Một động cơ một chiều (k = 1,5 N·m/A, Ra = 1 Ω) chạy từ 240 V và kéo tải có mômen 45 N·m. Tìm tốc độ n của nó theo rpm.
V = 240 Vk = 1,5 N·m/ARa = 1 ΩT = 45 N·m
n = rpm
4.Động cơ một chiềuKhó
Một động cơ một chiều 120 V có điện trở phần ứng 1,2 Ω. Tìm điện trở khởi động nối tiếp Rst để giới hạn dòng khởi động ở 15 A.
V = 120 VRa = 1,2 ΩImax = 15 A
Rst = Ω
5.Công suất xoay chiều và hệ số công suấtTrung bình
Một tải có trở kháng Z = 12 + j9 Ω được nối với nguồn một pha 230 V (hiệu dụng). Tìm công suất thực P mà nó hấp thụ.
V = 230 VZ = 12 + j9 Ω
P = W
6.Công suất xoay chiều và hệ số công suấtKhó
Một tải một pha lấy 17 kW với hệ số công suất 0,6 trễ pha từ nguồn 400 V, 60 Hz. Một tụ điện 220 µF được mắc song song với tải. Tìm hệ số công suất mới cos φ mà nguồn nhìn thấy.
P = 17 kWpf1 = 0,6V = 400 Vf = 60 HzC = 220 µF
cos φ =
7.Công suất ba phaTrung bình
Một động cơ cảm ứng ba pha cho công suất cơ đầu ra 30 kW khi đầy tải. Ở tải này hiệu suất của nó là 93% và hệ số công suất là 0,88 trễ. Nguồn có điện áp dây 480 V. Tìm dòng điện dây IL.
Pout = 30 kWη = 93%cos φ = 0,88VL = 480 V
IL = A
8.Công suất ba phaKhó
Một tải ba pha cân bằng lấy 120 kW với hệ số công suất 0,75 trễ từ nguồn 415 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 = 120 kWpf1 = 0,75pf2 = 0,9VL = 415 Vf = 50 Hz
Cph = µF
3Dung dịch
1.Bộ biến đổi DC-DC
Đáp số: ΔIL = 1,818 A
Bộ biến đổi DC-DC: một khóa S đóng trong phần D của mỗi chu kỳ T = 1/f. Ở trạng thái xác lập, điện áp trung bình trên cuộn cảm bằng không (cân bằng volt-giây), cho các tỷ số biến đổi lý tưởng ở chế độ dẫn liên tục: buck Vo = D·Vin, boost Vo = Vin/(1 − D), buck-boost đảo |Vo| = Vin·D/(1 − D). Một bộ biến đổi lý tưởng giữ nguyên công suất: Vin·Iin = Vo·Io. Khi S đóng, dòng cuộn cảm tăng thêm ΔIL = VL·D·T/L, với VL = Vin − Vo cho buck và Vin cho boost và buck-boost. Độ gợn đầu ra là ΔVo = ΔIL/(8fC) cho buck và Io·D/(fC) cho boost và buck-boost. Dòng cuộn cảm vừa chạm không (ranh giới CCM) khi dòng cuộn cảm trung bình bằng ΔIL/2.
Chu kỳ làm việc
D = 24/48 = 0,5
Điện áp cuộn cảm trong thời gian đóng
Khi S đóng, cuộn cảm nằm giữa Vin và Vo.
VL = 48 − 24 = 24 V
Dòng gợn
ΔIL = VL·D/(L·f) = 24·0,5/(330·10⁻⁶·20·10³) = 1,818 A
Đáp số
ΔIL = 1,818 A
2.Bộ biến đổi DC-DC
Đáp số: ΔVo = 98 mV
Bộ biến đổi DC-DC: một khóa S đóng trong phần D của mỗi chu kỳ T = 1/f. Ở trạng thái xác lập, điện áp trung bình trên cuộn cảm bằng không (cân bằng volt-giây), cho các tỷ số biến đổi lý tưởng ở chế độ dẫn liên tục: buck Vo = D·Vin, boost Vo = Vin/(1 − D), buck-boost đảo |Vo| = Vin·D/(1 − D). Một bộ biến đổi lý tưởng giữ nguyên công suất: Vin·Iin = Vo·Io. Khi S đóng, dòng cuộn cảm tăng thêm ΔIL = VL·D·T/L, với VL = Vin − Vo cho buck và Vin cho boost và buck-boost. Độ gợn đầu ra là ΔVo = ΔIL/(8fC) cho buck và Io·D/(fC) cho boost và buck-boost. Dòng cuộn cảm vừa chạm không (ranh giới CCM) khi dòng cuộn cảm trung bình bằng ΔIL/2.
