Складывайте сопротивления как у резисторов, с Z = R + jX.
Найдите модуль |Z| = √(R² + X²) и угол φ = atan(X/R), затем примените закон Ома для комплексных амплитуд.
Мощность переменного тока и коэффициент мощности
Активная мощность
P = V·I·cos φ
Реактивная мощность
Q = V·I·sin φ
Полная мощность
S = V·I = √(P² + Q²)
Коэффициент мощности
pf = cos φ = P/S
Компенсирующий конденсатор
QC = P(tan φ1 − tan φ2), C = QC/(ωV²)
LC-резонанс, добротность и полоса пропускания
Собственная частота
ω0 = 1/√(LC), f0 = 1/(2π√(LC))
Энергия
W = ½CV0² = ½Cv² + ½Li²
Пиковый ток
Imax = V0√(C/L)
Добротность
Q = 2π·(energy stored)/(energy lost per cycle)
Последовательный RLC-контур
Q = (1/R)√(L/C), BW = R/(2πL)
Параллельный RLC-контур
Q = R√(C/L), BW = 1/(2πRC)
Полоса пропускания
BW = f2 − f1 = f0/Q, f0 = √(f1f2)
Частоты половинной мощности
f1,2 = f0(√(1 + 1/(4Q²)) ∓ 1/(2Q))
Контур с сопротивлением катушки r
RD = L/(C·r) = Q²·r
Затухание амплитуды
e−Rt/(2L)
Метод
Сначала найдите резонансную частоту: ω₀ = 1/√(LC) и f₀ = ω₀/(2π).
Определите, какой контур перед вами, последовательный или параллельный: последовательный Q = (1/R)√(L/C), параллельный Q = R√(C/L).
Для полосы пропускания используйте BW = f₀/Q или краткие формулы R/(2πL) (последовательный) и 1/(2πRC) (параллельный).
В задачах на энергию учитывайте, что полная энергия ½CV₀² в идеальном LC-контуре остаётся постоянной и каждую четверть периода переходит между C и L.
Трёхфазная мощность
Соединение звездой (Y)
VL = √3·Vph, IL = Iph
Соединение треугольником (Δ)
VL = Vph, IL = √3·Iph
Полная активная мощность
P = √3·VL·IL·cos φ = 3·Iph²·R
Полная и реактивная мощность
S = √3·VL·IL, Q = P·tan φ
Компенсирующие конденсаторы
QC = P(tan φ1 − tan φ2), C = QC/(3ωV²)
Напряжение на каждом конденсаторе
Δ: VL Y: VL/√3
Потребляемая мощность двигателя
Pin = Pout/η
Переходные процессы RC и RL
Постоянная времени
τ = RC | τ = L/R
Отклик
x(t) = x(∞) + [x(0) − x(∞)]·e−t/τ
Конденсатор на постоянном токе
разрыв; vC не может измениться скачком
Катушка на постоянном токе
короткое замыкание; iL не может измениться скачком
Установившийся режим
t ≈ 5τ
Метод
Найдите начальное значение сразу после коммутации: напряжение на конденсаторе и ток в катушке не могут изменяться скачком.
Найдите установившееся значение спустя долгое время после коммутации: конденсатор ведёт себя как разрыв, катушка — как короткое замыкание.
Найдите постоянную времени: τ = RC или τ = L/R, где берётся сопротивление со стороны конденсатора или катушки.
Используйте x(t) = x(∞) + [x(0) − x(∞)]·e−t/τ.
Тевенин и Нортон
Напряжение Тевенина
Vth = Vopen circuit
Сопротивление Тевенина
Rth: все источники отключены, со стороны a–b
Ток Нортона
IN = Vth/Rth
Ток нагрузки
IL = Vth/(Rth + RL)
Передача максимальной мощности
RL = Rth, Pmax = Vth²/(4Rth)
Метод
Отключите нагрузку и обозначьте два зажима a и b.
Найдите напряжение холостого хода между a и b: это Vth.
Отключите все независимые источники и найдите сопротивление со стороны a–b: это Rth.
Верните нагрузку в эквивалентную схему: Vth последовательно с Rth.
