3.Полное сопротивление и комплексные амплитудыСредняя
Последовательная цепь RLC подключена к сети 50 V (действующее значение), 500 Hz. Найдите коэффициент мощности cos φ цепи.
V = 50 V (rms)f = 500 HzR = 50 ΩL = 50 mHC = 47 µF
cos φ =
4.Полное сопротивление и комплексные амплитудыСложная
Резистор R1 включён последовательно с параллельным соединением R2 и конденсатора C в сеть 50 V (действующее значение), 500 Hz. Найдите модуль полного сопротивления |Z|.
V = 50 V (rms)f = 500 HzR1 = 15 ΩR2 = 80 ΩC = 4,7 µF
|Z| = Ω
5.Мощность переменного тока и коэффициент мощностиСредняя
К однофазной сети 400 V параллельно подключены две нагрузки: нагрузка 4 kW при коэффициенте мощности 0,75 (индуктивном) и нагрузка 30 kW при коэффициенте мощности 0,95 (индуктивном). Найдите общий ток I, потребляемый от сети.
6.Мощность переменного тока и коэффициент мощностиСложная
Однофазная нагрузка потребляет 27 kW при коэффициенте мощности 0,6 (индуктивном) от сети 240 V, 60 Hz. Параллельно нагрузке подключён конденсатор 220 µF. Найдите новый коэффициент мощности cos φ со стороны сети.
P = 27 kWpf1 = 0,6V = 240 Vf = 60 HzC = 220 µF
cos φ =
7.LC-резонанс, добротность и полоса пропусканияСредняя
В идеальном LC-контуре с L = 470 µH и C = 4,7 nF конденсатор полностью заряжен при t = 0. Через какое время вся энергия окажется в катушке? Дайте t в µs.
L = 470 µHC = 4,7 nF
t = µs
8.LC-резонанс, добротность и полоса пропусканияСложная
Параллельный колебательный контур состоит из конденсатора 100 pF и катушки 10 mH с сопротивлением обмотки 20 Ω. При резонансе он ведёт себя как резистор с динамическим сопротивлением RD = L/(C·r). Найдите RD в kΩ.
L = 10 mHC = 100 pFr = 20 Ω
RD = kΩ
9.Трёхфазная мощностьСредняя
Трёхфазный асинхронный двигатель при полной нагрузке развивает механическую мощность 110 kW. При этой нагрузке его КПД равен 92%, а коэффициент мощности 0,9 (отстающий). Линейное напряжение сети 400 V. Найдите линейный ток IL.
Pout = 110 kWη = 92%cos φ = 0,9VL = 400 V
IL = A
10.Трёхфазная мощностьСложная
Симметричная трёхфазная нагрузка потребляет 300 kW при коэффициенте мощности 0,72 (отстающий) от сети 480 V (линейное), 60 Hz. Трёхфазная конденсаторная батарея, включённая параллельно нагрузке, должна повысить общий коэффициент мощности до 0,95 (отстающий). Активная мощность не меняется. Найдите полную реактивную мощность QC, которую должна выдавать конденсаторная батарея, в kvar.
P = 300 kWpf1 = 0,72pf2 = 0,95VL = 480 Vf = 60 Hz
QC = kvar
11.Переходные процессы RC и RLСредняя
До замыкания ключа в момент t = 0 тока через катушку нет. Через какое время после замыкания ключа ток достигнет 80% конечного значения? Найдите t.
Vs = 9 VR = 50 ΩL = 47 mH
t = ms
12.Переходные процессы RC и RLСложная
Ключ, шунтирующий R2, был замкнут долгое время, поэтому ток катушки установившийся. При t = 0 ключ размыкается. Через какое время после t = 0 ток катушки достигнет 0,261 A? Найдите t.
Vs = 6 VR1 = 20 ΩR2 = 15 ΩL = 100 mH
t = ms
13.Тевенин и НортонСредняя
Найдите ток Нортона IN: ток, текущий от a к b, если зажимы замкнуть накоротко.
V1 = 24 VR1 = 6 ΩR2 = 2 ΩR3 = 2 Ω
IN = A
14.Тевенин и НортонСложная
Найдите напряжение Тевенина Vth со стороны зажимов a–b.
V1 = 12 VIs = 1,5 AR1 = 8 ΩR2 = 4 ΩR3 = 25 Ω
Vth = V
15.Диаграммы Боде и запасыСредняя
Изображённый RC-фильтр верхних частот имеет R = 47 kΩ, C = 10 nF. На вход подаётся синусоидальный сигнал 680 Hz. Найдите коэффициент усиления |H| = |vout/vin| в dB.
R = 47 kΩC = 10 nFf = 680 Hz
|H| = dB
16.Диаграммы Боде и запасыСложная
Контур с единичной обратной связью имеет передаточную функцию разомкнутой системы L(s) = K/(s(s + 4)(s + 10)). Найдите коэффициент усиления K, который даёт запас по усилению 12 dB.
L(s) = K/(s(s + 4)(s + 10))GM = 12 dB
K =
3Растворы
1.Комплексные числа
Ответ: B (−6 + j6)
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.
Действие w
|z/w| = |z|/0,5, arg(z/w) = arg z − 90°
Точка
z/w = −6 + j6 → B
Ответ
B (−6 + j6)
2.Комплексные числа
Ответ: r = 3
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 = 2 + 3 = 5 = −(−5).
