3.Полное сопротивление и комплексные амплитудыСредняя
Последовательная цепь RLC подключена к сети 24 V (действующее значение), 200 Hz. Найдите действующее значение тока I.
V = 24 V (rms)f = 200 HzR = 100 ΩL = 150 mHC = 22 µF
I = A
4.Полное сопротивление и комплексные амплитудыСложная
Последовательный RLC-контур питается от источника 12 V (действующее значение), частота которого равна резонансной частоте контура. Найдите действующее напряжение VL на катушке.
V = 12 V (rms)R = 15 ΩL = 20 mHC = 0,22 µF
VL = V
5.Мощность переменного тока и коэффициент мощностиСредняя
Однофазный двигатель потребляет 12 kW при коэффициенте мощности 0,6 (индуктивном) от сети 230 V. Найдите ток линии I.
P = 12 kWpf = 0,6V = 230 V
I = A
6.Мощность переменного тока и коэффициент мощностиСложная
Источник 100 V (действующее значение), 60 Hz имеет внутреннее сопротивление Zs = 20 + j3 Ω. Полное сопротивление нагрузки ZL можно выбирать произвольно. Найдите наибольшую активную мощность Pmax, которую можно передать нагрузке.
Vs = 100 V (rms)f = 60 HzZs = 20 + j3 Ω
Pmax = W
7.LC-резонанс, добротность и полоса пропусканияСредняя
Конденсатор 220 nF, заряженный до 15 V, колеблется с идеальной катушкой 47 mH. Найдите энергию WL, запасённую в катушке в момент, когда напряжение на конденсаторе равно 7,5 V, в µJ.
C = 220 nFV0 = 15 VvC = 7,5 V
WL = µJ
8.LC-резонанс, добротность и полоса пропусканияСложная
Заряженный конденсатор 4,7 nF разряжается через катушку 100 µH с полным последовательным сопротивлением 10 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 = 100 µHC = 4,7 nFR = 10 Ω
n =
9.Трёхфазная мощностьСредняя
Симметричная трёхфазная нагрузка потребляет линейный ток 100 A от сети с линейным напряжением 400 V. Коэффициент мощности 0,75 (отстающий). Найдите полную активную мощность P, потребляемую нагрузкой, в kW.
VL = 400 VIL = 100 Acos φ = 0,75
P = kW
10.Трёхфазная мощностьСложная
Симметричная трёхфазная нагрузка потребляет 50 kW при коэффициенте мощности 0,78 (отстающий) от сети 400 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 = 50 kWpf1 = 0,78pf2 = 0,95VL = 400 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 = 10 ms, в mJ.
Vs = 20 VR = 10 ΩL = 150 mHt = 10 ms
W = mJ
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 0,96 A? Найдите t.
Vs = 24 VR1 = 20 ΩR2 = 20 ΩL = 22 mH
t = ms
13.Тевенин и НортонСредняя
Найдите ток Нортона IN: ток, текущий от a к b, если зажимы замкнуть накоротко.
V1 = 6 VR1 = 3 ΩR2 = 10 ΩR3 = 8 Ω
IN = A
14.Тевенин и НортонСложная
Найдите ток Нортона IN: ток, текущий от a к b, если зажимы замкнуть накоротко.
V1 = 15 VIs = 1 AR1 = 30 ΩR2 = 4 ΩR3 = 2 Ω
IN = A
15.Диаграммы Боде и запасыСредняя
Найдите фазу ∠G(jω) функции G(s) = 48(s + 3)/(s(s + 11)) при ω = 0,5 rad/s в градусах.
G(s) = 48(s + 3)/(s(s + 11))ω = 0,5 rad/s
∠G(jω) = °
16.Диаграммы Боде и запасыСложная
Контур с единичной обратной связью имеет передаточную функцию разомкнутой системы L(s) = 332/(s(s + 4)(s + 9)). Найдите частоту перехода фазы ω180, где ∠L(jω) = −180°.
L(s) = 332/(s(s + 4)(s + 9))
ω180 = rad/s
3Растворы
1.Комплексные числа
Ответ: A (4 − j4)
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| = 2·|z|, arg(z·w) = arg z + 180°
Точка
z·w = 4 − j4 → A
Ответ
A (4 − j4)
2.Комплексные числа
Ответ: r = 4
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 + 4 = −4 = −(4).