Для эквивалента Нортона преобразуйте: IN = Vth/Rth, с RN = Rth параллельно.
2Тренировочные задачи
1.Комплексные числаСредняя
Запишите z = 5 − j6 в показательной форме r·ejθ. Укажите θ в радианах, между −π и π.
z = 5 − j6
θ = rad
2.Комплексные числаСложная
Решите z² − 5z + 8,5 = 0. Корни равны a ± jb; найдите действительную часть a.
p = −5q = 8,5
a =
3.Полное сопротивление и комплексные амплитудыСредняя
Последовательная цепь RLC подключена к сети 50 V (действующее значение), 200 Hz. Найдите коэффициент мощности cos φ цепи.
V = 50 V (rms)f = 200 HzR = 50 ΩL = 20 mHC = 100 µF
cos φ =
4.Полное сопротивление и комплексные амплитудыСложная
Последовательная цепь RLC подключена к сети 230 V (действующее значение), 60 Hz. Найдите резонансную частоту f0 цепи.
V = 230 V (rms)f = 60 HzR = 100 ΩL = 100 mHC = 22 µF
f0 = Hz
5.Мощность переменного тока и коэффициент мощностиСредняя
Нагрузка с полным сопротивлением Z = 12 + j5 Ω подключена к однофазной сети 240 V (действующее значение). Найдите полную мощность S.
V = 240 VZ = 12 + j5 Ω
S = VA
6.Мощность переменного тока и коэффициент мощностиСложная
Однофазная нагрузка потребляет 12 kW при коэффициенте мощности 0,7 (индуктивном) от сети 400 V, 60 Hz. Параллельно нагрузке подключён конденсатор 68 µF. Найдите новый ток линии I.
P = 12 kWpf1 = 0,7V = 400 Vf = 60 HzC = 68 µF
I = A
7.LC-резонанс, добротность и полоса пропусканияСредняя
Конденсатор 10 µF, заряженный до 15 V, колеблется с идеальной катушкой 100 µH. Найдите энергию WL, запасённую в катушке в момент, когда напряжение на конденсаторе равно 9 V, в µJ.
C = 10 µFV0 = 15 VvC = 9 V
WL = µJ
8.LC-резонанс, добротность и полоса пропусканияСложная
Заряженный конденсатор 470 nF разряжается через катушку 22 mH с полным последовательным сопротивлением 5 Ω, поэтому колебания медленно затухают. Амплитуда убывает как e−Rt/(2L). Сколько периодов колебаний n пройдёт, прежде чем амплитуда уменьшится вдвое? (Потери малы, поэтому частота равна f₀.)
L = 22 mHC = 470 nFR = 5 Ω
n =
9.Трёхфазная мощностьСредняя
Трёхфазный асинхронный двигатель при полной нагрузке развивает механическую мощность 110 kW. При этой нагрузке его КПД равен 91%, а коэффициент мощности 0,8 (отстающий). Линейное напряжение сети 690 V. Найдите линейный ток IL.
Pout = 110 kWη = 91%cos φ = 0,8VL = 690 V
IL = A
10.Трёхфазная мощностьСложная
Симметричная трёхфазная нагрузка потребляет 50 kW при коэффициенте мощности 0,72 (отстающий) от сети 400 V (линейное), 60 Hz. Трёхфазная конденсаторная батарея, включённая параллельно нагрузке, должна повысить общий коэффициент мощности до 0,9 (отстающий). Активная мощность не меняется. Конденсаторы соединены звездой. Найдите ёмкость Cph каждого конденсатора в µF.
P = 50 kWpf1 = 0,72pf2 = 0,9VL = 400 Vf = 60 Hz
Cph = µF
11.Переходные процессы RC и RLСредняя
До замыкания ключа в момент t = 0 тока через катушку нет. Найдите ток i в момент t = 1 ms.
Vs = 15 VR = 47 ΩL = 47 mHt = 1 ms
i = A
12.Переходные процессы RC и RLСложная
Непосредственно перед замыканием ключа в момент t = 0 конденсатор заряжен до 20 V с указанной полярностью. Через какое время vC достигнет 15 V? Найдите t.
