Cuộn cảm không có dòng điện trước khi khóa đóng tại t = 0. Tìm năng lượng W tích trữ trong cuộn cảm tại t = 1 ms, theo mJ.
Vs = 5 VR = 33 ΩL = 10 mHt = 1 ms
W = mJ
8.Quá độ RC và RLKhó
Một mạch định thời bắt đầu nạp một tụ điện chưa tích điện qua một điện trở từ nguồn 5 V tại t = 0. Nó phải kích hoạt khi điện áp tụ điện đạt 2,5 V, đúng 100 ms sau khi bắt đầu. Với R = 2,2 kΩ, tìm điện dung C cần thiết.
Vs = 5 VVth = 2,5 VT = 100 msR = 2,2 kΩ
C = µF
9.Tổng trở xoay chiều và phasorTrung bình
Một mạch RLC nối tiếp được nối với nguồn 230 V (hiệu dụng), 100 Hz. Tìm hệ số công suất cos φ của mạch.
V = 230 V (rms)f = 100 HzR = 10 ΩL = 250 mHC = 22 µF
cos φ =
10.Tổng trở xoay chiều và phasorKhó
Một mạch RLC nối tiếp được nối với nguồn 50 V (hiệu dụng), 1000 Hz. Tìm tần số cộng hưởng f0 của mạch.
V = 50 V (rms)f = 1000 HzR = 60 ΩL = 50 mHC = 2,2 µF
f0 = Hz
11.Công suất xoay chiều và hệ số công suấtTrung bình
Một động cơ một pha tiêu thụ 6 kW với hệ số công suất 0,75 trễ từ nguồn 240 V. Tìm dòng điện đường dây I.
P = 6 kWpf = 0,75V = 240 V
I = A
12.Công suất xoay chiều và hệ số công suấtKhó
Một tải một pha lấy 25 kW với hệ số công suất 0,8 trễ pha từ nguồn 240 V, 50 Hz. Một tụ điện 150 µF được mắc song song với tải. Tìm dòng điện đường dây mới I.
P = 25 kWpf1 = 0,8V = 240 Vf = 50 HzC = 150 µF
I = A
13.Công suất ba phaTrung bình
Một tải nối sao (Y) cân bằng có tổng trở 8 + j6 Ω mỗi pha được nối với nguồn ba pha cân bằng có điện áp dây 415 V. Tìm tổng công suất tác dụng P mà tải hấp thụ, theo kW.
VL = 415 VZ = 8 + j6 Ω mỗi pha
P = kW
14.Công suất ba phaKhó
Một tải ba pha cân bằng lấy 80 kW với hệ số công suất 0,7 trễ từ nguồn 480 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 0,9 trễ. Công suất tác dụng giữ nguyên. Các tụ điện được nối sao (Y). Tìm điện dung Cph của mỗi tụ theo µF.
P = 80 kWpf1 = 0,7pf2 = 0,9VL = 480 Vf = 50 Hz
Cph = µF
15.Máy biến ápTrung bình
Một máy biến áp lý tưởng có tỉ số vòng dây N₁:N₂ = 2:1 được đặt 460 V vào cuộn sơ cấp. Một điện trở 30 Ω được nối qua cuộn thứ cấp. Tìm dòng điện sơ cấp I1.
N1:N2 = 2:1V1 = 460 VRL = 30 Ω
I1 = A
16.Máy biến ápKhó
Một máy biến áp một pha 200 kVA có tổn thất lõi 1200 W và tổn thất đồng 4800 W ở tải định mức. Ở tải nào Sη,max, theo kVA, hiệu suất của nó cao nhất?
