3.Полное сопротивление и комплексные амплитудыСредняя
Резистор и конденсатор включены параллельно в сеть 12 V (действующее значение), 200 Hz. Найдите модуль полного сопротивления |Z|.
V = 12 V (rms)f = 200 HzR = 15 ΩC = 22 µF
|Z| = Ω
4.Полное сопротивление и комплексные амплитудыСложная
Последовательная цепь RLC подключена к сети 24 V (действующее значение), 500 Hz. Найдите действующее значение напряжения VC на конденсаторе.
V = 24 V (rms)f = 500 HzR = 80 ΩL = 100 mHC = 100 µF
VC = V
5.Мощность переменного тока и коэффициент мощностиСредняя
Однофазный двигатель потребляет 1 kW при коэффициенте мощности 0,65 (индуктивном) от сети 400 V. Найдите ток линии I.
P = 1 kWpf = 0,65V = 400 V
I = A
6.Мощность переменного тока и коэффициент мощностиСложная
Однофазная нагрузка потребляет 18 kW при коэффициенте мощности 0,7 (индуктивном) от сети 240 V, 60 Hz. Параллельно нагрузке подключён конденсатор 220 µF. Найдите новый ток линии I.
P = 18 kWpf1 = 0,7V = 240 Vf = 60 HzC = 220 µF
I = A
7.LC-резонанс, добротность и полоса пропусканияСредняя
Конденсатор 10 pF, заряженный до 12 V, колеблется с идеальной катушкой 100 mH. Найдите энергию WL, запасённую в катушке в момент, когда напряжение на конденсаторе равно 6 V, в nJ.
C = 10 pFV0 = 12 VvC = 6 V
WL = nJ
8.LC-резонанс, добротность и полоса пропусканияСложная
Спроектируйте последовательный RLC-фильтр с полным сопротивлением 50 Ω, резонансной частотой 200 kHz и полосой пропускания 20 kHz. Найдите ёмкость C в nF.
R = 50 Ωf0 = 200 kHzBW = 20 kHz
C = nF
9.Трёхфазная мощностьСредняя
Симметричная нагрузка, соединённая звездой, с полным сопротивлением 24 + j7 Ω на фазу подключена к симметричной трёхфазной сети с линейным напряжением 208 V. Найдите полную активную мощность P, потребляемую нагрузкой, в kW.
VL = 208 VZ = 24 + j7 Ω на фазу
P = kW
10.Трёхфазная мощностьСложная
Симметричная трёхфазная нагрузка потребляет 60 kW при коэффициенте мощности 0,72 (отстающий) от сети 690 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 треугольником. Найдите ёмкость Cph каждого конденсатора в µF.
P = 60 kWpf1 = 0,72pf2 = 0,9VL = 690 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 = 5 ms.
Vs = 6 VR = 10 ΩL = 22 mHt = 5 ms
i = A
12.Переходные процессы RC и RLСложная
Ключ, шунтирующий R2, был замкнут долгое время, поэтому ток катушки установившийся. При t = 0 ключ размыкается. Через какое время после t = 0 ток катушки достигнет 1,587 A? Найдите t.
Vs = 20 VR1 = 10 ΩR2 = 22 ΩL = 68 mH
t = ms
13.Тевенин и НортонСредняя
Найдите сопротивление Тевенина Rth со стороны зажимов a–b.
V1 = 30 VR1 = 6 ΩR2 = 3 ΩR3 = 15 Ω
Rth = Ω
14.Тевенин и НортонСложная
К a–b подключена нагрузка RL = 2 Ω. С помощью эквивалента Тевенина найдите мощность PL, передаваемую в нагрузку.
Найдите точный модуль |G(jω)| функции G(s) = 1456/((s + 7)(s + 16)) при ω = 0,5 rad/s в dB.
G(s) = 1456/((s + 7)(s + 16))ω = 0,5 rad/s
|G(jω)| = dB
16.Диаграммы Боде и запасыСложная
Контур с единичной обратной связью имеет передаточную функцию разомкнутой системы L(s) = 12/(s(s + 8)). Найдите частоту среза усиления ωc, где |L(jω)| = 1.
L(s) = 12/(s(s + 8))
ωc = rad/s
3Растворы
1.Комплексные числа
Ответ: b = −2,992
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.
Формула Эйлера
z = 5·(cos −2,5 + j sin −2,5)
Компоненты (радианы)
a = 5·cos −2,5 = −4,006
b = 5·sin −2,5 = −2,992
b = −2,992
Ответ
b = −2,992
2.Комплексные числа
Ответ: r = 4
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 = 4 + 4 = 8 = −(−8).
3.Полное сопротивление и комплексные амплитуды
Ответ: |Z| = 13,86 Ω
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|.
Реактивное сопротивление
XC = 1/(ωC) = 1/(2π·200·22·10⁻⁶) = 36,17 Ω
Токи ветвей
Обе ветви подключены прямо к источнику, поэтому к каждой приложено полное напряжение V.
IR = V/R = 12/15 = 0,8 A
IX = V/XC = 12/36,17 = 0,3318 A
Общий ток
Ток резистора совпадает по фазе с V, а реактивный ток сдвинут на 90°, поэтому они складываются как катеты прямоугольного треугольника.
