3.Полное сопротивление и комплексные амплитудыСредняя
Резистор и катушка включены параллельно в сеть 24 V (действующее значение), 50 Hz. Найдите модуль полного сопротивления |Z|.
V = 24 V (rms)f = 50 HzR = 25 ΩL = 20 mH
|Z| = Ω
4.Полное сопротивление и комплексные амплитудыСложная
Резистор R1 включён последовательно с параллельным соединением R2 и конденсатора C в сеть 24 V (действующее значение), 60 Hz. Найдите модуль полного сопротивления |Z|.
V = 24 V (rms)f = 60 HzR1 = 10 ΩR2 = 100 ΩC = 10 µF
|Z| = Ω
5.Мощность переменного тока и коэффициент мощностиСредняя
К однофазной сети 230 V параллельно подключены две нагрузки: нагрузка 5 kW при коэффициенте мощности 0,6 (индуктивном) и нагрузка 2 kW при коэффициенте мощности 0,8 (ёмкостном). Найдите общий ток I, потребляемый от сети.
6.Мощность переменного тока и коэффициент мощностиСложная
Однофазная нагрузка потребляет 45 kW при коэффициенте мощности 0,7 (индуктивном) от сети 230 V, 60 Hz. Параллельно подключённый конденсатор повышает коэффициент мощности до 0,92. Найдите новый ток линии Inew.
P = 45 kWpf1 = 0,7pf2 = 0,92V = 230 Vf = 60 Hz
Inew = A
7.LC-резонанс, добротность и полоса пропусканияСредняя
Последовательный RLC-контур имеет R = 2 Ω, L = 2,2 mH и C = 2,2 µF. Найдите его добротность Q.
R = 2 ΩL = 2,2 mHC = 2,2 µF
Q =
8.LC-резонанс, добротность и полоса пропусканияСложная
Заряженный конденсатор 47 nF разряжается через катушку 100 µH с полным последовательным сопротивлением 5 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 = 47 nFR = 5 Ω
n =
9.Трёхфазная мощностьСредняя
Симметричная трёхфазная нагрузка потребляет линейный ток 120 A от сети с линейным напряжением 208 V. Коэффициент мощности 0,8 (отстающий). Найдите полную активную мощность P, потребляемую нагрузкой, в kW.
VL = 208 VIL = 120 Acos φ = 0,8
P = kW
10.Трёхфазная мощностьСложная
Симметричная трёхфазная нагрузка потребляет 80 kW при коэффициенте мощности 0,78 (отстающий) от сети 690 V (линейное), 50 Hz. Трёхфазная конденсаторная батарея, включённая параллельно нагрузке, должна повысить общий коэффициент мощности до 0,98 (отстающий). Активная мощность не меняется. Конденсаторы соединены звездой. Найдите ёмкость Cph каждого конденсатора в µF.
P = 80 kWpf1 = 0,78pf2 = 0,98VL = 690 Vf = 50 Hz
Cph = µF
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 = 20 VR = 20 ΩL = 100 mH
t = ms
12.Переходные процессы RC и RLСложная
Ключ был замкнут долгое время, поэтому цепь находится в установившемся режиме. При t = 0 ключ размыкается. Найдите напряжение на конденсаторе vC в момент t = 25 ms.
Vs = 6 VR1 = 3,3 kΩR2 = 2,2 kΩC = 22 µFt = 25 ms
vC = V
13.Тевенин и НортонСредняя
Найдите ток Нортона IN: ток, текущий от a к b, если зажимы замкнуть накоротко.
V1 = 15 VR1 = 3 ΩR2 = 5 ΩR3 = 5 Ω
IN = A
14.Тевенин и НортонСложная
К a–b подключена нагрузка RL = 5 Ω. С помощью эквивалента Тевенина найдите мощность PL, передаваемую в нагрузку.
Изображённый RC-фильтр нижних частот имеет R = 3,3 kΩ, C = 4,7 nF. На вход подаётся синусоидальный сигнал 5,1 kHz. Найдите коэффициент усиления |H| = |vout/vin| в dB.
R = 3,3 kΩC = 4,7 nFf = 5,1 kHz
|H| = dB
16.Диаграммы Боде и запасыСложная
Контур с единичной обратной связью имеет передаточную функцию разомкнутой системы L(s) = 54/(s(s + 6)(s + 7)). Найдите запас по усилению GM в dB.
