3.Полное сопротивление и комплексные амплитудыСредняя
Последовательная цепь RLC подключена к сети 24 V (действующее значение), 50 Hz. Найдите угол сдвига фаз φ полного сопротивления в градусах (положительный, когда ток отстаёт от напряжения).
V = 24 V (rms)f = 50 HzR = 25 ΩL = 200 mHC = 10 µF
φ = °
4.Полное сопротивление и комплексные амплитудыСложная
Последовательный RLC-контур имеет R = 1 Ω, L = 20 mH и C = 1 µF. Найдите его полосу пропускания B (ширину полосы между частотами половинной мощности) в Hz.
R = 1 ΩL = 20 mHC = 1 µF
B = Hz
5.Мощность переменного тока и коэффициент мощностиСредняя
Нагрузка с полным сопротивлением Z = 7 + j24 Ω подключена к однофазной сети 240 V (действующее значение). Найдите полную мощность S.
V = 240 VZ = 7 + j24 Ω
S = VA
6.Мощность переменного тока и коэффициент мощностиСложная
Однофазная нагрузка потребляет 15 kW при коэффициенте мощности 0,65 (индуктивном) от сети 400 V, 60 Hz. Параллельно подключённый конденсатор повышает коэффициент мощности до 0,95. Найдите реактивную мощность QC, которую должен поставлять конденсатор.
P = 15 kWpf1 = 0,65pf2 = 0,95V = 400 Vf = 60 Hz
QC = kvar
7.LC-резонанс, добротность и полоса пропусканияСредняя
Конденсатор 470 nF, заряженный до 20 V, колеблется с идеальной катушкой 2,2 µH. Найдите энергию WL, запасённую в катушке в момент, когда напряжение на конденсаторе равно 8 V, в µJ.
C = 470 nFV0 = 20 VvC = 8 V
WL = µJ
8.LC-резонанс, добротность и полоса пропусканияСложная
Последовательный резонансный контур использует катушку 470 µH. Какое полное последовательное сопротивление R даёт полосу пропускания 1 kHz?
L = 470 µHBW = 1 kHz
R = Ω
9.Трёхфазная мощностьСредняя
Симметричная трёхфазная нагрузка потребляет линейный ток 80 A от сети с линейным напряжением 208 V. Коэффициент мощности 0,82 (отстающий). Найдите полную активную мощность P, потребляемую нагрузкой, в kW.
VL = 208 VIL = 80 Acos φ = 0,82
P = kW
10.Трёхфазная мощностьСложная
Симметричная трёхфазная нагрузка потребляет 150 kW при коэффициенте мощности 0,75 (отстающий) от сети 690 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 звездой. Найдите ёмкость Cph каждого конденсатора в µF.
P = 150 kWpf1 = 0,75pf2 = 0,92VL = 690 Vf = 50 Hz
Cph = µF
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 = 5 ms, в mJ.
Vs = 10 VR = 15 ΩL = 220 mHt = 5 ms
W = mJ
12.Переходные процессы RC и RLСложная
Непосредственно перед замыканием ключа в момент t = 0 конденсатор заряжен до 2 V с указанной полярностью. Через какое время vC достигнет 3,2 V? Найдите t.
Vs = 6 VR = 4,7 kΩC = 100 µFvC(0) = 2 V
t = ms
13.Тевенин и НортонСредняя
К a–b подключена нагрузка RL = 10 Ω. Замените остальную цепь эквивалентом Тевенина и найдите ток нагрузки IL.
V1 = 6 VR1 = 20 ΩR2 = 6 ΩR3 = 5 ΩRL = 10 Ω
IL = A
14.Тевенин и НортонСложная
Найдите напряжение Тевенина Vth со стороны зажимов a–b.
V1 = 5 VIs = 5 AR1 = 3 ΩR2 = 3 ΩR3 = 12 Ω
Vth = V
15.Диаграммы Боде и запасыСредняя
Найдите точный модуль |G(jω)| функции G(s) = 1573/((s + 11)(s + 13)) при ω = 20 rad/s в dB.
G(s) = 1573/((s + 11)(s + 13))ω = 20 rad/s
|G(jω)| = dB
16.Диаграммы Боде и запасыСложная
Контур с единичной обратной связью имеет передаточную функцию разомкнутой системы L(s) = 170/(s(s + 10)). Найдите запас по фазе PM в градусах.
L(s) = 170/(s(s + 10))
PM = °
3Растворы
1.Комплексные числа
Ответ: a = 9,397
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.