3.Полное сопротивление и комплексные амплитуды
Ответ: cos φ = 0,3156
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
XL = 157,1 Ω, XC = 6,773 Ω
Полное сопротивление
|Z| = √(50² + (150,3)²) = 158,4 Ω
Коэффициент мощности
cos φ = R/|Z| = 50/158,4 = 0,3156
Цепь индуктивная, поэтому коэффициент мощности отстающий.
Ответ
cos φ = 0,3156
4.Полное сопротивление и комплексные амплитуды
Ответ: |Z| = 62,44 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·500·4,7·10⁻⁶) = 67,73 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 = 91,35 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 каждой нагрузки
Индуктивная нагрузка потребляет реактивную мощность (Q > 0); ёмкостная — отдаёт её (Q < 0).
Q1 = 4·tan(arccos 0,75) = 3,528 kvar
Q2 = 30·tan(arccos 0,95) = 9,861 kvar
Суммы
P = 4 + 30 = 34 kW
Q = 3,528 + 9,861 = 13,39 kvar
S = √(34² + 13,39²) = 36,54 kVA
Общий ток
I = S/V = 36541/400 = 91,35 A
Ответ
I = 91,35 A
6.Мощность переменного тока и коэффициент мощности
Ответ: cos φ = 0,6541
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 = 27·tan(arccos 0,6) = 36 kvar
QC = V²·2πf·C = 240²·2π·60·220·10⁻⁶ = 4777 var = 4,777 kvar
Q2 = 36 − 4,777 = 31,22 kvar
Новая полная мощность
S2 = √(27² + 31,22²) = 41,28 kVA
Новый коэффициент мощности
cos φ = P/S2 = 27/41,28 = 0,6541
Ответ
cos φ = 0,6541
7.LC-резонанс, добротность и полоса пропускания
Ответ: t = 2,335 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√(0,00047·4,7 × 10⁻⁹) = 9,339 µs
Четверть периода
t = T/4 = 2,335 µs
Ответ
t = 2,335 µs
8.LC-резонанс, добротность и полоса пропускания
Ответ: RD = 5000 kΩ
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).
Динамическое сопротивление
RD = 0,01/(1 × 10⁻¹⁰·20) = 5 × 10⁶ Ω = 5000 kΩ
Проверка через Q
Q = (1/r)·√(L/C) = 500, Q²·r = 5 × 10⁶ Ω
Ответ
RD = 5000 kΩ
9.Трёхфазная мощность
Ответ: IL = 191,8 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 = 110/0,92 = 119,6 kW
Ток линии
IL = Pin/(√3·VL·cos φ) = 119565/(√3·400·0,9) = 191,8 A
Ответ
IL = 191,8 A
10.Трёхфазная мощность
Ответ: QC = 190,6 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 = 300·tan(acos 0,72) = 300·0,9639 = 289,2 kvar
Q2 = 300·tan(acos 0,95) = 300·0,3287 = 98,61 kvar
Реактивная мощность конденсаторов
QC = Q1 − Q2 = 190,6 kvar
Ответ
QC = 190,6 kvar
11.Переходные процессы RC и RL
Ответ: t = 1,513 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.
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 = 47 mH / 50 Ω = 0,94 ms
i(∞) = Vs/R = 9/50 = 0,18 A
Выразите время
0,8 = 1 − e−t/τ → t = −τ·ln(1 − 0,8)
t = −0,94·ln(0,2) = 1,513 ms
Ответ
t = 1,513 ms
12.Переходные процессы RC и RL
Ответ: t = 1,033 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 замкнутый ключ шунтирует R₂; после этого в контур входят и R₁, и R₂.
i(0) = 6/20 = 0,3 A
i(∞) = 6/(20 + 15) = 0,1714 A
τ = L/R = 100/35 = 2,857 ms
i(t) = 0,1714 + (0,3 − 0,1714)·e−t/τ
Выразите время
e−t/τ = (0,261 − 0,1714)/(0,3 − 0,1714) = 0,6967
t = 2,857·ln(1,435) = 1,033 ms
Ответ
t = 1,033 ms
13.Тевенин и Нортон
Ответ: IN = 1,714 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 = 6·2/(6+2) = 1,5 Ω
Rth = (R1 ∥ R2) + R3 = 1,5 + 2 = 3,5 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) = 24·2/(6+2) = 6 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 = 6/3,5 = 1,714 A
14.Тевенин и Нортон
Ответ: Vth = 45,5 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 = 8·4/(8+4) = 2,667 Ω
Rth = (R1 ∥ R2) + R3 = 2,667 + 25 = 27,67 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 + 1,5·2,667 = 8 V
Vth = VB = VA + Is·R3 = 8 + 1,5·25 = 45,5 V
15.Диаграммы Боде и запасы
Ответ: |H| = −0,9621 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.
Частота среза
ωc = 1/(RC) = 1/(47000·1 × 10⁻⁸) = 2128 rad/s
fc = 338,6 Hz → f/fc = 680/338,6 = 2,008
Коэффициент усиления
|H| = 2,008/√(1 + 2,008²) = 0,8951
20·log₁₀(0,8951) = −0,9621 dB
Ответ
|H| = −0,9621 dB
16.Диаграммы Боде и запасы
Ответ: K = 140,7
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.