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
Даны z₁ = 3∠40° и z₂ = 1,5∠20°. Найдите аргумент θ числа w = z₁/z₂ в градусах, между −180° и 180°.
z₁ = 3∠40°z₂ = 1,5∠20°
θ = °
2.Комплексные числаСложная
Используйте формулу Муавра, чтобы найти мнимую часть z⁸ для z = √3 + j.
z = √3 + jn = 8
Im(z⁸) =
3.Полное сопротивление и комплексные амплитудыСредняя
Последовательная цепь RLC подключена к сети 10 V (действующее значение), 500 Hz. Найдите действующее значение тока I.
V = 10 V (rms)f = 500 HzR = 100 ΩL = 20 mHC = 22 µF
I = A
4.Полное сопротивление и комплексные амплитудыСложная
Последовательная цепь RLC подключена к сети 100 V (действующее значение), 1000 Hz. Найдите действующее значение тока I.
V = 100 V (rms)f = 1000 HzR = 80 ΩL = 200 mHC = 47 µF
I = A
5.Мощность переменного тока и коэффициент мощностиСредняя
Однофазный двигатель потребляет 38 kW при коэффициенте мощности 0,75 (индуктивном) от сети 240 V. Найдите реактивную мощность Q, которую он потребляет.
P = 38 kWpf = 0,75V = 240 V
Q = kvar
6.Мощность переменного тока и коэффициент мощностиСложная
Однофазный трансформатор 150 kVA питает нагрузку 56 kW при коэффициенте мощности 0,65 (индуктивном). Какую дополнительную активную мощность ΔP можно добавить в виде активной нагрузки (коэффициент мощности 1), прежде чем трансформатор достигнет своей номинальной мощности в kVA?
Smax = 150 kVAP1 = 56 kWpf1 = 0,65
ΔP = kW
7.LC-резонанс, добротность и полоса пропусканияСредняя
Последовательный RLC-контур имеет R = 5 Ω, L = 4,7 mH и C = 4,7 nF. Найдите его полосу пропускания BW в Hz.
R = 5 ΩL = 4,7 mHC = 4,7 nF
BW = Hz
8.LC-резонанс, добротность и полоса пропусканияСложная
Спроектируйте последовательный RLC-фильтр с полным сопротивлением 100 Ω, резонансной частотой 500 kHz и полосой пропускания 10 kHz. Найдите ёмкость C в nF.
R = 100 Ωf0 = 500 kHzBW = 10 kHz
C = nF
9.Трёхфазная мощностьСредняя
Трёхфазный асинхронный двигатель при полной нагрузке развивает механическую мощность 90 kW. При этой нагрузке его КПД равен 91%, а коэффициент мощности 0,88 (отстающий). Линейное напряжение сети 415 V. Найдите линейный ток IL.
Pout = 90 kWη = 91%cos φ = 0,88VL = 415 V
IL = A
10.Трёхфазная мощностьСложная
Симметричная трёхфазная нагрузка потребляет 250 kW при коэффициенте мощности 0,72 (отстающий) от сети 480 V (линейное), 50 Hz. Трёхфазная конденсаторная батарея, включённая параллельно нагрузке, должна повысить общий коэффициент мощности до 0,92 (отстающий). Активная мощность не меняется. Конденсаторы соединены треугольником. Найдите ёмкость Cph каждого конденсатора в µF.
P = 250 kWpf1 = 0,72pf2 = 0,92VL = 480 Vf = 50 Hz
Cph = µF
11.Переходные процессы RC и RLСредняя
До замыкания ключа в момент t = 0 тока через катушку нет. Найдите напряжение vL на катушке в момент t = 1 ms.
Vs = 6 VR = 22 ΩL = 22 mHt = 1 ms
vL = V
12.Переходные процессы RC и RLСложная
Ключ, шунтирующий R2, был разомкнут долгое время, поэтому ток катушки установившийся. При t = 0 ключ замыкается и закорачивает R2. Через какое время после t = 0 ток катушки достигнет 0,237 A? Найдите t.
Vs = 9 VR1 = 22 ΩR2 = 33 ΩL = 68 mH
t = ms
13.Тевенин и НортонСредняя
Найдите сопротивление Тевенина Rth со стороны зажимов a–b.
V1 = 30 VR1 = 8 ΩR2 = 2 ΩR3 = 3 Ω
Rth = Ω
14.Тевенин и НортонСложная
К a–b подключена нагрузка RL = 8 Ω. Замените остальную цепь эквивалентом Тевенина и найдите ток нагрузки IL.
Найдите точный модуль |G(jω)| функции G(s) = 3600/((s + 18)(s + 20)) при ω = 30 rad/s в dB.
