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 dòng điện Ix qua nguồn áp, từ A đến B như mũi tên chỉ.
Tìm dòng Norton IN: dòng điện chạy từ a đến b nếu nối tắt hai cực.
V1 = 9 VR1 = 20 ΩR2 = 15 ΩR3 = 12 Ω
IN = A
6.Thévenin và NortonKhó
Một tải RL = 8 Ω được nối giữa a–b. Dùng mạch tương đương Thévenin để tìm công suất PL tải nhận được.
V1 = 24 VIs = 1 AR1 = 6 ΩR2 = 8 ΩR3 = 3 ΩRL = 8 Ω
PL = W
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 = 47 ΩL = 220 mH
t = ms
8.Quá độ RC và RLKhó
Ngay trước khi khóa đóng tại t = 0, tụ điện giữ 24 V với cực tính như hình. Tìm điện áp tụ điện vC tại t = 60 ms.
Vs = 6 VR = 4,7 kΩC = 22 µFvC(0) = 24 Vt = 60 ms
vC = V
9.Tổng trở xoay chiều và phasorTrung bình
Một mạch RLC nối tiếp được nối với nguồn 120 V (hiệu dụng), 60 Hz. Tìm góc pha φ của tổng trở, theo độ (dương khi dòng điện trễ pha so với điện áp).
V = 120 V (rms)f = 60 HzR = 20 ΩL = 50 mHC = 100 µF
φ = °
10.Tổng trở xoay chiều và phasorKhó
Một mạch RLC nối tiếp được nối với nguồn 100 V (hiệu dụng), 1000 Hz. Tìm điện áp hiệu dụng VC trên tụ điện.
V = 100 V (rms)f = 1000 HzR = 80 ΩL = 150 mHC = 10 µF
VC = V
11.Công suất xoay chiều và hệ số công suấtTrung bình
Một tải có trở kháng Z = 12 + j5 Ω được nối với nguồn một pha 230 V (hiệu dụng). Tìm công suất biểu kiến S.
V = 230 VZ = 12 + j5 Ω
S = VA
12.Công suất xoay chiều và hệ số công suấtKhó
Một tải một pha tiêu thụ 45 kW với hệ số công suất 0,75 trễ từ nguồn 230 V, 60 Hz. Một tụ điện mắc song song nâng hệ số công suất lên 0,92. Tìm điện dung C cần thiết.
P = 45 kWpf1 = 0,75pf2 = 0,92V = 230 Vf = 60 Hz
C = µF
13.Công suất ba phaTrung bình
Một tải ba pha cân bằng lấy dòng điện dây 50 A từ nguồn có điện áp dây 480 V. Hệ số công suất là 0,9 trễ. Tìm tổng công suất tác dụng P mà tải tiêu thụ, theo kW.
VL = 480 VIL = 50 Acos φ = 0,9
P = kW
14.Công suất ba phaKhó
Một tải ba pha cân bằng lấy 300 kW với hệ số công suất 0,7 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 0,9 trễ. Công suất tác dụng giữ nguyên. Tìm tổng công suất phản kháng QC mà bộ tụ điện phải cung cấp, theo kvar.
P = 300 kWpf1 = 0,7pf2 = 0,9VL = 415 Vf = 60 Hz
QC = kvar
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 = 8:1. Tìm điện trở R1′ nhìn vào cuộn sơ cấp.
N1:N2 = 8:1RL = 75 Ω
R1′ = Ω
16.Máy biến ápKhó
Một máy biến áp một pha 250 kVA có tổn thất lõi 2000 W. Ở tải định mức và hệ số công suất 0,85 trễ, hiệu suất của nó là 97%. Tìm tổn thất đồng ở đầy tải Pcu,fl theo watt.
S = 250 kVAPcore = 2000 Wpf = 0,85η = 97%
Pcu,fl = W
3Dung dịch
1.Điện trở nối tiếp và song song
Đáp số: Req = 8,774 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.
R3 + R4 = 6 + 15 = 21 Ω
R2 ∥ 21 = 10·21/(10+21) = 6,774 Ω
Req = R1 + 6,774 = 2 + 6,774 = 8,774 Ω
Đáp số
Req = 8,774 Ω
2.Điện trở nối tiếp và song song
Đáp số: IR2 = 1,058 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 = 15 + 12 = 27 Ω
R4 ∥ 27 = 4,909 Ω
R3 + 4,909 = 6,909 Ω
R2 ∥ 6,909 = 4,73 Ω
Req = R1 + 4,73 = 6 + 4,73 = 10,73 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 = 36/10,73 = 3,355 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 = 36 − 3,355·6 = 15,87 V
IR2 = VA/R2 = 15,87/15 = 1,058 A
Đáp số
IR2 = 1,058 A
3.Phương pháp điện thế nút
Đáp số: VA = 14,02 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 = 10 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/6 + (VA − 10)/20 + (VA − VB)/6 = 0
0,3833·VA − 0,1667·VB = 0,5
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.
