3.Полное сопротивление и комплексные амплитудыСредняя
Последовательная цепь RLC подключена к сети 230 V (действующее значение), 60 Hz. Найдите действующее значение тока I.
V = 230 V (rms)f = 60 HzR = 50 ΩL = 100 mHC = 100 µF
I = A
4.Полное сопротивление и комплексные амплитудыСложная
Резистор R1 включён последовательно с параллельным соединением R2 и конденсатора C в сеть 230 V (действующее значение), 200 Hz. Найдите модуль полного сопротивления |Z|.
V = 230 V (rms)f = 200 HzR1 = 20 ΩR2 = 150 ΩC = 4,7 µF
|Z| = Ω
5.Мощность переменного тока и коэффициент мощностиСредняя
Однофазный двигатель потребляет 19 kW при коэффициенте мощности 0,6 (индуктивном) от сети 230 V. Найдите ток линии I.
P = 19 kWpf = 0,6V = 230 V
I = A
6.Мощность переменного тока и коэффициент мощностиСложная
Однофазная нагрузка потребляет 14 kW при коэффициенте мощности 0,8 (индуктивном) от сети 230 V, 60 Hz. Параллельно нагрузке подключён конденсатор 150 µF. Найдите новый коэффициент мощности cos φ со стороны сети.
P = 14 kWpf1 = 0,8V = 230 Vf = 60 HzC = 150 µF
cos φ =
7.LC-резонанс, добротность и полоса пропусканияСредняя
В идеальном LC-контуре с L = 1 mH и C = 2,2 µF конденсатор полностью заряжен при t = 0. Через какое время вся энергия окажется в катушке? Дайте t в µs.
L = 1 mHC = 2,2 µF
t = µs
8.LC-резонанс, добротность и полоса пропусканияСложная
Последовательный резонансный контур использует катушку 22 µH. Какое полное последовательное сопротивление R даёт полосу пропускания 100 kHz?
L = 22 µHBW = 100 kHz
R = Ω
9.Трёхфазная мощностьСредняя
Симметричная трёхфазная нагрузка потребляет линейный ток 15 A от сети с линейным напряжением 415 V. Коэффициент мощности 0,8 (отстающий). Найдите полную активную мощность P, потребляемую нагрузкой, в kW.
VL = 415 VIL = 15 Acos φ = 0,8
P = kW
10.Трёхфазная мощностьСложная
Симметричная трёхфазная нагрузка потребляет 75 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 0,9 (отстающий). Активная мощность не меняется. Найдите полную реактивную мощность QC, которую должна выдавать конденсаторная батарея, в kvar.
P = 75 kWpf1 = 0,72pf2 = 0,9VL = 480 Vf = 50 Hz
QC = kvar
11.Переходные процессы RC и RLСредняя
До замыкания ключа в момент t = 0 тока через катушку нет. Найдите энергию W, запасённую в катушке при t = 10 ms, в mJ.
Vs = 12 VR = 47 ΩL = 220 mHt = 10 ms
W = mJ
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. Найдите ток катушки i при t = 10 ms.
Vs = 12 VR1 = 10 ΩR2 = 10 ΩL = 68 mHt = 10 ms
i = A
13.Тевенин и НортонСредняя
Найдите сопротивление Тевенина Rth со стороны зажимов a–b.
V1 = 30 VR1 = 8 ΩR2 = 4 ΩR3 = 15 Ω
Rth = Ω
14.Тевенин и НортонСложная
К a–b подключена нагрузка RL = 8 Ω. С помощью эквивалента Тевенина найдите мощность PL, передаваемую в нагрузку.
V1 = 5 VIs = 6 AR1 = 25 ΩR2 = 6 ΩR3 = 8 ΩRL = 8 Ω
PL = W
15.Диаграммы Боде и запасыСредняя
В показанном последовательном RLC-полосовом фильтре выход берётся на R = 20 Ω при L = 10 mH и C = 4,7 µF. Найдите добротность Q.
R = 20 ΩL = 10 mHC = 4,7 µF
Q =
16.Диаграммы Боде и запасыСложная
Контур с единичной обратной связью имеет передаточную функцию разомкнутой системы L(s) = K/(s(s + 1)(s + 5)). Найдите коэффициент усиления K, который даёт запас по усилению 3 dB.
L(s) = K/(s(s + 1)(s + 5))GM = 3 dB
K =
3Растворы
1.Комплексные числа
Ответ: a = −1,665
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 = 4·(cos 2 + j sin 2)
Компоненты (радианы)
a = 4·cos 2 = −1,665
b = 4·sin 2 = 3,637
a = −1,665
Ответ
a = −1,665
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 = 8 + (−1) = 7 = −(−7).
