Складывайте сопротивления как у резисторов, с Z = R + jX.
Найдите модуль |Z| = √(R² + X²) и угол φ = atan(X/R), затем примените закон Ома для комплексных амплитуд.
Мощность переменного тока и коэффициент мощности
Активная мощность
P = V·I·cos φ
Реактивная мощность
Q = V·I·sin φ
Полная мощность
S = V·I = √(P² + Q²)
Коэффициент мощности
pf = cos φ = P/S
Компенсирующий конденсатор
QC = P(tan φ1 − tan φ2), C = QC/(ωV²)
LC-резонанс, добротность и полоса пропускания
Собственная частота
ω0 = 1/√(LC), f0 = 1/(2π√(LC))
Энергия
W = ½CV0² = ½Cv² + ½Li²
Пиковый ток
Imax = V0√(C/L)
Добротность
Q = 2π·(energy stored)/(energy lost per cycle)
Последовательный RLC-контур
Q = (1/R)√(L/C), BW = R/(2πL)
Параллельный RLC-контур
Q = R√(C/L), BW = 1/(2πRC)
Полоса пропускания
BW = f2 − f1 = f0/Q, f0 = √(f1f2)
Частоты половинной мощности
f1,2 = f0(√(1 + 1/(4Q²)) ∓ 1/(2Q))
Контур с сопротивлением катушки r
RD = L/(C·r) = Q²·r
Затухание амплитуды
e−Rt/(2L)
Метод
Сначала найдите резонансную частоту: ω₀ = 1/√(LC) и f₀ = ω₀/(2π).
Определите, какой контур перед вами, последовательный или параллельный: последовательный Q = (1/R)√(L/C), параллельный Q = R√(C/L).
Для полосы пропускания используйте BW = f₀/Q или краткие формулы R/(2πL) (последовательный) и 1/(2πRC) (параллельный).
В задачах на энергию учитывайте, что полная энергия ½CV₀² в идеальном LC-контуре остаётся постоянной и каждую четверть периода переходит между C и L.
Трёхфазная мощность
Соединение звездой (Y)
VL = √3·Vph, IL = Iph
Соединение треугольником (Δ)
VL = Vph, IL = √3·Iph
Полная активная мощность
P = √3·VL·IL·cos φ = 3·Iph²·R
Полная и реактивная мощность
S = √3·VL·IL, Q = P·tan φ
Компенсирующие конденсаторы
QC = P(tan φ1 − tan φ2), C = QC/(3ωV²)
Напряжение на каждом конденсаторе
Δ: VL Y: VL/√3
Потребляемая мощность двигателя
Pin = Pout/η
Переходные процессы RC и RL
Постоянная времени
τ = RC | τ = L/R
Отклик
x(t) = x(∞) + [x(0) − x(∞)]·e−t/τ
Конденсатор на постоянном токе
разрыв; vC не может измениться скачком
Катушка на постоянном токе
короткое замыкание; iL не может измениться скачком
Установившийся режим
t ≈ 5τ
Метод
Найдите начальное значение сразу после коммутации: напряжение на конденсаторе и ток в катушке не могут изменяться скачком.
Найдите установившееся значение спустя долгое время после коммутации: конденсатор ведёт себя как разрыв, катушка — как короткое замыкание.
Найдите постоянную времени: τ = RC или τ = L/R, где берётся сопротивление со стороны конденсатора или катушки.
Используйте x(t) = x(∞) + [x(0) − x(∞)]·e−t/τ.
Тевенин и Нортон
Напряжение Тевенина
Vth = Vopen circuit
Сопротивление Тевенина
Rth: все источники отключены, со стороны a–b
Ток Нортона
IN = Vth/Rth
Ток нагрузки
IL = Vth/(Rth + RL)
Передача максимальной мощности
RL = Rth, Pmax = Vth²/(4Rth)
Метод
Отключите нагрузку и обозначьте два зажима a и b.
Найдите напряжение холостого хода между a и b: это Vth.
Отключите все независимые источники и найдите сопротивление со стороны a–b: это Rth.
Верните нагрузку в эквивалентную схему: Vth последовательно с Rth.
Для эквивалента Нортона преобразуйте: IN = Vth/Rth, с RN = Rth параллельно.
2Тренировочные задачи
1.Комплексные числаСредняя
У числа z = 2·ej0,4 угол задан в радианах. Найдите его мнимую часть b.
r = 2θ = 0,4 rad
b =
2.Комплексные числаСложная
Уравнение z² − 2z + 10 = 0 имеет два комплексных корня. Найдите их модуль |z|.
p = −2q = 10
|z| =
3.Полное сопротивление и комплексные амплитудыСредняя
Последовательная цепь RLC подключена к сети 230 V (действующее значение), 100 Hz. Найдите коэффициент мощности cos φ цепи.