Составляющие
a = 10·cos(−20°) = 9,397
b = 10·sin(−20°) = −3,42
Алгебраическая форма
z = 9,397 − j3,42
a = 9,397
Ответ
a = 9,397
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 = −4 + (−1) = −5 = −(5).
3.Полное сопротивление и комплексные амплитуды
Ответ: φ = −84,41 °
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·50 = 314,2 rad/s
XL = ωL = 314,2·0,2 = 62,83 Ω
XC = 1/(ωC) = 1/(314,2·10·10⁻⁶) = 318,3 Ω
Полное сопротивление
При последовательном соединении полные сопротивления складываются как комплексные числа: Z = R + j(XL − XC).
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|.
Резонансная частота
f0 = 1/(2π·√(0,02·1·10⁻⁶)) = 1125 Hz
Добротность
Добротность сравнивает реактивное сопротивление при резонансе с активным: Q = ω₀L/R.
Q = (1/R)·√(L/C) = (1/1)·√(0,02/(1·10⁻⁶)) = 141,4
Полоса пропускания
B = f0/Q = 1125/141,4 = 7,958 Hz
Ответ
B = 7,958 Hz
5.Мощность переменного тока и коэффициент мощности
Ответ: S = 2304 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| = √(7² + 24²) = 25 Ω
I = V/|Z| = 240/25 = 9,6 A
Полная мощность
S = V·I = 240·9,6 = 2304 VA
Ответ
S = 2304 VA
6.Мощность переменного тока и коэффициент мощности
Ответ: QC = 12,61 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.
Реактивная мощность до и после
Активная мощность P не меняется; меняется только реактивная мощность из сети.
Q1 = P·tan φ1 = 15·tan(49,46°) = 17,54 kvar
Q2 = P·tan φ2 = 15·tan(18,19°) = 4,93 kvar
QC = Q1 − Q2 = 12,61 kvar
Ответ
QC = 12,61 kvar
7.LC-резонанс, добротность и полоса пропускания
Ответ: WL = 78,96 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
½·4,7 × 10⁻⁷·20² = 9,4 × 10⁻⁵ J
Энергия, оставшаяся в конденсаторе
½·4,7 × 10⁻⁷·8² = 1,504 × 10⁻⁵ J
Энергия в катушке
WL = 7,896 × 10⁻⁵ J = 78,96 µJ
Ответ
WL = 78,96 µJ
8.LC-резонанс, добротность и полоса пропускания
Ответ: R = 2,953 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·0,00047·1000 = 2,953 Ω
Ответ
R = 2,953 Ω
9.Трёхфазная мощность
Ответ: P = 23,63 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 = √3·208·80 = 28,82 kVA
Активная мощность
P = S·cos φ = 28,82·0,82 = 23,63 kW
Ответ
P = 23,63 kW
10.Трёхфазная мощность
Ответ: Cph = 457,2 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 = 150·tan(acos 0,75) = 150·0,8819 = 132,3 kvar
Q2 = 150·tan(acos 0,92) = 150·0,426 = 63,9 kvar
Реактивная мощность конденсаторов
QC = Q1 − Q2 = 68,39 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.
τ = L/R = 220 mH / 15 Ω = 14,67 ms
i(∞) = Vs/R = 10/15 = 0,6667 A
Ток в заданный момент
i(t) = 0,6667·(1 − e−5/14,67) = 0,1926 A
Запасённая энергия
W = ½·L·i² = ½·220·0,1926² = 4,08 mJ
Ответ
W = 4,08 mJ
12.Переходные процессы RC и RL
Ответ: t = 167,6 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
Напряжение на конденсаторе не может измениться скачком, поэтому оно начинается с накопленного значения и стремится к напряжению источника.
t = τ·ln((2 − 6)/(3,2 − 6)) = 470·ln(1,429) = 167,6 ms
Ответ
t = 167,6 ms
13.Тевенин и Нортон
Ответ: IL = 0,07059 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 = 20·6/(20+6) = 4,615 Ω
Rth = (R1 ∥ R2) + R3 = 4,615 + 5 = 9,615 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) = 6·6/(20+6) = 1,385 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) = 1,385/(9,615 + 10) = 0,07059 A
14.Тевенин и Нортон
Ответ: Vth = 70 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 = 3·3/(3+3) = 1,5 Ω
Rth = (R1 ∥ R2) + R3 = 1,5 + 12 = 13,5 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) = 2,5 + 5·1,5 = 10 V
Vth = VB = VA + Is·R3 = 10 + 5·12 = 70 V
15.Диаграммы Боде и запасы
Ответ: |G(jω)| = 9,215 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.