3.Полное сопротивление и комплексные амплитуды
Ответ: I = 4,489 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·60 = 377 rad/s
XL = ωL = 377·0,1 = 37,7 Ω
XC = 1/(ωC) = 1/(377·100·10⁻⁶) = 26,53 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| = 230/51,23 = 4,489 A
Ответ
I = 4,489 A
4.Полное сопротивление и комплексные амплитуды
Ответ: |Z| = 127,9 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/(2π·200·4,7·10⁻⁶) = 169,3 Ω
Параллельное соединение
Умножьте числитель и знаменатель на комплексно сопряжённое число, чтобы разделить Zp на действительную и мнимую части.
5.Мощность переменного тока и коэффициент мощности
Ответ: I = 137,7 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) = 19000/(230·0,6) = 137,7 A
Ответ
I = 137,7 A
6.Мощность переменного тока и коэффициент мощности
Ответ: cos φ = 0,8813
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 = 14·tan(arccos 0,8) = 10,5 kvar
QC = V²·2πf·C = 230²·2π·60·150·10⁻⁶ = 2991 var = 2,991 kvar
Q2 = 10,5 − 2,991 = 7,509 kvar
Новая полная мощность
S2 = √(14² + 7,509²) = 15,89 kVA
Новый коэффициент мощности
cos φ = P/S2 = 14/15,89 = 0,8813
Ответ
cos φ = 0,8813
7.LC-резонанс, добротность и полоса пропускания
Ответ: t = 73,68 µs
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.
Период
T = 2π√(0,001·2,2 × 10⁻⁶) = 294,7 µs
Четверть периода
t = T/4 = 73,68 µs
Ответ
t = 73,68 µs
8.LC-резонанс, добротность и полоса пропускания
Ответ: R = 13,82 Ω
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 последовательного контура
BW = R/(2πL)
Сопротивление
R = 2π·2,2 × 10⁻⁵·100000 = 13,82 Ω
Ответ
R = 13,82 Ω
9.Трёхфазная мощность
Ответ: P = 8,626 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.
Полная мощность
S = √3·VL·IL = √3·415·15 = 10,78 kVA
Активная мощность
P = S·cos φ = 10,78·0,8 = 8,626 kW
Ответ
P = 8,626 kW
10.Трёхфазная мощность
Ответ: QC = 35,96 kvar
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 = 75·tan(acos 0,72) = 75·0,9639 = 72,29 kvar
Q2 = 75·tan(acos 0,9) = 75·0,4843 = 36,32 kvar
Реактивная мощность конденсаторов
QC = Q1 − Q2 = 35,96 kvar
Ответ
QC = 35,96 kvar
11.Переходные процессы RC и RL
Ответ: W = 5,577 mJ
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 = 220 mH / 47 Ω = 4,681 ms
i(∞) = Vs/R = 12/47 = 0,2553 A
Ток в заданный момент
i(t) = 0,2553·(1 − e−10/4,681) = 0,2252 A
Запасённая энергия
W = ½·L·i² = ½·220·0,2252² = 5,577 mJ
Ответ
W = 5,577 mJ
12.Переходные процессы RC и RL
Ответ: i = 1,062 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.
Начальное значение, конечное значение, постоянная времени
До t = 0 в контур входят оба резистора; после этого замкнутый ключ шунтирует R₂.
i(0) = 12/(10 + 10) = 0,6 A
i(∞) = 12/10 = 1,2 A
τ = L/R = 68/10 = 6,8 ms
i(t) = 1,2 + (0,6 − 1,2)·e−t/τ
Ток в заданный момент
i(10) = 1,2 + (−0,6)·e−10/6,8 = 1,062 A
Ответ
i = 1,062 A
13.Тевенин и Нортон
Ответ: Rth = 17,67 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 = 8·4/(8+4) = 2,667 Ω
Rth = (R1 ∥ R2) + R3 = 2,667 + 15 = 17,67 Ω
14.Тевенин и Нортон
Ответ: PL = 112,1 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 = 25·6/(25+6) = 4,839 Ω
Rth = (R1 ∥ R2) + R3 = 4,839 + 8 = 12,84 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) = 0,9677 + 6·4,839 = 30 V
Vth = VB = VA + Is·R3 = 30 + 6·8 = 78 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) = 78/(12,84 + 8) = 3,743 A
PL = IL²·RL = 3,743²·8 = 112,1 W
15.Диаграммы Боде и запасы
Ответ: Q = 2,306
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.
Резонансная частота
ω₀ = 1/√(LC) = 1/√(0,01·4,7 × 10⁻⁶) = 4613 rad/s
f₀ = ω₀/(2π) = 734,1 Hz
Добротность
BW = R/L = 20/0,01 = 2000 rad/s = 318,3 Hz
Q = ω₀/BW = 4613/2000 = 2,306
Ответ
Q = 2,306
16.Диаграммы Боде и запасы
Ответ: K = 21,24
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.