I = √(IR² + IX²) = √(0,8² + 0,3318²) = 0,8661 A
Полное сопротивление
|Z| = V/I = 12/0,8661 = 13,86 Ω
Ответ
|Z| = 13,86 Ω
4.Полное сопротивление и комплексные амплитуды
Ответ: VC = 0,2379 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|.
Реактивные сопротивления
ω = 2πf = 2π·500 = 3142 rad/s
XL = ωL = 3142·0,1 = 314,2 Ω
XC = 1/(ωC) = 1/(3142·100·10⁻⁶) = 3,183 Ω
Полное сопротивление
При последовательном соединении полные сопротивления складываются как комплексные числа: Z = R + j(XL − XC).
Через каждый элемент последовательной цепи течёт один и тот же ток.
I = V/|Z| = 24/321,1 = 0,07474 A
Напряжение на конденсаторе
VC = I·XC = 0,07474·3,183 = 0,2379 V
Ответ
VC = 0,2379 V
5.Мощность переменного тока и коэффициент мощности
Ответ: I = 3,846 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) = 1000/(400·0,65) = 3,846 A
Ответ
I = 3,846 A
6.Мощность переменного тока и коэффициент мощности
Ответ: I = 93,97 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 = 18·tan(arccos 0,7) = 18,36 kvar
QC = V²·2πf·C = 240²·2π·60·220·10⁻⁶ = 4777 var = 4,777 kvar
Q2 = 18,36 − 4,777 = 13,59 kvar
Новая полная мощность
S2 = √(18² + 13,59²) = 22,55 kVA
Новый ток линии
I = S2/V = 22552/240 = 93,97 A
Ответ
I = 93,97 A
7.LC-резонанс, добротность и полоса пропускания
Ответ: WL = 0,54 nJ
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 × 10⁻¹¹·12² = 7,2 × 10⁻¹⁰ J
Энергия, оставшаяся в конденсаторе
½·1 × 10⁻¹¹·6² = 1,8 × 10⁻¹⁰ J
Энергия в катушке
WL = 5,4 × 10⁻¹⁰ J = 0,54 nJ
Ответ
WL = 0,54 nJ
8.LC-резонанс, добротность и полоса пропускания
Ответ: C = 1,592 nF
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).
Индуктивность по полосе пропускания
L = R/(2π·BW) = 50/(2π·20000) = 0,0003979 H
Ёмкость по резонансной частоте
C = 1/((2π·200000)²·0,0003979) = 1,592 × 10⁻⁹ F = 1,592 nF
Ответ
C = 1,592 nF
Q = f₀/BW = 10.
9.Трёхфазная мощность
Ответ: P = 1,661 kW
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.
Фазное напряжение
Vph = 208/√3 = 120,1 V
Фазный ток
|Z| = √(24² + 7²) = 25 Ω
Iph = 120,1/25 = 4,804 A
Полная активная мощность
Активную мощность потребляет только активная составляющая каждого сопротивления.
P = 3·Iph²·R = 3·4,804²·24 = 1,661 kW
Ответ
P = 1,661 kW
Проверка: cos φ = R/|Z| = 0,96, и √3·VL·IL·cos φ даёт ту же мощность.
10.Трёхфазная мощность
Ответ: Cph = 53,43 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 = 60·tan(acos 0,72) = 60·0,9639 = 57,83 kvar
Q2 = 60·tan(acos 0,9) = 60·0,4843 = 29,06 kvar
Реактивная мощность конденсаторов
QC = Q1 − Q2 = 28,77 kvar
Ёмкость на фазу
В батарее, соединённой треугольником, каждый конденсатор включён между двумя линейными проводами.
V = 690 V, ω = 2π·60 = 377 rad/s
Cph = (QC/3)/(ω·V²) = 9591/(377·690²) = 53,43 µF
Ответ
Cph = 53,43 µF
11.Переходные процессы RC и RL
Ответ: i = 0,5382 A
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
До t = 0 замкнутый ключ шунтирует R₂; после этого в контур входят и R₁, и R₂.
i(0) = 20/10 = 2 A
i(∞) = 20/(10 + 22) = 0,625 A
τ = L/R = 68/32 = 2,125 ms
i(t) = 0,625 + (2 − 0,625)·e−t/τ
Выразите время
e−t/τ = (1,587 − 0,625)/(2 − 0,625) = 0,6996
t = 2,125·ln(1,429) = 0,759 ms
Ответ
t = 0,759 ms
13.Тевенин и Нортон
Ответ: Rth = 17 Ω
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 = 6·3/(6+3) = 2 Ω
Rth = (R1 ∥ R2) + R3 = 2 + 15 = 17 Ω
14.Тевенин и Нортон
Ответ: PL = 75 W
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 = 4·6/(4+6) = 2,4 Ω
Rth = (R1 ∥ R2) + R3 = 2,4 + 15 = 17,4 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) = 14,4 + 6·2,4 = 28,8 V
Vth = VB = VA + Is·R3 = 28,8 + 6·15 = 118,8 V
Подключите нагрузку к эквиваленту Тевенина
Источник Тевенина и последовательный R_th ведут себя на a–b точно как исходная цепь, поэтому нагрузка видит простой последовательный контур.
IL = Vth/(Rth + RL) = 118,8/(17,4 + 2) = 6,124 A
PL = IL²·RL = 6,124²·2 = 75 W
15.Диаграммы Боде и запасы
Ответ: |G(jω)| = 22,25 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.
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.