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.
KCL riêng tại nút A: dòng điện đến qua R₁ rời đi qua R₂ và qua nguồn áp.
IR1 = (12 − 5,083)/30 = 0,2306 A
Ix = IR1 − VA/R2 = 0,2306 − 5,083/3 = −1,464 A
Đáp số
Ix = −1,464 A
Kết quả âm nghĩa là dòng điện thực chảy ngược chiều mũi tên.
5.Thévenin và Norton
Đáp số: IN = 0,1875 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 = 20·15/(20+15) = 8,571 Ω
Rth = (R1 ∥ R2) + R3 = 8,571 + 12 = 20,57 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) = 9·15/(20+15) = 3,857 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 = 3,857/20,57 = 0,1875 A
6.Thévenin và Norton
Đáp số: PL = 15,59 W
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 = 6·8/(6+8) = 3,429 Ω
Rth = (R1 ∥ R2) + R3 = 3,429 + 3 = 6,429 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) = 13,71 + 1·3,429 = 17,14 V
Vth = VB = VA + Is·R3 = 17,14 + 1·3 = 20,14 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) = 20,14/(6,429 + 8) = 1,396 A
PL = IL²·RL = 1,396²·8 = 15,59 W
7.Quá độ RC và RL
Đáp số: t = 10,78 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 = 220 mH / 47 Ω = 4,681 ms
i(∞) = Vs/R = 12/47 = 0,2553 A
Giải tìm thời gian
0,9 = 1 − e−t/τ → t = −τ·ln(1 − 0,9)
t = −4,681·ln(0,1) = 10,78 ms
Đáp số
t = 10,78 ms
8.Quá độ RC và RL
Đáp số: vC = 16,08 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) = 24 V, vC(∞) = Vs = 6 V
τ = R·C = 4,7 kΩ · 22 µF = 103,4 ms
vC(t) = 6 + (24 − 6)·e−t/τ
Điện áp tại thời điểm đã cho
vC(60) = 6 + (18)·e−60/103,4 = 16,08 V
Đáp số
vC = 16,08 V
9.Tổng trở xoay chiều và phasor
Đáp số: φ = −21 °
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·60 = 377 rad/s
XL = ωL = 377·0,05 = 18,85 Ω
XC = 1/(ωC) = 1/(377·100·10⁻⁶) = 26,53 Ω
Tổng trở
Khi nối tiếp, các tổng trở cộng như số phức: Z = R + j(XL − XC).
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·1000 = 6283 rad/s
XL = ωL = 6283·0,15 = 942,5 Ω
XC = 1/(ωC) = 1/(6283·10·10⁻⁶) = 15,92 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| = 100/930 = 0,1075 A
Điện áp trên tụ điện
VC = I·XC = 0,1075·15,92 = 1,711 V
Đáp số
VC = 1,711 V
11.Công suất xoay chiều và hệ số công suất
Đáp số: S = 4069 VA
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| = √(12² + 5²) = 13 Ω
I = V/|Z| = 230/13 = 17,69 A
Công suất biểu kiến
S = V·I = 230·17,69 = 4069 VA
Đáp số
S = 4069 VA
12.Công suất xoay chiều và hệ số công suất
Đáp số: C = 1029 µF
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(41,41°) = 39,69 kvar
Q2 = P·tan φ2 = 45·tan(23,07°) = 19,17 kvar
QC = Q1 − Q2 = 20,52 kvar
Điện dung
Một tụ điện mắc qua nguồn cung cấp Q = V²·ωC.
C = QC/(2πf·V²) = 20516/(2π·60·230²) = 1029 µF
Đáp số
C = 1029 µF
13.Công suất ba pha
Đáp số: P = 37,41 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 = √3·480·50 = 41,57 kVA
Công suất tác dụng
P = S·cos φ = 41,57·0,9 = 37,41 kW
Đáp số
P = 37,41 kW
14.Công suất ba pha
Đáp số: QC = 160,8 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 = 300·tan(acos 0,7) = 300·1,02 = 306,1 kvar
Q2 = 300·tan(acos 0,9) = 300·0,4843 = 145,3 kvar
Công suất phản kháng từ các tụ điện
QC = Q1 − Q2 = 160,8 kvar
Đáp số
QC = 160,8 kvar
15.Máy biến áp
Đáp số: R1′ = 4800 Ω
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 = 8²·75 = 4800 Ω
Đáp số
R1′ = 4800 Ω
16.Máy biến áp
Đáp số: Pcu,fl = 4572 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.