Zadania

177

3. NAPIĘCIOWE I PRĄDOWE ŹRÓDŁA PRĄDU STAŁEGO

Zad. 3-1. Dane jest źródło napięciowe prądu stałego o parametrach: E = 20 V i Rw = 2 Ω. Wyznacz wartości parametrów: Iź r i Gw , równoważnego mu (ze względu na wielkości zaciskowe) źródła prą-

dowego. Oblicz wartości strat mocy w źródłach oraz ich sprawności w stanie jałowym i w stanie zwarcia (wartości graniczne).

I

I

Rw

U

R

≡

Iź r

Gw

U

G

E

E

1

Rozwią zanie: I

A , G

S ;

w =

= 5

,

0

ź r =

= 10

R

R

w

w

2

R ⋅ E

U ⋅ I

R ⋅ I 2

R

G

2

w

P

∆ = R ⋅ I =

;

w

η =

=

=

=

;

E

w

(

E

R + R

E ⋅ I

( R + R ⋅ I 2 R + R

G + G

w )

w )2

w

w

2

G ⋅ I

U ⋅ I

G ⋅ U 2

G

R

2

w

ź r

P

∆

= G ⋅ U =

;

w

η

;

=

=

=

=

I ź r

w

(

I ź r

G + G

U ⋅ I

G + G

⋅ U 2

G + G

R + R

ź r

(

w )

w )2

w

w

2



R 

stąd

2

P

∆

= 1

 +

 ⋅ P

∆ ⋅η , η

= 1

, η = 1 −η

;

−η

I ź r

E

E

I ź r

E

E

I



R 

ź r

w

G

- w stanie jałowym G = 0 , I = 0 , więc 2

P

∆

, η =

w

,

E

= 1

E = Rw ⋅ I

= 0

G + Gw

2

I

G

P

∆

W, η

(inaczej: η

η

);

I ź r = 1 −

E = 0

I ź r =

= 0

I

= ź r

ź r

= 200

G

G + G

w

w

R

- w stanie zwarcia R = 0 , U = 0 , więc 2

P

∆

, η

,

I

=

w

ź r

= 1

I ź r = Gw ⋅ U

= 0

R + Rw

2

E

R

P

∆

W, η

(inaczej: η

η

).

E = 1 −

I ź r = 0

E =

= 0

E =

= 200

R

R + R

w

w

Uwaga. Jak widać, sprawności równoważnych źródeł – napięciowego i prądowego – osiągają w stanie jałowym oraz w stanie zwarcia przeciwstawne sobie wartości graniczne (1 i 0 oraz 0 i 1).

Straty źródła prądowego w stanie jałowym są równe stratom równoważnego źródła napięciowego w stanie zwarcia (co zresztą wynika z zależności na zamianę tych źródeł).

Zad. 3-2. Źródła z poprzedniego zadania są obciążane rezystancją R o różnych wartościach. Oblicz wartości mocy wydawanej przez źródła idealne: PE i PI ź r , mocy P wydawanej przez źródła rzeczy-wiste (pobieranej przez odbiornik R ), strat mocy: ∆ PE i ∆ PI ź r , oraz sprawności: η E i η I ź r – przy rezystancji obciążenia R równej: 8 Ω; 4 Ω; 2 Ω; 1 Ω; 0,5 Ω.

Rozwią zanie.

E 2

R

R

R

Wzory: P =

, P =

⋅ P ,

w

P

∆ =

⋅ P , η =

,

E

R + R

E

R + R

E

E

R + R

E

R + R

w

w

w

w

178

Elektrotechnika podstawowa

I 2

R

R

R

ź r

P

,

w

P =

⋅ P , P

∆

=

⋅ P ,

w

η

.

=

=

I ź r

I

G + G

I ź r

R + R

I ź r

I ź r

R + R

ź r

R + R

w

w

w

w

Wyniki:

R (Ω)

PE (W)

P (W)

∆ PE (W)

η E

PI ź r (W)

P (W)

∆ PI ź r (W)

η I ź r

8

40

32

8

0,8

160

32

128

0,2

4

66,7

44,4

22,2

0,67

133,3

44,4

88,9

0,33

2

100

50

50

0,5

100

50

50

0,5

1

133,3

44,4

88,9

0,33

66,7

44,4

22,2

0,67

0,5

160

32

128

0,2

40

32

8

0,8

Zad. 3-3. Oblicz moc wydawaną przez idealne źródło napięciowe E = 3 V oraz moc wydawaną przez gałąź z tym źródłem i rezystancją R = 1 Ω, jeśli – przy założonym „generatorowym” strzał-

kowaniu wielkości – prąd I ma wartość: a) 2 A, b) 4 A.