Vs = 10 VR = 1 kΩC = 47 µFvC(0) = 20 V
t = ms
13.Тевенин и НортонСредняя
Найдите ток Нортона IN: ток, текущий от a к b, если зажимы замкнуть накоротко.
V1 = 24 VR1 = 4 ΩR2 = 15 ΩR3 = 8 Ω
IN = A
14.Тевенин и НортонСложная
Найдите напряжение Тевенина Vth со стороны зажимов a–b.
V1 = 6 VIs = 0,5 AR1 = 10 ΩR2 = 20 ΩR3 = 4 Ω
Vth = V
15.Диаграммы Боде и запасыСредняя
Изображённый RL-фильтр нижних частот имеет R = 1000 Ω, L = 4,7 mH. На вход подаётся синусоидальный сигнал 68 kHz. Найдите коэффициент усиления |H| = |vout/vin| в dB.
R = 1000 ΩL = 4,7 mHf = 68 kHz
|H| = dB
16.Диаграммы Боде и запасыСложная
Контур с единичной обратной связью имеет передаточную функцию разомкнутой системы L(s) = K/(s(s + 4)(s + 9)). Найдите коэффициент усиления K, который даёт запас по усилению 2 dB.
L(s) = K/(s(s + 4)(s + 9))GM = 2 dB
K =
3Растворы
1.Комплексные числа
Ответ: θ = −0,8761 rad
Полярная форма: z = r∠θ = r(cos θ + j sin θ) = r·ejθ, где r = |z| и θ = arg z. Обратно к алгебраической форме: a = r cos θ, b = r sin θ. Для аргумента нужна четверть: θ = atan(b/a) только при a > 0; при a < 0 прибавьте или вычтите 180°. В полярной форме умножение простое: перемножьте модули и сложите аргументы; при делении разделите модули и вычтите аргументы.
Модуль
r = √(25 + 36) = 7,81
Аргумент в радианах
θ = −50,19° = −50,19·π/180 = −0,8761 rad
Показательная форма
z = 7,81·e−j0,8761
Ответ
θ = −0,8761 rad
2.Комплексные числа
Ответ: a = 2,5
Формула Муавра и корни: (r∠θ)ⁿ = rⁿ∠nθ. Уравнение zⁿ = R∠φ имеет ровно n корней, все с модулем R1/n, при аргументах (φ + 360°·k)/n для k = 0, 1, …, n − 1: они лежат равномерно на окружности, через 360°/n. Квадратное уравнение z² + pz + q = 0 при p² < 4q имеет комплексные корни z = −p/2 ± j√(q − p²/4); многочлен с действительными коэффициентами всегда имеет комплексные корни парами сопряжённых a ± jb.
Дискриминант
p² − 4q = 25 − 34 = −9 < 0
Формула корней квадратного уравнения
z = (5 ± j√9)/2 = 2,5 + j1,5, 2,5 − j1,5
Ответ
a = 2,5
Ответ
a = 2,5
3.Полное сопротивление и комплексные амплитуды
Ответ: cos φ = 0,9458
Цепи переменного тока и комплексный метод: резисторы, катушки и конденсаторы имеют полные сопротивления R, jωL и 1/(jωC), где ω = 2πf. При последовательном соединении полные сопротивления складываются как сопротивления, но как комплексные числа. Действующие значения тока и напряжения подчиняются закону Ома с |Z|.
Реактивные сопротивления
XL = 25,13 Ω, XC = 7,958 Ω
Полное сопротивление
|Z| = √(50² + (17,17)²) = 52,87 Ω
Коэффициент мощности
cos φ = R/|Z| = 50/52,87 = 0,9458
Цепь индуктивная, поэтому коэффициент мощности отстающий.
Ответ
cos φ = 0,9458
4.Полное сопротивление и комплексные амплитуды
Ответ: f0 = 107,3 Hz
Цепи переменного тока и комплексный метод: резисторы, катушки и конденсаторы имеют полные сопротивления R, jωL и 1/(jωC), где ω = 2πf. При последовательном соединении полные сопротивления складываются как сопротивления, но как комплексные числа. Действующие значения тока и напряжения подчиняются закону Ома с |Z|.
