3.Полное сопротивление и комплексные амплитудыСредняя
Последовательная цепь RLC подключена к сети 50 V (действующее значение), 500 Hz. Найдите активную мощность P, потребляемую от источника.
V = 50 V (rms)f = 500 HzR = 30 ΩL = 50 mHC = 47 µF
P = W
4.Полное сопротивление и комплексные амплитудыСложная
Последовательный RLC-контур питается от источника 1 V (действующее значение), частота которого равна резонансной частоте контура. Найдите действующее напряжение VL на катушке.
V = 1 V (rms)R = 20 ΩL = 50 mHC = 10 µF
VL = V
5.Мощность переменного тока и коэффициент мощностиСредняя
Однофазный двигатель потребляет 39 kW при коэффициенте мощности 0,6 (индуктивном) от сети 240 V. Найдите ток линии I.
P = 39 kWpf = 0,6V = 240 V
I = A
6.Мощность переменного тока и коэффициент мощностиСложная
Источник 10 V (действующее значение), 1000 Hz имеет внутреннее сопротивление Zs = 20 + j6 Ω. Полное сопротивление нагрузки ZL можно выбирать произвольно. Нагрузка для максимальной мощности составлена из резистора, соединённого последовательно с конденсатором. Найдите ёмкость C.
Vs = 10 V (rms)f = 1000 HzZs = 20 + j6 Ω
C = µF
7.LC-резонанс, добротность и полоса пропусканияСредняя
Последовательный RLC-контур имеет R = 5 Ω, L = 220 µH и C = 220 pF. Найдите его добротность Q.
R = 5 ΩL = 220 µHC = 220 pF
Q =
8.LC-резонанс, добротность и полоса пропусканияСложная
Последовательный RLC-контур (R = 1 Ω, L = 4,7 mH, C = 2,2 µF) питается на резонансе при амплитуде тока 50 mA. Найдите энергию Ecycle, рассеиваемую в R за один период, в nJ.
R = 1 ΩL = 4,7 mHC = 2,2 µFIm = 50 mA
Ecycle = nJ
9.Трёхфазная мощностьСредняя
Трёхфазный асинхронный двигатель при полной нагрузке развивает механическую мощность 7,5 kW. При этой нагрузке его КПД равен 95%, а коэффициент мощности 0,8 (отстающий). Линейное напряжение сети 400 V. Найдите линейный ток IL.
Pout = 7,5 kWη = 95%cos φ = 0,8VL = 400 V
IL = A
10.Трёхфазная мощностьСложная
Симметричная трёхфазная нагрузка потребляет 50 kW при коэффициенте мощности 0,65 (отстающий) от сети 480 V (линейное), 50 Hz. Трёхфазная конденсаторная батарея, включённая параллельно нагрузке, должна повысить общий коэффициент мощности до 0,98 (отстающий). Активная мощность не меняется. Конденсаторы соединены звездой. Найдите ёмкость Cph каждого конденсатора в µF.
P = 50 kWpf1 = 0,65pf2 = 0,98VL = 480 Vf = 50 Hz
Cph = µF
11.Переходные процессы RC и RLСредняя
Через катушку течёт установившийся ток 1,5 A. При t = 0 ключ замыкает контур через R, а источник отключается, поэтому ток катушки убывает через R. За какое время ток уменьшится до 0,15 A? Найдите t.
i(0) = 1,5 AR = 47 ΩL = 220 mH
t = ms
12.Переходные процессы RC и RLСложная
Непосредственно перед замыканием ключа в момент t = 0 конденсатор заряжен до 3 V с указанной полярностью. Найдите напряжение на конденсаторе vC в момент t = 500 ms.
Vs = 12 VR = 3,3 kΩC = 100 µFvC(0) = 3 Vt = 500 ms
vC = V
13.Тевенин и НортонСредняя
Найдите ток Нортона IN: ток, текущий от a к b, если зажимы замкнуть накоротко.
V1 = 30 VR1 = 15 ΩR2 = 20 ΩR3 = 2 Ω
IN = A
14.Тевенин и НортонСложная
Найдите ток Нортона IN: ток, текущий от a к b, если зажимы замкнуть накоротко.
V1 = 30 VIs = 0,5 AR1 = 15 ΩR2 = 12 ΩR3 = 3 Ω
IN = A
15.Диаграммы Боде и запасыСредняя
Изображённый RL-фильтр нижних частот имеет R = 470 Ω, L = 1 mH. На вход подаётся синусоидальный сигнал 220 kHz. Найдите фазовый сдвиг φ напряжения vout относительно vin в градусах.
R = 470 ΩL = 1 mHf = 220 kHz
φ = °
16.Диаграммы Боде и запасыСложная
Контур с единичной обратной связью имеет передаточную функцию разомкнутой системы L(s) = 184/(s(s + 8)). Найдите частоту среза усиления ωc, где |L(jω)| = 1.
L(s) = 184/(s(s + 8))
ωc = rad/s
3Растворы
1.Комплексные числа
Ответ: B (8 + j8)
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.