I R E

Zależ noś ci właś ciwe wystę pują cym zwrotom prą du i napięć:

UR

U = U

= E − U = E − R ⋅ I ; gen

R

U = Ugen

P = P

; P = P

= U ⋅ I = U ⋅ I .

= E ⋅ I

E

E gen

gen

gen

Rozwią zanie:

a) P

W , U = E − R ⋅ I = 1 V , P = U ⋅ I = 2 W ; E = E ⋅ I = 6

b) P

W , U = E − R ⋅ I = 1

− V , P = U ⋅ I = −4 W .

E = E ⋅ I = 12

Uwaga. Gdy gałąź generuje ujemną moc (przypadek „b”), to jest jako całość odbiornikiem. Moc generowana przez źródło idealne (odpowiadająca strzałkowaniu generatorowemu prądu i napięcia w źródle) nie pokrywa w pełni mocy wydzielającej się w rezystancji gałęzi.

Zad. 3-4. Oblicz moc pobieraną przez idealne źródło napięciowe E = 3 V oraz moc pobieraną przez gałąź z tym źródłem i rezystancją R = 1 Ω, jeśli – przy założonym „odbiornikowym” strzałkowaniu wielkości – prąd I ma wartość: a) 2 A, b) 4 A.

I R E

Zależ noś ci właś ciwe wystę pują cym zwrotom prą du i napięć:

UR

U = U

= E + U = E + R ⋅ I ; odb

R

U = Uodb

P = P

; P = P

= U ⋅ I = U ⋅ I .

= E ⋅ I

E

E odb

odb

odb

Rozwią zanie:

a) P

W , U = E + R ⋅ I = 5 V , P = U ⋅ I = 10 W ; E = E ⋅ I = 6

b) P

W , U = E + R ⋅ I = 7 V , P = U ⋅ I = 28 W .

E = E ⋅ I = 12

Uwaga. Gdy E > 0 i I > 0, to źródło idealne jest odbiornikiem aktywnym (strzałkowanie odbiornikowe prądu i napięcia w źródle). Moc pobierana przez gałąź jest sumą mocy odbiornikowej źró-

dła i mocy wydzielającej się w rezystancji gałęzi.

Zadania

179

Zad. 3-5. Oblicz moc wydawaną przez idealne źródło prądowe Iź r = 3 A oraz moc wydawaną przez gałąź z tym źródłem i konduktancją G = 0,5 S, jeśli – przy założonym „generatorowym” strzałkowaniu wielkości – napięcie U ma wartość: a) 2 V, b) 10 V.

Iź r

I = Igen

Zależ noś ci właś ciwe wystę pują cym zwrotom prą dów i napię cia:

I

I

G

= I

= I − I = I − G ⋅ U ; G

gen

ź r

G

ź r

P

; P

U

= P = U ⋅ I

= U ⋅ I .

= P = U ⋅ I

I ź r

I ź r gen

ź r

gen

gen

Rozwią zanie:

a) P

U I

W , I = I

A , P = U ⋅ I = 4 W ;

ź r − G ⋅ U = 2

I ź r =

⋅ ź r = 6

b) P

U I

W , I = I

A , P = U ⋅ I = −20 W .

ź r − G ⋅ U = −2

I ź r =

⋅ ź r = 30

Uwaga. Gdy gałąź generuje ujemną moc (przypadek „b”), to jest jako całość odbiornikiem. Moc generowana przez źródło idealne (odpowiadająca strzałkowaniu generatorowemu prądu i napięcia w źródle) nie pokrywa w pełni mocy wydzielającej się w konduktancji gałęzi.

Zad. 3-6. Oblicz moc pobieraną przez idealne źródło prądowe Iź r = 3 A oraz moc pobieraną przez gałąź z tym źródłem i konduktancją G = 0,5 S, jeśli – przy założonym „odbiornikowym” strzałkowaniu wielkości – napięcie U ma wartość: a) 2 V, b) 10 V.

Iź r

I = Iodb

Zależ noś ci właś ciwe wystę pują cym zwrotom prą dów i napię cia:

G

I

I = I

= I + I = I + G ⋅ U ; G

odb

ź r

G

ź r

; P = P

= U ⋅ I

= U ⋅ I .

= db = ⋅

U

P

P

U I

I ź r

I ź r o

ź r

odb

odb

Rozwią zanie:

a) P

U I

W , I = I

A , P = U ⋅ I = 8 W ;

ź r + G ⋅ U = 4

I ź r =

⋅ ź r = 6

b) P

U I

W , I = I

A , P = U ⋅ I = 80 W .

ź r + G ⋅ U = 8

I ź r =

⋅ ź r = 30

Uwaga. Gdy Iź r > 0 i U > 0, to źródło idealne jest odbiornikiem aktywnym (strzałkowanie odbiornikowe prądu i napięcia w źródle). Moc pobierana przez gałąź jest sumą mocy odbiornikowej źródła i mocy wydzielającej się w konduktancji gałęzi.