Chu kỳ làm việc
D = 28/(12 + 28) = 0,7
Dòng điện qua tải
Io = 28/10 = 2,8 A
Độ gợn đầu ra
ΔVo = 2,8·0,7/(200·10³·100·10⁻⁶) = 98 mV
Đáp số
ΔVo = 98 mV
3.Động cơ một chiều
Đáp số: n = 1337 rpm
Động cơ một chiều: phần ứng là một điện trở Ra mắc nối tiếp với sức điện động ngược E, nên V = E + Ia·Ra. Sức điện động ngược tăng theo tốc độ, E = k·ω, và mômen tăng theo dòng điện, T = k·Ia, với cùng hằng số động cơ k (V·s/rad = N·m/A) trong hệ SI. Đổi tốc độ bằng ω = 2π·n/60. Công suất phát triển là E·Ia = T·ω; công suất vào là V·Ia, và tổn thất đồng Ia²Ra cùng tổn thất quay tạo nên chênh lệch. Tốc độ giảm theo đường thẳng với mômen, ω = V/k − Ra·T/k², từ tốc độ không tải V/k đến không tại mômen hãm k·V/Ra. Khi đứng yên E = 0, nên dòng khởi động V/Ra lớn trừ khi có điện trở hạn chế nó.
Dòng phần ứng
Ia = T/k = 45/1,5 = 30 A
Sức điện động ngược và tốc độ
E = 240 − 30·1 = 210 V
ω = E/k = 140 rad/s → n = 1337 rpm
Đáp số
n = 1337 rpm
4.Động cơ một chiều
Đáp số: Rst = 6,8 Ω
Động cơ một chiều: phần ứng là một điện trở Ra mắc nối tiếp với sức điện động ngược E, nên V = E + Ia·Ra. Sức điện động ngược tăng theo tốc độ, E = k·ω, và mômen tăng theo dòng điện, T = k·Ia, với cùng hằng số động cơ k (V·s/rad = N·m/A) trong hệ SI. Đổi tốc độ bằng ω = 2π·n/60. Công suất phát triển là E·Ia = T·ω; công suất vào là V·Ia, và tổn thất đồng Ia²Ra cùng tổn thất quay tạo nên chênh lệch. Tốc độ giảm theo đường thẳng với mômen, ω = V/k − Ra·T/k², từ tốc độ không tải V/k đến không tại mômen hãm k·V/Ra. Khi đứng yên E = 0, nên dòng khởi động V/Ra lớn trừ khi có điện trở hạn chế nó.
Tổng điện trở
Ra + Rst = 120/15 = 8 Ω
Điện trở khởi động
Rst = 8 − 1,2 = 6,8 Ω
Đáp số
Rst = 6,8 Ω
Điện trở được cắt ra từng bước khi động cơ tăng tốc và sức điện động ngược tăng.
5.Công suất xoay chiều và hệ số công suất
Đáp số: P = 2821 W
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 + 9²) = 15 Ω
I = V/|Z| = 230/15 = 15,33 A
Công suất tác dụng
P = I²·R = 15,33²·12 = 2821 W
Đáp số
P = 2821 W
6.Công suất xoay chiều và hệ số công suất
Đáp số: cos φ = 0,8752
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 = 17·tan(arccos 0,6) = 22,67 kvar
QC = V²·2πf·C = 400²·2π·60·220·10⁻⁶ = 13270 var = 13,27 kvar
Q2 = 22,67 − 13,27 = 9,397 kvar
Công suất biểu kiến mới
S2 = √(17² + 9,397²) = 19,42 kVA
Hệ số công suất mới
cos φ = P/S2 = 17/19,42 = 0,8752
Đáp số
cos φ = 0,8752
7.Công suất ba pha
Đáp số: IL = 44,09 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 = 30/0,93 = 32,26 kW
Dòng điện đường dây
IL = Pin/(√3·VL·cos φ) = 32258/(√3·480·0,88) = 44,09 A
Đáp số
IL = 44,09 A
8.Công suất ba pha
Đáp số: Cph = 881,8 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 = 120·tan(acos 0,75) = 120·0,8819 = 105,8 kvar
Q2 = 120·tan(acos 0,9) = 120·0,4843 = 58,12 kvar
Công suất phản kháng từ các tụ điện
QC = Q1 − Q2 = 47,71 kvar
Điện dung mỗi pha
Trong bộ nối sao (Y), mỗi tụ được nối giữa một dây pha và điểm sao.