Резонанс
При резонансе индуктивное и ёмкостное сопротивления компенсируют друг друга: ωL = 1/(ωC). Частота сети не важна.
5.Мощность переменного тока и коэффициент мощности
Ответ: S = 4431 VA
Мощность переменного тока: полная мощность S = V·I (VA) складывается из активной мощности P = S·cos φ (W), совершающей полезную работу, и реактивной мощности Q = S·sin φ (var), которая колеблется между источником и нагрузкой. Коэффициент мощности — cos φ. Параллельный конденсатор поставляет реактивную мощность на месте, поэтому ток линии уменьшается при той же активной мощности.
Ток
|Z| = √(12² + 5²) = 13 Ω
I = V/|Z| = 240/13 = 18,46 A
Полная мощность
S = V·I = 240·18,46 = 4431 VA
Ответ
S = 4431 VA
6.Мощность переменного тока и коэффициент мощности
Ответ: I = 36,25 A
Мощность переменного тока: полная мощность S = V·I (VA) складывается из активной мощности P = S·cos φ (W), совершающей полезную работу, и реактивной мощности Q = S·sin φ (var), которая колеблется между источником и нагрузкой. Коэффициент мощности — cos φ. Параллельный конденсатор поставляет реактивную мощность на месте, поэтому ток линии уменьшается при той же активной мощности.
Реактивная мощность до и после
Активная мощность P не меняется; меняется только реактивная мощность из сети.
Q1 = 12·tan(arccos 0,7) = 12,24 kvar
QC = V²·2πf·C = 400²·2π·60·68·10⁻⁶ = 4102 var = 4,102 kvar
Q2 = 12,24 − 4,102 = 8,141 kvar
Новая полная мощность
S2 = √(12² + 8,141²) = 14,5 kVA
Новый ток линии
I = S2/V = 14501/400 = 36,25 A
Ответ
I = 36,25 A
7.LC-резонанс, добротность и полоса пропускания
Ответ: WL = 720 µJ
LC-резонанс: заряженный конденсатор, подключённый к катушке индуктивности, создаёт ток, который заряжает его в обратную сторону: энергия переходит между электрическим полем C (½Cv²) и магнитным полем L (½Li²) на собственной частоте f0 = 1/(2π√(LC)). Без сопротивления полная энергия ½CV0² остаётся постоянной, поэтому пиковый ток равен Imax = V0√(C/L). Один период равен T = 1/f0; энергия переходит из C в L за его четверть.
Полная энергия
½·1 × 10⁻⁵·15² = 0,001125 J
Энергия, оставшаяся в конденсаторе
½·1 × 10⁻⁵·9² = 0,000405 J
Энергия в катушке
WL = 0,00072 J = 720 µJ
Ответ
WL = 720 µJ
8.LC-резонанс, добротность и полоса пропускания
Ответ: n = 9,547
Добротность и полоса пропускания: в резонансном контуре Q = 2π·(запасённая энергия)/(энергия, теряемая за период). Для последовательного RLC Q = ω0L/R = (1/R)√(L/C); для параллельного RLC Q = R/(ω0L) = R√(C/L). Полоса пропускания между частотами половинной мощности f1 и f2 (где мощность вдвое меньше, а ток или напряжение составляют 1/√2 от пикового) равна BW = f2 − f1 = f0/Q, то есть R/(2πL) для последовательного и 1/(2πRC) для параллельного контура. Резонансная частота — это среднее геометрическое f0 = √(f1f2), а f1,2 = f0(√(1 + 1/(4Q²)) ∓ 1/(2Q)). Потери также вызывают затухание колебаний: в последовательном RLC амплитуда убывает как e−Rt/(2L).
Время уменьшения амплитуды вдвое
t = 2·0,022·ln 2/5 = 0,0061 s
Число периодов
n = t·f0 = 0,0061·1565 = 9,547
Ответ
n = 9,547
Короткий путь: n = Q·ln 2/π при Q = 43,27.