Действие w
|z·w| = 2·|z|, arg(z·w) = arg z + 90°
Точка
z·w = 8 + j8 → B
Ответ
B (8 + j8)
2.Комплексные числа
Ответ: r = 1
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.
Проверьте по сумме корней: z₁ + z₂ + r = 2 + 1 = 3 = −(−3).
3.Полное сопротивление и комплексные амплитуды
Ответ: P = 3,193 W
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 = 157,1 Ω, XC = 6,773 Ω
Полное сопротивление
|Z| = √(30² + (150,3)²) = 153,3 Ω
Активная мощность
Катушки и конденсаторы только запасают и возвращают энергию; всю активную мощность потребляет резистор.
I = 50/153,3 = 0,3262 A
P = I²·R = 0,3262²·30 = 3,193 W
Ответ
P = 3,193 W
4.Полное сопротивление и комплексные амплитуды
Ответ: VL = 3,536 V
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 реактивные сопротивления компенсируются, поэтому полное сопротивление равно просто R.
ω₀ = 1/√(LC) = 1/√(0,05·10·10⁻⁶) = 1414 rad/s
I = V/R = 1/20 = 0,05 A
Напряжение на катушке
XL = ω₀L = 1414·0,05 = 70,71 Ω
VL = I·XL = 0,05·70,71 = 3,536 V
Ответ
VL = 3,536 V
Это в Q = 3,536 раз больше напряжения источника.
5.Мощность переменного тока и коэффициент мощности
Ответ: I = 270,8 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.
Ток линии
Работу совершает только активная часть мощности, поэтому разделите на коэффициент мощности.
I = P/(V·cos φ) = 39000/(240·0,6) = 270,8 A
Ответ
I = 270,8 A
6.Мощность переменного тока и коэффициент мощности
Ответ: C = 26,53 µF
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.
Сопряжённое согласование
Реактивное сопротивление нагрузки компенсирует реактивное сопротивление источника, а активное сопротивление нагрузки равно активному сопротивлению источника.
ZL = Zs* = 20 − j6 Ω
Ёмкость
XC = 6 Ω → C = 1/(2π·1000·6) = 26,53 µF
Ответ
C = 26,53 µF
7.LC-резонанс, добротность и полоса пропускания
Ответ: Q = 200
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).
Характеристическое сопротивление
√(L/C) = √(0,00022/2,2 × 10⁻¹⁰) = 1000 Ω
Добротность
Q = 1000/5 = 200
Ответ
Q = 200
Резонансная частота равна 723,4 kHz, поэтому BW = f₀/Q = 3,617 kHz.
8.LC-резонанс, добротность и полоса пропускания
Ответ: Ecycle = 798,6 nJ
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).
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 = 7,5/0,95 = 7,895 kW
Ток линии
IL = Pin/(√3·VL·cos φ) = 7895/(√3·400·0,8) = 14,24 A
Ответ
IL = 14,24 A
10.Трёхфазная мощность
Ответ: Cph = 667,3 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 0,65) = 50·1,169 = 58,46 kvar
Q2 = 50·tan(acos 0,98) = 50·0,2031 = 10,15 kvar
Реактивная мощность конденсаторов
QC = Q1 − Q2 = 48,3 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
τ = L/R = 220 mH / 47 Ω = 4,681 ms
Выразите время
0,15 = 1,5·e−t/τ → t = τ·ln(1,5/0,15)
t = 4,681·ln(10) = 10,78 ms
Ответ
t = 10,78 ms
12.Переходные процессы RC и RL
Ответ: vC = 10,02 V
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.
vC(0) = 3 V, vC(∞) = Vs = 12 V
τ = R·C = 3,3 kΩ · 100 µF = 330 ms
vC(t) = 12 + (3 − 12)·e−t/τ
Напряжение в заданный момент
vC(500) = 12 + (−9)·e−500/330 = 10,02 V
Ответ
vC = 10,02 V
13.Тевенин и Нортон
Ответ: IN = 1,622 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 = 15·20/(15+20) = 8,571 Ω
Rth = (R1 ∥ R2) + R3 = 8,571 + 2 = 10,57 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) = 30·20/(15+20) = 17,14 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 = 17,14/10,57 = 1,622 A
14.Тевенин и Нортон
Ответ: IN = 1,879 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 = 15·12/(15+12) = 6,667 Ω
Rth = (R1 ∥ R2) + R3 = 6,667 + 3 = 9,667 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) = 13,33 + 0,5·6,667 = 16,67 V
Vth = VB = VA + Is·R3 = 16,67 + 0,5·3 = 18,17 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 = 18,17/9,667 = 1,879 A
15.Диаграммы Боде и запасы
Ответ: φ = −71,22 °
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 = 470/0,001 = 470000 rad/s
fc = 74803 Hz → f/fc = 220000/74803 = 2,941
Фаза
φ = − atan(2,941) = −71,22°
Ответ
φ = −71,22°
16.Диаграммы Боде и запасы
Ответ: ωc = 12,44 rad/s
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.