Zad. 3-7. Dwa źródła prądu stałego o znanych parametrach są połączone jak na rysunku i obciążo-ne łącznie prądem I (nie są jednak znane: napięcie na odbiorniku U ani jego rezystancja R ). Oblicz moc pobieraną przez odbiornik ( P) oraz moce wydawane przez każde ze źródeł rzeczywistych ( P

Ω

Ω

gen 1, Pgen 2) i idealnych ( PE 1, PE 2). Dane: E 1 = 13 V, E 2 = 12 V, Rw 1 = 1

, Rw 2 = 2 , I = 4 A.

I

Rozwią zanie:

U = E − R ⋅ I = E − R

⋅ I , I = I − I ,

1

1

w

1

2

w 2

2

2

1

I 1

I 2

więc E − R ⋅ I = E − R

⋅ ( I − I ) ;

1

1

w

1

2

w 2

1

Rw 1

Rw 2

U

R

E − E + R

I

w

⋅

1

2

2

I =

= 3 A ; I = I − I = 1 A ;

1

E 1

E 2

R

R

2

1

w

+

1

w 2

U = E − R

V ; P = U ⋅ I = 40 W ,

w ⋅ I

= 10

1

1

1

P

W , P

W , P

W , P

W .

E

= E ⋅ I = 12

E

= E ⋅ I = 39

gen

= U ⋅ I = 10

gen

= U ⋅ I = 30

1

1

2

2

1

1

1

2

2

2

180

Elektrotechnika podstawowa

Zad. 3-8. Dwa źródła prądu stałego o znanych parametrach, połączone jak na rysunku, obciążone są łącznie rezystancją R . Oblicz moc pobieraną przez odbiornik ( P) oraz moce wydawane przez każde ze źródeł rzeczywistych ( Pgen 1, Pgen 2) i idealnych ( PE 1, PE 2 albo PI ź r 1, PI ź r 2).

a)

I

Dane: E

Ω

Ω

Ω

1 = 12 V, E 2 = 12 V, Rw 1 = 6

, Rw 2 = 3 , R = 2 .

I

I

Rozwią zanie (metoda układu zastę pczego): 1

2

I

Rw 1

Rw 2

U

R

I 1

I 2

E

1

E 2

2 Ω

2 A

4 A

3 Ω

6 Ω

6 A

6 Ω

3 Ω

Ω

2

3 A

I

1 A

2 A

I 1

I 2

6 Ω

3 Ω

6 V

2 Ω

6 Ω

Ω

6

3

V

6

6

2 Ω

V

V

1

6

6

Ω

V

V

6 A

U

(1 S)

12 V

12 V

12

V

12 V

U = 6 V ; I = 3 A , I = 1 A , I = 2 A ; 1

2

P = U ⋅ I = 18 W ,

P

W , P

W , P

W , P

W .

E

= E ⋅ I = 24

E

= E ⋅ I = 12

gen

= U ⋅ I = 12

gen

= U ⋅ I = 6

1

1

2

2

1

1

1

2

2

2

b)

I

Dane: E

Ω

Ω

Ω

1 = 14 V, E 2 = 10 V, Rw 1 = 4

, Rw 2 = 4 , R = 2 .

I 1

I 2

Odpowiedź:

Rw 1

Rw 2

U

R

P = U ⋅ I = 18 W ,

P

W , P

W ,

gen

= U ⋅ I = 6

gen

= U ⋅ I = 12

1

1

2

2

E 1

E 2

P

W , P

W .

E

= E ⋅ I = 10

E

= E ⋅ I = 28

1

1

1

2

2

2

( do samodzielnego rozwią zania)

c)

I

Dane: I

Ω

ź r 1 = 2,5 A, Iź r 2 = 3,5 A, Rw 1 = 6

,

R

Ω

Ω

w 2 = 3

, R = 2 .

I 1

I 2

Rozwią zanie (metoda układu zastę pczego): R

U

Iź r 1

Iź r 2

U = 6 V

I =

I =

I =

;

3 A ,

5

,

1 A

A

1

,

5

,

1

2

;

R

Rw 2

w 1

P = U ⋅ I = 18 W ,

3 A

P

W ,

gen

= U ⋅ I = 9

1

1

1,5 A

1,5 A

P

W ,

1 A 2 A

gen

= U ⋅ I = 9

2

2

2,5 A

2 Ω

1 Ω

6 V

P

U I

W ,

6 A

6

I ź r

= ⋅ ź r = 15

1

1

V

(1

Ω

S)

6 Ω

3

3,5 A

P

U I

W .

I ź r

= ⋅ ź r = 21

2

2