7 Ω
Đáp số
Req = 6,7 Ω
2.Điện trở nối tiếp và song song
Đáp số: Req = 28,01 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 + 30 = 50 Ω
R4 ∥ 50 = 2,83 Ω
R3 + 2,83 = 4,83 Ω
R2 ∥ 4,83 = 3,012 Ω
Req = R1 + 3,012 = 25 + 3,012 = 28,01 Ω
Đáp số
Req = 28,01 Ω
3.Phương pháp điện thế nút
Đáp số: VB = 14,58 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). 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/15 + (VA − 24)/15 + (VA − VB)/2 = 0
0,6333·VA − 0,5·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/R4 + (VB − VA)/R3 = Is
VB/20 + (VB − VA)/2 = 1
−0,5·VA + 0,55·VB = 1
Giải
Δ = (0,6333)(0,55) − (−0,5)(−0,5) = 0,09833
VA = Δ1/Δ = 1,38/0,09833 = 14,03 V
VB = Δ2/Δ = 1,433/0,09833 = 14,58 V
Đáp số
VB = 14,58 V
4.Phương pháp điện thế nút
Đáp số: Is = 2,633 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.
KCL tại nút A
VA đã biết, nên phương trình này cho VB.
(VA − V1)/R1 + VA/R2 + (VA − VB)/R3 = 0
(15 − 9)/30 + 15/30 = (VB − 15)/20
0,7 = (VB − 15)/20 → VB = 29 V
KCL tại nút B
Các dòng điện rời khỏi B qua các điện trở bằng dòng điện do các nguồn đẩy vào B.
Is = (VB − VA)/R3 + VB/R4 = (29 − 15)/20 + 29/15 = 2,633 A
Đáp số
Is = 2,633 A
5.Thévenin và Norton
Đáp số: Rth = 16,57 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 = 20·15/(20+15) = 8,571 Ω
Rth = (R1 ∥ R2) + R3 = 8,571 + 8 = 16,57 Ω
6.Thévenin và Norton
Đáp số: IL = 3,111 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 = 3·2/(3+2) = 1,2 Ω
Rth = (R1 ∥ R2) + R3 = 1,2 + 30 = 31,2 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) = 9,6 + 4·1,2 = 14,4 V
Vth = VB = VA + Is·R3 = 14,4 + 4·30 = 134,4 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) = 134,4/(31,2 + 12) = 3,111 A
7.Quá độ RC và RL
Đáp số: vR = 9,818 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 = 220 mH / 22 Ω = 10 ms
Sự giảm của dòng điện
i(t) = 2·e−15/10 = 0,4463 A
vR = R·i = 22·0,4463 = 9,818 V
Đáp số
vR = 9,818 V
8.Quá độ RC và RL
Đáp số: t = 16,76 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((10 − 24)/(14,2 − 24)) = 47·ln(1,429) = 16,76 ms
Đáp số
t = 16,76 ms
9.Tổng trở xoay chiều và phasor
Đáp số: P = 0,7561 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 = 471,2 Ω, XC = 67,73 Ω
Tổng trở
|Z| = √(50² + (403,5)²) = 406,6 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 = 50/406,6 = 0,123 A
P = I²·R = 0,123²·50 = 0,7561 W
Đáp số
P = 0,7561 W
10.Tổng trở xoay chiều và phasor
Đáp số: |Z| = 36,09 Ω
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
XC = 1/(2π·200·22·10⁻⁶) = 36,17 Ω
Tổ hợp song song
Nhân cả tử và mẫu với số phức liên hợp để tách Zp thành phần thực và phần ảo.
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| = √(20² + 15²) = 25 Ω
I = V/|Z| = 240/25 = 9,6 A
Công suất phản kháng
Q = I²·X = 9,6²·15 = 1382 var
Đáp số
Q = 1382 var
12.Công suất xoay chiều và hệ số công suất
Đáp số: I = 133,1 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 = 24·tan(arccos 0,7) = 24,48 kvar
QC = V²·2πf·C = 230²·2π·50·330·10⁻⁶ = 5484 var = 5,484 kvar
Q2 = 24,48 − 5,484 = 19 kvar
Công suất biểu kiến mới
S2 = √(24² + 19²) = 30,61 kVA
Dòng điện đường dây mới
I = S2/V = 30611/230 = 133,1 A
Đáp số
I = 133,1 A
13.Công suất ba pha
Đáp số: P = 15,81 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 = √3·415·25 = 17,97 kVA
Công suất tác dụng
P = S·cos φ = 17,97·0,88 = 15,81 kW
Đáp số
P = 15,81 kW
14.Công suất ba pha
Đáp số: Cph = 1159 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 = 200·tan(acos 0,78) = 200·0,8023 = 160,5 kvar
Q2 = 200·tan(acos 0,92) = 200·0,426 = 85,2 kvar
Công suất phản kháng từ các tụ điện
QC = Q1 − Q2 = 75,26 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 = 5²·75 = 1875 Ω
Đáp số
R1′ = 1875 Ω
16.Máy biến áp
Đáp số: Ploss = 1641 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.