3.Полное сопротивление и комплексные амплитудыСредняя
Последовательная цепь RLC подключена к сети 120 V (действующее значение), 1000 Hz. Найдите угол сдвига фаз φ полного сопротивления в градусах (положительный, когда ток отстаёт от напряжения).
V = 120 V (rms)f = 1000 HzR = 100 ΩL = 250 mHC = 4,7 µF
φ = °
4.Полное сопротивление и комплексные амплитудыСложная
Последовательная цепь RLC подключена к сети 10 V (действующее значение), 100 Hz. Найдите действующее значение напряжения VC на конденсаторе.
V = 10 V (rms)f = 100 HzR = 15 ΩL = 100 mHC = 22 µF
VC = V
5.Мощность переменного тока и коэффициент мощностиСредняя
Однофазный двигатель потребляет 3 kW при коэффициенте мощности 0,9 (индуктивном) от сети 240 V. Найдите реактивную мощность Q, которую он потребляет.
P = 3 kWpf = 0,9V = 240 V
Q = kvar
6.Мощность переменного тока и коэффициент мощностиСложная
Однофазная нагрузка потребляет 5 kW при коэффициенте мощности 0,8 (индуктивном) от сети 240 V, 50 Hz. Параллельно подключённый конденсатор повышает коэффициент мощности до 0,9. Найдите новый ток линии Inew.
P = 5 kWpf1 = 0,8pf2 = 0,9V = 240 Vf = 50 Hz
Inew = A
7.LC-резонанс, добротность и полоса пропусканияСредняя
Параллельный RLC-контур имеет R = 47 kΩ, L = 10 mH и C = 2,2 nF. Найдите его добротность Q.
R = 47 kΩL = 10 mHC = 2,2 nF
Q =
8.LC-резонанс, добротность и полоса пропусканияСложная
Частоты половинной мощности резонансной кривой равны 2 kHz и 3 kHz. Найдите резонансную частоту как их среднее геометрическое, а затем добротность Q.
f1 = 2 kHzf2 = 3 kHz
Q =
9.Трёхфазная мощностьСредняя
Трёхфазный асинхронный двигатель при полной нагрузке развивает механическую мощность 45 kW. При этой нагрузке его КПД равен 93%, а коэффициент мощности 0,9 (отстающий). Линейное напряжение сети 415 V. Найдите линейный ток IL.
Pout = 45 kWη = 93%cos φ = 0,9VL = 415 V
IL = A
10.Трёхфазная мощностьСложная
Симметричная трёхфазная нагрузка потребляет 50 kW при коэффициенте мощности 0,7 (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. Найдите полную реактивную мощность QC, которую должна выдавать конденсаторная батарея, в kvar.
P = 50 kWpf1 = 0,7pf2 = 0,9VL = 690 Vf = 60 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 = 5 ms, в mJ.
Vs = 10 VR = 22 ΩL = 68 mHt = 5 ms
W = mJ
12.Переходные процессы RC и RLСложная
Непосредственно перед замыканием ключа в момент t = 0 конденсатор заряжен до 30 V с указанной полярностью. Найдите напряжение на конденсаторе vC в момент t = 120 ms.
Vs = 5 VR = 3,3 kΩC = 100 µFvC(0) = 30 Vt = 120 ms
vC = V
13.Тевенин и НортонСредняя
Найдите ток Нортона IN: ток, текущий от a к b, если зажимы замкнуть накоротко.
V1 = 30 VR1 = 10 ΩR2 = 10 ΩR3 = 10 Ω
IN = A
14.Тевенин и НортонСложная
К a–b подключена нагрузка RL = 20 Ω. Замените остальную цепь эквивалентом Тевенина и найдите ток нагрузки IL.
Изображённый RL-фильтр верхних частот имеет R = 220 Ω, L = 4,7 mH. На вход подаётся синусоидальный сигнал 1,5 kHz. Найдите фазовый сдвиг φ напряжения vout относительно vin в градусах.
R = 220 ΩL = 4,7 mHf = 1,5 kHz
φ = °
16.Диаграммы Боде и запасыСложная
Контур с единичной обратной связью имеет передаточную функцию разомкнутой системы L(s) = 238/(s(s + 5)(s + 10)). Найдите запас по усилению GM в dB.
L(s) = 238/(s(s + 5)(s + 10))
GM = dB
3Растворы
1.Комплексные числа
Ответ: a = −11,28
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 = 12·cos(160°) = −11,28
b = 12·sin(160°) = 4,104
Алгебраическая форма
z = −11,28 + j4,104
a = −11,28
Ответ
a = −11,28
2.Комплексные числа
Ответ: r = 2
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 + 2 = 6 = −(−6).
