3.Полное сопротивление и комплексные амплитудыСредняя
Последовательный RLC-контур с C = 4,7 µF должен резонировать на частоте 500 Hz. Найдите необходимую индуктивность L.
f0 = 500 HzC = 4,7 µF
L = mH
4.Полное сопротивление и комплексные амплитудыСложная
Последовательная цепь RLC подключена к сети 24 V (действующее значение), 200 Hz. Найдите резонансную частоту f0 цепи.
V = 24 V (rms)f = 200 HzR = 20 ΩL = 250 mHC = 47 µF
f0 = Hz
5.Мощность переменного тока и коэффициент мощностиСредняя
Однофазный двигатель потребляет 2 kW при коэффициенте мощности 0,9 (индуктивном) от сети 240 V. Найдите ток линии I.
P = 2 kWpf = 0,9V = 240 V
I = A
6.Мощность переменного тока и коэффициент мощностиСложная
Однофазная нагрузка потребляет 20 kW при коэффициенте мощности 0,7 (индуктивном) от сети 230 V, 50 Hz. Параллельно подключённый конденсатор повышает коэффициент мощности до 0,9. Найдите необходимую ёмкость C.
P = 20 kWpf1 = 0,7pf2 = 0,9V = 230 Vf = 50 Hz
C = µF
7.LC-резонанс, добротность и полоса пропусканияСредняя
Последовательный RLC-контур резонирует на частоте 20 kHz при Q = 2,5. Найдите нижнюю частоту половинной мощности f1 точно, в kHz.
f0 = 20 kHzQ = 2,5
f1 = kHz
8.LC-резонанс, добротность и полоса пропусканияСложная
Последовательный RLC-контур (R = 10 Ω, L = 4,7 mH, C = 1 nF) питается на резонансе при амплитуде тока 200 mA. Найдите энергию Ecycle, рассеиваемую в R за один период, в µJ.
R = 10 ΩL = 4,7 mHC = 1 nFIm = 200 mA
Ecycle = µJ
9.Трёхфазная мощностьСредняя
Симметричная нагрузка, соединённая звездой, с полным сопротивлением 12 + j16 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 = 12 + j16 Ω на фазу
P = kW
10.Трёхфазная мощностьСложная
Симметричная трёхфазная нагрузка потребляет 75 kW при коэффициенте мощности 0,65 (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 звездой. Найдите ёмкость Cph каждого конденсатора в µF.
P = 75 kWpf1 = 0,65pf2 = 0,92VL = 480 Vf = 50 Hz
Cph = µF
11.Переходные процессы RC и RLСредняя
Через катушку течёт установившийся ток 1,5 A. При t = 0 ключ замыкает контур через R, а источник отключается, поэтому ток катушки убывает через R. За какое время ток уменьшится до 0,3 A? Найдите t.
i(0) = 1,5 AR = 50 ΩL = 220 mH
t = ms
12.Переходные процессы RC и RLСложная
Непосредственно перед замыканием ключа в момент t = 0 конденсатор заряжен до 24 V с указанной полярностью. Найдите напряжение на конденсаторе vC в момент t = 400 ms.
Vs = 12 VR = 3,3 kΩC = 100 µFvC(0) = 24 Vt = 400 ms
vC = V
13.Тевенин и НортонСредняя
Найдите сопротивление Тевенина Rth со стороны зажимов a–b.
V1 = 18 VR1 = 3 ΩR2 = 15 ΩR3 = 20 Ω
Rth = Ω
14.Тевенин и НортонСложная
К a–b подключена нагрузка RL = 12 Ω. Замените остальную цепь эквивалентом Тевенина и найдите ток нагрузки IL.
В показанном последовательном RLC-полосовом фильтре выход берётся на R = 20 Ω при L = 1 mH и C = 0,1 µF. Найдите полосу пропускания по уровню −3 dB BW в Hz.
R = 20 ΩL = 1 mHC = 0,1 µF
BW = Hz
16.Диаграммы Боде и запасыСложная
Контур с единичной обратной связью имеет передаточную функцию разомкнутой системы L(s) = 1700/(s(s + 20)). Найдите запас по фазе PM в градусах.
L(s) = 1700/(s(s + 20))
PM = °
3Растворы
1.Комплексные числа
Ответ: θ = 123,7 °
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.
Четверть
a = −4, b = 6 → II
Опорный угол
α = atan(6/4) = 56,31°
Аргумент
θ = 180° − α = 123,7°
Ответ
θ = 123,7°
В полярной форме z = 7,211∠123,7°.