9.Трёхфазная мощность
Ответ: IL = 126,4 A
Симметричные трёхфазные системы: при соединении звездой (Y) линейное напряжение в √3 раз больше фазного, VL = √3·Vph, а линейный ток равен фазному. При соединении треугольником (Δ) линейное напряжение равно фазному, а линейный ток в √3 раз больше фазного, IL = √3·Iph. Полная мощность в три раза больше мощности одной фазы: P = 3·Vph·Iph·cos φ = √3·VL·IL·cos φ.
Потребляемая электрическая мощность
Pin = Pout/η = 110/0,91 = 120,9 kW
Ток линии
IL = Pin/(√3·VL·cos φ) = 120879/(√3·690·0,8) = 126,4 A
Ответ
IL = 126,4 A
10.Трёхфазная мощность
Ответ: Cph = 397,5 µF
Симметричные трёхфазные системы: при соединении звездой (Y) линейное напряжение в √3 раз больше фазного, VL = √3·Vph, а линейный ток равен фазному. При соединении треугольником (Δ) линейное напряжение равно фазному, а линейный ток в √3 раз больше фазного, IL = √3·Iph. Полная мощность в три раза больше мощности одной фазы: P = 3·Vph·Iph·cos φ = √3·VL·IL·cos φ. Компенсация реактивной мощности: конденсаторы вырабатывают реактивную мощность на месте, QC = P·(tan φ1 − tan φ2). Каждый из трёх конденсаторов даёт QC/3 = V²·ω·C, где V — напряжение на этом конденсаторе: VL в батарее, соединённой треугольником, VL/√3 — в батарее, соединённой звездой.
Реактивная мощность до и после
Активная мощность не меняется, поэтому каждый коэффициент мощности задаёт реактивную мощность: Q = P·tan φ.
Q1 = 50·tan(acos 0,72) = 50·0,9639 = 48,19 kvar
Q2 = 50·tan(acos 0,9) = 50·0,4843 = 24,22 kvar
Реактивная мощность конденсаторов
QC = Q1 − Q2 = 23,98 kvar
Ёмкость на фазу
В батарее, соединённой звездой, каждый конденсатор включён между линейным проводом и нейтральной точкой.
Переходные процессы первого порядка: в цепи с одним конденсатором или одной катушкой каждое напряжение и каждый ток экспоненциально меняются от начального к конечному значению: x(t) = x(∞) + [x(0) − x(∞)]·e−t/τ, где τ = RC или τ = L/R. Примерно через 5τ цепь выходит на установившийся режим.
Постоянная времени и конечный ток
Спустя долгое время после замыкания катушка ведёт себя как короткое замыкание, поэтому конечный ток определяется только R.
Переходные процессы первого порядка: в цепи с одним конденсатором или одной катушкой каждое напряжение и каждый ток экспоненциально меняются от начального к конечному значению: x(t) = x(∞) + [x(0) − x(∞)]·e−t/τ, где τ = RC или τ = L/R. Примерно через 5τ цепь выходит на установившийся режим.
Начальное значение, конечное значение, постоянная времени
Напряжение на конденсаторе не может измениться скачком, поэтому оно начинается с накопленного значения и стремится к напряжению источника.
t = τ·ln((20 − 10)/(15 − 10)) = 47·ln(2) = 32,58 ms
Ответ
t = 32,58 ms
13.Тевенин и Нортон
Ответ: IN = 1,698 A
Теорема Тевенина: любая линейная двухполюсная цепь ведёт себя как один источник напряжения Vth, последовательный с сопротивлением Rth. Теорема Нортона представляет ту же цепь как источник тока IN = Vth/Rth, параллельный Rth.
Найдите Rth со всеми отключёнными источниками
Замените источники напряжения короткими замыканиями, а источники тока — разрывами, затем посмотрите на цепь со стороны a–b.
R1 ∥ R2 = 4·15/(4+15) = 3,158 Ω
Rth = (R1 ∥ R2) + R3 = 3,158 + 8 = 11,16 Ω
Найдите Vth — напряжение холостого хода
Когда a–b разомкнуты, через R₃ ток не течёт, поэтому падения на нём нет и V_b = V_A. R₁ и R₂ образуют делитель напряжения.