V = 230 V (rms)f = 100 HzR = 15 ΩL = 20 mHC = 47 µF
cos φ =
4.Полное сопротивление и комплексные амплитудыСложная
Последовательный RLC-контур питается от источника 24 V (действующее значение), частота которого равна резонансной частоте контура. Найдите действующее напряжение VL на катушке.
V = 24 V (rms)R = 20 ΩL = 10 mHC = 4,7 µF
VL = V
5.Мощность переменного тока и коэффициент мощностиСредняя
Однофазный двигатель потребляет 15 kW при коэффициенте мощности 0,9 (индуктивном) от сети 240 V. Найдите ток линии I.
P = 15 kWpf = 0,9V = 240 V
I = A
6.Мощность переменного тока и коэффициент мощностиСложная
Источник 24 V (действующее значение), 60 Hz имеет внутреннее сопротивление Zs = 4 + j15 Ω. Полное сопротивление нагрузки ZL можно выбирать произвольно. Найдите наибольшую активную мощность Pmax, которую можно передать нагрузке.
Vs = 24 V (rms)f = 60 HzZs = 4 + j15 Ω
Pmax = W
7.LC-резонанс, добротность и полоса пропусканияСредняя
Последовательный RLC-контур имеет R = 1 Ω, L = 1 mH и C = 220 nF. Найдите его добротность Q.
R = 1 ΩL = 1 mHC = 220 nF
Q =
8.LC-резонанс, добротность и полоса пропусканияСложная
Заряженный конденсатор 4,7 nF разряжается через катушку 10 mH с полным последовательным сопротивлением 20 Ω, поэтому колебания медленно затухают. Амплитуда убывает как e−Rt/(2L). Сколько периодов колебаний n пройдёт, прежде чем амплитуда уменьшится вдвое? (Потери малы, поэтому частота равна f₀.)
L = 10 mHC = 4,7 nFR = 20 Ω
n =
9.Трёхфазная мощностьСредняя
Симметричная трёхфазная нагрузка потребляет линейный ток 12 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 = 12 Acos φ = 0,82
P = kW
10.Трёхфазная мощностьСложная
Симметричная трёхфазная нагрузка потребляет 150 kW при коэффициенте мощности 0,7 (отстающий) от сети 415 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 = 150 kWpf1 = 0,7pf2 = 0,9VL = 415 Vf = 50 Hz
QC = kvar
11.Переходные процессы RC и RLСредняя
До замыкания ключа в момент t = 0 тока через катушку нет. Найдите ток i в момент t = 1 ms.
Vs = 24 VR = 47 ΩL = 10 mHt = 1 ms
i = A
12.Переходные процессы RC и RLСложная
Ключ был замкнут долгое время, поэтому цепь находится в установившемся режиме. При t = 0 ключ размыкается. Найдите ток i2 через R2 при t = 40 ms.
Vs = 6 VR1 = 3,3 kΩR2 = 10 kΩC = 10 µFt = 40 ms
i2 = mA
13.Тевенин и НортонСредняя
Найдите напряжение Тевенина Vth со стороны зажимов a–b.
V1 = 15 VR1 = 10 ΩR2 = 15 ΩR3 = 3 Ω
Vth = V
14.Тевенин и НортонСложная
Найдите ток Нортона IN: ток, текущий от a к b, если зажимы замкнуть накоротко.
V1 = 12 VIs = 1 AR1 = 3 ΩR2 = 25 ΩR3 = 10 Ω
IN = A
15.Диаграммы Боде и запасыСредняя
Найдите фазу ∠G(jω) функции G(s) = 25(s + 17)/(s(s + 11)) при ω = 10 rad/s в градусах.
G(s) = 25(s + 17)/(s(s + 11))ω = 10 rad/s
∠G(jω) = °
16.Диаграммы Боде и запасыСложная
Контур с единичной обратной связью имеет передаточную функцию разомкнутой системы L(s) = 135/(s(s + 5)). Найдите частоту среза усиления ωc, где |L(jω)| = 1.
L(s) = 135/(s(s + 5))
ωc = rad/s
3Растворы
1.Комплексные числа
Ответ: b = 0,7788
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 = 2·(cos 0,4 + j sin 0,4)
Компоненты (радианы)
a = 2·cos 0,4 = 1,842
b = 2·sin 0,4 = 0,7788
b = 0,7788
Ответ
b = 0,7788
2.Комплексные числа
Ответ: |z| = 3,162
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.