G(s) = 3600/((s + 18)(s + 20))ω = 30 rad/s
|G(jω)| = dB
16.Диаграммы Боде и запасыСложная
Контур с единичной обратной связью имеет передаточную функцию разомкнутой системы L(s) = 80/(s(s + 2)(s + 7)). Найдите запас по усилению GM в dB.
L(s) = 80/(s(s + 2)(s + 7))
GM = dB
3Растворы
1.Комплексные числа
Ответ: θ = 20 °
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 и аргумент w
|w| = 3 / 1,5 = 2
θ = 40° − 20° = 20°
Аргумент
θ = 20°
Ответ
θ = 20°
2.Комплексные числа
Ответ: Im(z⁸) = −221,7
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.
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 = 3142·0,02 = 62,83 Ω
XC = 1/(ωC) = 1/(3142·22·10⁻⁶) = 14,47 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| = 10/111,1 = 0,09002 A
Ответ
I = 0,09002 A
4.Полное сопротивление и комплексные амплитуды
Ответ: I = 0,07963 A
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·1000 = 6283 rad/s
XL = ωL = 6283·0,2 = 1257 Ω
XC = 1/(ωC) = 1/(6283·47·10⁻⁶) = 3,386 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| = 100/1256 = 0,07963 A
Ответ
I = 0,07963 A
5.Мощность переменного тока и коэффициент мощности
Ответ: Q = 33,51 kvar
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.
Угол
φ = arccos(0,75) = 41,41°, tan φ = 0,8819
Реактивная мощность
Q = P·tan φ = 38·0,8819 = 33,51 kvar
Ответ
Q = 33,51 kvar
6.Мощность переменного тока и коэффициент мощности
Ответ: ΔP = 78,96 kW
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 существующей нагрузки
Q1 = 56·tan(arccos 0,65) = 65,47 kvar
Наибольшая суммарная активная мощность
При полной нагрузке S = Smax, а Q от активной нагрузки не меняется.
P = √(Smax² − Q1²) = √(150² − 65,47²) = 135 kW
Дополнительная активная мощность
ΔP = 135 − 56 = 78,96 kW
Ответ
ΔP = 78,96 kW
7.LC-резонанс, добротность и полоса пропускания
Ответ: BW = 169,3 Hz
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).
Полоса пропускания в rad/s
R/L = 5/0,0047 = 1064 rad/s
Полоса пропускания в Hz
BW = 1064/(2π) = 169,3 Hz = 169,3 Hz
Ответ
BW = 169,3 Hz
При f₀ = 33,86 kHz получаем Q = 200.
8.LC-резонанс, добротность и полоса пропускания
Ответ: C = 0,06366 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) = 100/(2π·10000) = 0,001592 H
Ёмкость по резонансной частоте
C = 1/((2π·500000)²·0,001592) = 6,366 × 10⁻¹¹ F = 0,06366 nF
Ответ
C = 0,06366 nF
Q = f₀/BW = 50.
9.Трёхфазная мощность
Ответ: IL = 156,4 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 = 90/0,91 = 98,9 kW
Ток линии
IL = Pin/(√3·VL·cos φ) = 98901/(√3·415·0,88) = 156,4 A
Ответ
IL = 156,4 A
10.Трёхфазная мощность
Ответ: Cph = 619,2 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 = 250·tan(acos 0,72) = 250·0,9639 = 241 kvar
Q2 = 250·tan(acos 0,92) = 250·0,426 = 106,5 kvar
Реактивная мощность конденсаторов
QC = Q1 − Q2 = 134,5 kvar
Ёмкость на фазу
В батарее, соединённой треугольником, каждый конденсатор включён между двумя линейными проводами.
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.
τ = L/R = 22 mH / 22 Ω = 1 ms
i(∞) = Vs/R = 6/22 = 0,2727 A
Напряжение на катушке
В момент t = 0 всё напряжение питания приложено к катушке; затем оно спадает до нуля.
vL(t) = Vs·e−t/τ = 6·e−1/1 = 2,207 V
Ответ
vL = 2,207 V
12.Переходные процессы RC и RL
Ответ: t = 1,098 ms
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 в контур входят оба резистора; после этого замкнутый ключ шунтирует R₂.
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 = 8·2/(8+2) = 1,6 Ω
Rth = (R1 ∥ R2) + R3 = 1,6 + 3 = 4,6 Ω
14.Тевенин и Нортон
Ответ: IL = 3,585 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 = 10·30/(10+30) = 7,5 Ω
Rth = (R1 ∥ R2) + R3 = 7,5 + 8 = 15,5 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) = 6,75 + 5·7,5 = 44,25 V
Vth = VB = VA + Is·R3 = 44,25 + 5·8 = 84,25 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) = 84,25/(15,5 + 8) = 3,585 A
15.Диаграммы Боде и запасы
Ответ: |G(jω)| = 9,109 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.