Vth = V1·R2/(R1+R2) = 24·15/(4+15) = 18,95 V
Эквивалент Нортона
Источник Нортона — та же цепь, представленная как источник тока, параллельный R_th. Его ток — это ток короткого замыкания на a–b.
IN = Vth/Rth = 18,95/11,16 = 1,698 A
14.Тевенин и Нортон
Ответ: Vth = 9,333 V
Теорема Тевенина: любая линейная двухполюсная цепь ведёт себя как один источник напряжения Vth, последовательный с сопротивлением Rth. Теорема Нортона представляет ту же цепь как источник тока IN = Vth/Rth, параллельный Rth.
Найдите Rth со всеми отключёнными источниками
Замените источники напряжения короткими замыканиями, а источники тока — разрывами, затем посмотрите на цепь со стороны a–b.
R1 ∥ R2 = 10·20/(10+20) = 6,667 Ω
Rth = (R1 ∥ R2) + R3 = 6,667 + 4 = 10,67 Ω
Найдите Vth — напряжение холостого хода
Когда a–b разомкнуты, Iₛ может течь только через R₃ в узел A. Найдите V_A наложением V₁ и Iₛ, затем прибавьте падение на R₃.
VA = V1·R2/(R1+R2) + Is·(R1∥R2) = 4 + 0,5·6,667 = 7,333 V
Vth = VB = VA + Is·R3 = 7,333 + 0,5·4 = 9,333 V
15.Диаграммы Боде и запасы
Ответ: |H| = −7,018 dB
Частотная характеристика: подставьте s = jω в передаточную функцию. Модуль в децибелах равен 20·log₁₀|H(jω)|, а фаза — сумме углов множителей числителя минус сумма углов множителей знаменателя. У фильтра первого порядка RC или RL частота среза (−3 dB) равна ωc = 1/(RC) или R/L, и fc = ωc/(2π); фильтр нижних частот даёт |H| = 1/√(1 + (ω/ωc)²) и φ = −atan(ω/ωc). На асимптотической (кусочно-линейной) диаграмме Боде каждый полюс на своей частоте среза загибает модуль вниз на 20 dB/decade, каждый нуль загибает его вверх на 20 dB/decade, а интегратор 1/s даёт −20 dB/decade на всех частотах. Частота среза усиления ωc: |L(jω)| = 1 (0 dB); запас по фазе PM = 180° + ∠L(jωc). Частота перехода фазы ω180: ∠L(jω) = −180°; запас по усилению GM = −20·log₁₀|L(jω180)| dB. Замкнутая система устойчива, когда оба запаса положительны.
Частота среза
ωc = R/L = 1000/0,0047 = 212766 rad/s
fc = 33863 Hz → f/fc = 68000/33863 = 2,008
Коэффициент усиления
|H| = 1/√(1 + 2,008²) = 0,4458
20·log₁₀(0,4458) = −7,018 dB
Ответ
|H| = −7,018 dB
16.Диаграммы Боде и запасы
Ответ: K = 371,7
Частотная характеристика: подставьте s = jω в передаточную функцию. Модуль в децибелах равен 20·log₁₀|H(jω)|, а фаза — сумме углов множителей числителя минус сумма углов множителей знаменателя. У фильтра первого порядка RC или RL частота среза (−3 dB) равна ωc = 1/(RC) или R/L, и fc = ωc/(2π); фильтр нижних частот даёт |H| = 1/√(1 + (ω/ωc)²) и φ = −atan(ω/ωc). На асимптотической (кусочно-линейной) диаграмме Боде каждый полюс на своей частоте среза загибает модуль вниз на 20 dB/decade, каждый нуль загибает его вверх на 20 dB/decade, а интегратор 1/s даёт −20 dB/decade на всех частотах. Частота среза усиления ωc: |L(jω)| = 1 (0 dB); запас по фазе PM = 180° + ∠L(jωc). Частота перехода фазы ω180: ∠L(jω) = −180°; запас по усилению GM = −20·log₁₀|L(jω180)| dB. Замкнутая система устойчива, когда оба запаса положительны.