Дискриминант
p² − 4q = 4 − 40 = −36 < 0
Формула корней квадратного уравнения
z = (2 ± j√36)/2 = 1 + j3, 1 − j3
Ответ
|z| = √(1² + 3²) = √10 = 3,162
Ответ
|z| = 3,162
3.Полное сопротивление и комплексные амплитуды
Ответ: cos φ = 0,5758
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 = 12,57 Ω, XC = 33,86 Ω
Полное сопротивление
|Z| = √(15² + (−21,3)²) = 26,05 Ω
Коэффициент мощности
cos φ = R/|Z| = 15/26,05 = 0,5758
Цепь ёмкостная, поэтому коэффициент мощности опережающий.
Ответ
cos φ = 0,5758
4.Полное сопротивление и комплексные амплитуды
Ответ: VL = 55,35 V
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 реактивные сопротивления компенсируются, поэтому полное сопротивление равно просто R.
ω₀ = 1/√(LC) = 1/√(0,01·4,7·10⁻⁶) = 4613 rad/s
I = V/R = 24/20 = 1,2 A
Напряжение на катушке
XL = ω₀L = 4613·0,01 = 46,13 Ω
VL = I·XL = 1,2·46,13 = 55,35 V
Ответ
VL = 55,35 V
Это в Q = 2,306 раз больше напряжения источника.
5.Мощность переменного тока и коэффициент мощности
Ответ: I = 69,44 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) = 15000/(240·0,9) = 69,44 A
Ответ
I = 69,44 A
6.Мощность переменного тока и коэффициент мощности
Ответ: Pmax = 36 W
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.
Сопряжённое согласование
Реактивное сопротивление нагрузки компенсирует реактивное сопротивление источника, а активное сопротивление нагрузки равно активному сопротивлению источника.
ZL = Zs* = 4 − j15 Ω
Наибольшая мощность
I = Vs/(2Rs) = 24/8 = 3 A
Pmax = I²·RL = Vs²/(4Rs) = 24²/(4·4) = 36 W
Ответ
Pmax = 36 W
7.LC-резонанс, добротность и полоса пропускания
Ответ: Q = 67,42
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).
Характеристическое сопротивление
√(L/C) = √(0,001/2,2 × 10⁻⁷) = 67,42 Ω
Добротность
Q = 67,42/1 = 67,42
Ответ
Q = 67,42
Резонансная частота равна 10,73 kHz, поэтому BW = f₀/Q = 159,2 Hz.
8.LC-резонанс, добротность и полоса пропускания
Ответ: n = 16,09
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).
Время уменьшения амплитуды вдвое
t = 2·0,01·ln 2/20 = 0,0006931 s
Число периодов
n = t·f0 = 0,0006931·23215 = 16,09
Ответ
n = 16,09
Короткий путь: n = Q·ln 2/π при Q = 72,93.
9.Трёхфазная мощность
Ответ: P = 3,545 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 = √3·208·12 = 4,323 kVA
Активная мощность
P = S·cos φ = 4,323·0,82 = 3,545 kW
Ответ
P = 3,545 kW
10.Трёхфазная мощность
Ответ: QC = 80,38 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 = 150·tan(acos 0,7) = 150·1,02 = 153 kvar
Q2 = 150·tan(acos 0,9) = 150·0,4843 = 72,65 kvar
Реактивная мощность конденсаторов
QC = Q1 − Q2 = 80,38 kvar
Ответ
QC = 80,38 kvar
11.Переходные процессы RC и RL
Ответ: i = 0,506 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.
Постоянная времени и конечный ток
Спустя долгое время после замыкания катушка ведёт себя как короткое замыкание, поэтому конечный ток определяется только R.
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 напряжение конденсатора
В установившемся режиме конденсатор — разрыв, поэтому R₁ и R₂ образуют делитель напряжения. Напряжение конденсатора не может измениться скачком при размыкании ключа.
vC(0) = 6·10/(3,3 + 10) = 4,511 V
Постоянная времени после размыкания ключа
τ = R2·C = 10·10 = 100 ms
Разряд
vC(t) = 4,511·e−40/100 = 3,024 V
i2 = vC/R2 = 3,024/10 = 0,3024 mA
Ответ
i2 = 0,3024 mA
13.Тевенин и Нортон
Ответ: Vth = 9 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 = 10·15/(10+15) = 6 Ω
Rth = (R1 ∥ R2) + R3 = 6 + 3 = 9 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) = 15·15/(10+15) = 9 V
14.Тевенин и Нортон
Ответ: IN = 1,845 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 = 3·25/(3+25) = 2,679 Ω
Rth = (R1 ∥ R2) + R3 = 2,679 + 10 = 12,68 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) = 10,71 + 1·2,679 = 13,39 V
Vth = VB = VA + Is·R3 = 13,39 + 1·10 = 23,39 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 = 23,39/12,68 = 1,845 A
15.Диаграммы Боде и запасы
Ответ: ∠G(jω) = −101,8 °
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.