S = 200 kVAPcore = 1200 WPcu,fl = 4800 W
Sη,max = kVA
3Dung dịch
1.Điện trở nối tiếp và song song
Đáp số: IR2 = 0,7143 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 = 10 + 6 = 16 Ω
R2 ∥ 16 = 4·16/(4+16) = 3,2 Ω
Req = R1 + 3,2 = 8 + 3,2 = 11,2 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 = 10/11,2 = 0,8929 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 = 10 − 0,8929·8 = 2,857 V
IR2 = VA/R2 = 2,857/4 = 0,7143 A
Đáp số
IR2 = 0,7143 A
2.Điện trở nối tiếp và song song
Đáp số: IR2 = 0,1273 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 = 2 + 10 = 12 Ω
R4 ∥ 12 = 4 Ω
R3 + 4 = 29 Ω
R2 ∥ 29 = 14,75 Ω
Req = R1 + 14,75 = 20 + 14,75 = 34,75 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 = 9/34,75 = 0,259 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 − 0,259·20 = 3,82 V
IR2 = VA/R2 = 3,82/30 = 0,1273 A
Đáp số
IR2 = 0,1273 A
3.Phương pháp điện thế nút
Đáp số: PIs = 36,61 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/12 + (VA − 24)/5 + (VA − VB)/10 = 0
0,3833·VA − 0,1·VB = 4,8
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/2 + (VB − VA)/10 = 4
−0,1·VA + 0,6·VB = 4
Giải
Δ = (0,3833)(0,6) − (−0,1)(−0,1) = 0,22
VA = Δ1/Δ = 3,28/0,22 = 14,91 V
VB = Δ2/Δ = 2,013/0,22 = 9,152 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 = 9,152·4 = 36,61 W
Đáp số
PIs = 36,61 W
4.Phương pháp điện thế nút
Đáp số: VB = 5,313 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 − 4
(VA − V1)/R1 + VA/R2 + VB/R3 = Is
Giải
(VA − 9)/4 + VA/2 + (VA − 4)/20 = 5
VA·(1/4 + 1/2 + 1/20) = 5 + 9/4 + 4/20 = 7,45
VA = 7,45/0,8 = 9,313 V
VB = 5,313 V
Đáp số
VB = 5,313 V
5.Thévenin và Norton
Đáp số: IN = 1,154 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 = 4·15/(4+15) = 3,158 Ω
Rth = (R1 ∥ R2) + R3 = 3,158 + 3 = 6,158 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/(4+15) = 7,105 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 = 7,105/6,158 = 1,154 A
6.Thévenin và Norton
Đáp số: IL = 1,598 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 + 5 = 6,2 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) = 4 + 2,5·1,2 = 7 V
Vth = VB = VA + Is·R3 = 7 + 2,5·5 = 19,5 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) = 19,5/(6,2 + 6) = 1,598 A
7.Quá độ RC và RL
Đáp số: W = 0,1065 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 = 10 mH / 33 Ω = 0,303 ms
i(∞) = Vs/R = 5/33 = 0,1515 A
Dòng điện tại thời điểm đã cho
i(t) = 0,1515·(1 − e−1/0,303) = 0,1459 A
Năng lượng tích trữ
W = ½·L·i² = ½·10·0,1459² = 0,1065 mJ
Đáp số
W = 0,1065 mJ
8.Quá độ RC và RL
Đáp số: C = 65,58 µF
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 cần thiết
2,5 = 5·(1 − e−100/τ) → τ = 100/ln(5/(5 − 2,5))
τ = 100/0,6931 = 144,3 ms
Điện dung
kΩ nhân µF cho ra mili giây.
C = τ/R = 144,3/2,2 = 65,58 µF
Đáp số
C = 65,58 µF
9.Tổng trở xoay chiều và phasor
Đáp số: cos φ = 0,1172
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 = 157,1 Ω, XC = 72,34 Ω
Tổng trở
|Z| = √(10² + (84,74)²) = 85,32 Ω
Hệ số công suất
cos φ = R/|Z| = 10/85,32 = 0,1172
Mạch có tính cảm kháng, nên hệ số công suất trễ pha.
Đáp số
cos φ = 0,1172
10.Tổng trở xoay chiều và phasor
Đáp số: f0 = 479,9 Hz
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
Khi cộng hưởng, cảm kháng và dung kháng triệt tiêu nhau: ωL = 1/(ωC). Tần số nguồn không ảnh hưởng.
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 đường dây
Chỉ phần công suất tác dụng sinh công, nên hãy chia cho hệ số công suất.
I = P/(V·cos φ) = 6000/(240·0,75) = 33,33 A
Đáp số
I = 33,33 A
12.Công suất xoay chiều và hệ số công suất
Đáp số: I = 123,8 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 = 25·tan(arccos 0,8) = 18,75 kvar
QC = V²·2πf·C = 240²·2π·50·150·10⁻⁶ = 2714 var = 2,714 kvar
Q2 = 18,75 − 2,714 = 16,04 kvar
Công suất biểu kiến mới
S2 = √(25² + 16,04²) = 29,7 kVA
Dòng điện đường dây mới
I = S2/V = 29701/240 = 123,8 A
Đáp số
I = 123,8 A
13.Công suất ba pha
Đáp số: P = 13,78 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 = 415/√3 = 239,6 V
Dòng điện pha
|Z| = √(8² + 6²) = 10 Ω
Iph = 239,6/10 = 23,96 A
Tổng công suất tác dụng
Chỉ phần điện trở của mỗi tổng trở hấp thụ công suất tác dụng.
P = 3·Iph²·R = 3·23,96²·8 = 13,78 kW
Đáp số
P = 13,78 kW
Kiểm tra: cos φ = R/|Z| = 0,8, và √3·VL·IL·cos φ cho cùng công suất.
14.Công suất ba pha
Đáp số: Cph = 592,3 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 0,7) = 80·1,02 = 81,62 kvar
Q2 = 80·tan(acos 0,9) = 80·0,4843 = 38,75 kvar
Công suất phản kháng từ các tụ điện
QC = Q1 − Q2 = 42,87 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 áp và dòng điện thứ cấp
V2 = 460/2 = 230 V
I2 = 230/30 = 7,667 A
Dòng điện sơ cấp
Máy biến áp lý tưởng không có tổn thất: V₁·I₁ = V₂·I₂.
I1 = I2/2 = 3,833 A
Đáp số
I1 = 3,833 A
Kiểm tra: tải nhìn từ sơ cấp là a²·RL = 120 Ω, và 460/120 cho cùng dòng điện.
16.Máy biến áp
Đáp số: Sη,max = 100 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.