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 = 8 + 2 = 10 = −(−10).
3.Полное сопротивление и комплексные амплитуды
Ответ: L = 21,56 mH
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|.
Условие резонанса
При резонансе индуктивное и ёмкостное сопротивления компенсируют друг друга: ωL = 1/(ωC).
ω₀ = 2π·500 = 3142 rad/s
L = 1/(ω₀²·C) = 1/(3142²·4,7·10⁻⁶) = 21,56 mH
Ответ
L = 21,56 mH
4.Полное сопротивление и комплексные амплитуды
Ответ: f0 = 46,43 Hz
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|.
Резонанс
При резонансе индуктивное и ёмкостное сопротивления компенсируют друг друга: ωL = 1/(ωC). Частота сети не важна.
5.Мощность переменного тока и коэффициент мощности
Ответ: I = 9,259 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) = 2000/(240·0,9) = 9,259 A
Ответ
I = 9,259 A
6.Мощность переменного тока и коэффициент мощности
Ответ: C = 644,9 µF
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 = 20·tan(45,57°) = 20,4 kvar
Q2 = P·tan φ2 = 20·tan(25,84°) = 9,686 kvar
QC = Q1 − Q2 = 10,72 kvar
Ёмкость
Конденсатор, подключённый к сети, поставляет Q = V²·ωC.
C = QC/(2πf·V²) = 10718/(2π·50·230²) = 644,9 µF
Ответ
C = 644,9 µF
7.LC-резонанс, добротность и полоса пропускания
Ответ: f1 = 16,4 kHz
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).
Член с квадратным корнем
√(1 + 1/(4·2,5²)) = 1,02
Нижняя частота половинной мощности
f1 = 20000·(1,02 − 0,2) = 16396 Hz = 16,4 kHz
Ответ
f1 = 16,4 kHz
Верхняя равна f₂ = 24,4 kHz; проверка: f₂ − f₁ = 8 kHz = f₀/Q.
8.LC-резонанс, добротность и полоса пропускания
Ответ: Ecycle = 2,724 µJ
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).
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| = √(12² + 16²) = 20 Ω
Iph = 120,1/20 = 6,004 A
Полная активная мощность
Активную мощность потребляет только активная составляющая каждого сопротивления.
P = 3·Iph²·R = 3·6,004²·12 = 1,298 kW
Ответ
P = 1,298 kW
Проверка: cos φ = R/|Z| = 0,6, и √3·VL·IL·cos φ даёт ту же мощность.
10.Трёхфазная мощность
Ответ: Cph = 770 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 = 75·tan(acos 0,65) = 75·1,169 = 87,68 kvar
Q2 = 75·tan(acos 0,92) = 75·0,426 = 31,95 kvar
Реактивная мощность конденсаторов
QC = Q1 − Q2 = 55,73 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
τ = L/R = 220 mH / 50 Ω = 4,4 ms
Выразите время
0,3 = 1,5·e−t/τ → t = τ·ln(1,5/0,3)
t = 4,4·ln(5) = 7,082 ms
Ответ
t = 7,082 ms
12.Переходные процессы RC и RL
Ответ: vC = 15,57 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) = 24 V, vC(∞) = Vs = 12 V
τ = R·C = 3,3 kΩ · 100 µF = 330 ms
vC(t) = 12 + (24 − 12)·e−t/τ
Напряжение в заданный момент
vC(400) = 12 + (12)·e−400/330 = 15,57 V
Ответ
vC = 15,57 V
13.Тевенин и Нортон
Ответ: Rth = 22,5 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 = 3·15/(3+15) = 2,5 Ω
Rth = (R1 ∥ R2) + R3 = 2,5 + 20 = 22,5 Ω
14.Тевенин и Нортон
Ответ: IL = 0,4268 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 = 10·5/(10+5) = 3,333 Ω
Rth = (R1 ∥ R2) + R3 = 3,333 + 12 = 15,33 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) = 4 + 0,5·3,333 = 5,667 V
Vth = VB = VA + Is·R3 = 5,667 + 0,5·12 = 11,67 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) = 11,67/(15,33 + 12) = 0,4268 A
15.Диаграммы Боде и запасы
Ответ: BW = 3183 Hz
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/√(0,001·1 × 10⁻⁷) = 100000 rad/s
f₀ = ω₀/(2π) = 15915 Hz
Полоса пропускания
BW = R/L = 20/0,001 = 20000 rad/s = 3183 Hz
Ответ
BW = 3183 Hz
16.Диаграммы Боде и запасы
Ответ: PM = 27,22 °
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.