3.Полное сопротивление и комплексные амплитуды
Ответ: φ = 86,28 °
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 = 6283·0,25 = 1571 Ω
XC = 1/(ωC) = 1/(6283·4,7·10⁻⁶) = 33,86 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|.
Реактивные сопротивления
ω = 2πf = 2π·100 = 628,3 rad/s
XL = ωL = 628,3·0,1 = 62,83 Ω
XC = 1/(ωC) = 1/(628,3·22·10⁻⁶) = 72,34 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| = 10/17,76 = 0,563 A
Напряжение на конденсаторе
VC = I·XC = 0,563·72,34 = 40,73 V
Ответ
VC = 40,73 V
5.Мощность переменного тока и коэффициент мощности
Ответ: Q = 1,453 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(0,9) = 25,84°, tan φ = 0,4843
Реактивная мощность
Q = P·tan φ = 3·0,4843 = 1,453 kvar
Ответ
Q = 1,453 kvar
6.Мощность переменного тока и коэффициент мощности
Ответ: Inew = 23,15 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 = P·tan φ1 = 5·tan(36,87°) = 3,75 kvar
Q2 = P·tan φ2 = 5·tan(25,84°) = 2,422 kvar
QC = Q1 − Q2 = 1,328 kvar
Новый ток линии
Inew = P/(V·cos φ2) = 5000/(240·0,9) = 23,15 A
Ответ
Inew = 23,15 A
7.LC-резонанс, добротность и полоса пропускания
Ответ: Q = 22,04
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).
Резонансная частота
ω₀ = 1/√(LC) = 213201 rad/s
Добротность
Q = R/(ω₀L) = 47000/(213201·0,01) = 22,04
Ответ
Q = 22,04
Полоса пропускания равна 1/(2πRC) = 1,539 kHz.
8.LC-резонанс, добротность и полоса пропускания
Ответ: Q = 2,449
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).
Резонансная частота
f0 = √(2000·3000) = 2449 Hz
Полоса пропускания
BW = 3000 − 2000 = 1000 Hz
Добротность
Q = 2449/1000 = 2,449
Ответ
Q = 2,449
9.Трёхфазная мощность
Ответ: IL = 74,8 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 = 45/0,93 = 48,39 kW
Ток линии
IL = Pin/(√3·VL·cos φ) = 48387/(√3·415·0,9) = 74,8 A
Ответ
IL = 74,8 A
10.Трёхфазная мощность
Ответ: QC = 26,79 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 = 50·tan(acos 0,7) = 50·1,02 = 51,01 kvar
Q2 = 50·tan(acos 0,9) = 50·0,4843 = 24,22 kvar
Реактивная мощность конденсаторов
QC = Q1 − Q2 = 26,79 kvar
Ответ
QC = 26,79 kvar
11.Переходные процессы RC и RL
Ответ: W = 4,514 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 = 68 mH / 22 Ω = 3,091 ms
i(∞) = Vs/R = 10/22 = 0,4545 A
Ток в заданный момент
i(t) = 0,4545·(1 − e−5/3,091) = 0,3644 A
Запасённая энергия
W = ½·L·i² = ½·68·0,3644² = 4,514 mJ
Ответ
W = 4,514 mJ
12.Переходные процессы RC и RL
Ответ: vC = 22,38 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) = 30 V, vC(∞) = Vs = 5 V
τ = R·C = 3,3 kΩ · 100 µF = 330 ms
vC(t) = 5 + (30 − 5)·e−t/τ
Напряжение в заданный момент
vC(120) = 5 + (25)·e−120/330 = 22,38 V
Ответ
vC = 22,38 V
13.Тевенин и Нортон
Ответ: IN = 1 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 = 10·10/(10+10) = 5 Ω
Rth = (R1 ∥ R2) + R3 = 5 + 10 = 15 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) = 30·10/(10+10) = 15 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 = 15/15 = 1 A
14.Тевенин и Нортон
Ответ: IL = 0,9356 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 = 30·2/(30+2) = 1,875 Ω
Rth = (R1 ∥ R2) + R3 = 1,875 + 15 = 16,88 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) = 0,75 + 2·1,875 = 4,5 V
Vth = VB = VA + Is·R3 = 4,5 + 2·15 = 34,5 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) = 34,5/(16,88 + 20) = 0,9356 A
15.Диаграммы Боде и запасы
Ответ: φ = 78,62 °
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 = 220/0,0047 = 46809 rad/s
fc = 7450 Hz → f/fc = 1500/7450 = 0,2013
Фаза
φ = 90° − atan(0,2013) = 78,62°
Ответ
φ = 78,62°
16.Диаграммы Боде и запасы
Ответ: GM = 9,97 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.