3.Полное сопротивление и комплексные амплитуды
Ответ: I = 0,1317 A
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·200 = 1257 rad/s
XL = ωL = 1257·0,15 = 188,5 Ω
XC = 1/(ωC) = 1/(1257·22·10⁻⁶) = 36,17 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| = 24/182,2 = 0,1317 A
Ответ
I = 0,1317 A
4.Полное сопротивление и комплексные амплитуды
Ответ: VL = 241,2 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/√(0,02·0,22·10⁻⁶) = 15076 rad/s
I = V/R = 12/15 = 0,8 A
Напряжение на катушке
XL = ω₀L = 15076·0,02 = 301,5 Ω
VL = I·XL = 0,8·301,5 = 241,2 V
Ответ
VL = 241,2 V
Это в Q = 20,1 раз больше напряжения источника.
5.Мощность переменного тока и коэффициент мощности
Ответ: I = 86,96 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) = 12000/(230·0,6) = 86,96 A
Ответ
I = 86,96 A
6.Мощность переменного тока и коэффициент мощности
Ответ: Pmax = 125 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* = 20 − j3 Ω
Наибольшая мощность
I = Vs/(2Rs) = 100/40 = 2,5 A
Pmax = I²·RL = Vs²/(4Rs) = 100²/(4·20) = 125 W
Ответ
Pmax = 125 W
7.LC-резонанс, добротность и полоса пропускания
Ответ: WL = 18,56 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
½·2,2 × 10⁻⁷·15² = 2,475 × 10⁻⁵ J
Энергия, оставшаяся в конденсаторе
½·2,2 × 10⁻⁷·7,5² = 6,188 × 10⁻⁶ J
Энергия в катушке
WL = 1,856 × 10⁻⁵ J = 18,56 µJ
Ответ
WL = 18,56 µJ
8.LC-резонанс, добротность и полоса пропускания
Ответ: n = 3,218
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 = 2·1 × 10⁻⁴·ln 2/10 = 1,386 × 10⁻⁵ s
Число периодов
n = t·f0 = 1,386 × 10⁻⁵·232151 = 3,218
Ответ
n = 3,218
Короткий путь: n = Q·ln 2/π при Q = 14,59.
9.Трёхфазная мощность
Ответ: P = 51,96 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 = √3·400·100 = 69,28 kVA
Активная мощность
P = S·cos φ = 69,28·0,75 = 51,96 kW
Ответ
P = 51,96 kW
10.Трёхфазная мощность
Ответ: QC = 23,68 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 0,78) = 50·0,8023 = 40,11 kvar
Q2 = 50·tan(acos 0,95) = 50·0,3287 = 16,43 kvar
Реактивная мощность конденсаторов
QC = Q1 − Q2 = 23,68 kvar
Ответ
QC = 23,68 kvar
11.Переходные процессы RC и RL
Ответ: W = 71,03 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 = 150 mH / 10 Ω = 15 ms
i(∞) = Vs/R = 20/10 = 2 A
Ток в заданный момент
i(t) = 2·(1 − e−10/15) = 0,9732 A
Запасённая энергия
W = ½·L·i² = ½·150·0,9732² = 71,03 mJ
Ответ
W = 71,03 mJ
12.Переходные процессы RC и RL
Ответ: t = 0,281 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) = 24/20 = 1,2 A
i(∞) = 24/(20 + 20) = 0,6 A
τ = L/R = 22/40 = 0,55 ms
i(t) = 0,6 + (1,2 − 0,6)·e−t/τ
Выразите время
e−t/τ = (0,96 − 0,6)/(1,2 − 0,6) = 0,6
t = 0,55·ln(1,667) = 0,281 ms
Ответ
t = 0,281 ms
13.Тевенин и Нортон
Ответ: IN = 0,4478 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 = 3·10/(3+10) = 2,308 Ω
Rth = (R1 ∥ R2) + R3 = 2,308 + 8 = 10,31 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) = 6·10/(3+10) = 4,615 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 = 4,615/10,31 = 0,4478 A
14.Тевенин и Нортон
Ответ: IN = 1,319 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 = 30·4/(30+4) = 3,529 Ω
Rth = (R1 ∥ R2) + R3 = 3,529 + 2 = 5,529 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) = 1,765 + 1·3,529 = 5,294 V
Vth = VB = VA + Is·R3 = 5,294 + 1·2 = 7,294 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 = 7,294/5,529 = 1,319 A
15.Диаграммы Боде и запасы
Ответ: ∠G(jω) = −83,14 °
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.