L(s) = 54/(s(s + 6)(s + 7))
GM = dB
3Растворы
1.Комплексные числа
Ответ: b = 4,053
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 = 6·(cos 2,4 + j sin 2,4)
Компоненты (радианы)
a = 6·cos 2,4 = −4,424
b = 6·sin 2,4 = 4,053
b = 4,053
Ответ
b = 4,053
2.Комплексные числа
Ответ: r = 5
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 + 5 = 7 = −(−7).
3.Полное сопротивление и комплексные амплитуды
Ответ: |Z| = 6,094 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
XL = ωL = 2π·50·0,02 = 6,283 Ω
Токи ветвей
Обе ветви подключены прямо к источнику, поэтому к каждой приложено полное напряжение V.
IR = V/R = 24/25 = 0,96 A
IX = V/XL = 24/6,283 = 3,82 A
Общий ток
Ток резистора совпадает по фазе с V, а реактивный ток сдвинут на 90°, поэтому они складываются как катеты прямоугольного треугольника.
I = √(IR² + IX²) = √(0,96² + 3,82²) = 3,939 A
Полное сопротивление
|Z| = V/I = 24/3,939 = 6,094 Ω
Ответ
|Z| = 6,094 Ω
4.Полное сопротивление и комплексные амплитуды
Ответ: |Z| = 103 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·60·10·10⁻⁶) = 265,3 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 = 37,83 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 = 5·tan(arccos 0,6) = 6,667 kvar
Q2 = −2·tan(arccos 0,8) = −1,5 kvar
Суммы
P = 5 + 2 = 7 kW
Q = 6,667 + (−1,5) = 5,167 kvar
S = √(7² + 5,167²) = 8,7 kVA
Общий ток
I = S/V = 8700/230 = 37,83 A
Ответ
I = 37,83 A
6.Мощность переменного тока и коэффициент мощности
Ответ: Inew = 212,7 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 = 45·tan(45,57°) = 45,91 kvar
Q2 = P·tan φ2 = 45·tan(23,07°) = 19,17 kvar
QC = Q1 − Q2 = 26,74 kvar
Новый ток линии
Inew = P/(V·cos φ2) = 45000/(230·0,92) = 212,7 A
Ответ
Inew = 212,7 A
7.LC-резонанс, добротность и полоса пропускания
Ответ: Q = 15,81
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) = √(0,0022/2,2 × 10⁻⁶) = 31,62 Ω
Добротность
Q = 31,62/2 = 15,81
Ответ
Q = 15,81
Резонансная частота равна 2,288 kHz, поэтому BW = f₀/Q = 144,7 Hz.
8.LC-резонанс, добротность и полоса пропускания
Ответ: n = 2,035
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 2/5 = 2,773 × 10⁻⁵ s
Число периодов
n = t·f0 = 2,773 × 10⁻⁵·73413 = 2,035
Ответ
n = 2,035
Короткий путь: n = Q·ln 2/π при Q = 9,225.
9.Трёхфазная мощность
Ответ: P = 34,59 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 = √3·208·120 = 43,23 kVA
Активная мощность
P = S·cos φ = 43,23·0,8 = 34,59 kW
Ответ
P = 34,59 kW
10.Трёхфазная мощность
Ответ: Cph = 320,5 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 = 80·tan(acos 0,78) = 80·0,8023 = 64,18 kvar
Q2 = 80·tan(acos 0,98) = 80·0,2031 = 16,24 kvar
Реактивная мощность конденсаторов
QC = Q1 − Q2 = 47,94 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 и конечный ток
Спустя долгое время после замыкания катушка ведёт себя как короткое замыкание, поэтому конечный ток определяется только R.
τ = L/R = 100 mH / 20 Ω = 5 ms
i(∞) = Vs/R = 20/20 = 1 A
Выразите время
0,8 = 1 − e−t/τ → t = −τ·ln(1 − 0,8)
t = −5·ln(0,2) = 8,047 ms
Ответ
t = 8,047 ms
12.Переходные процессы RC и RL
Ответ: vC = 1,432 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 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) = 6·2,2/(3,3 + 2,2) = 2,4 V
Постоянная времени после размыкания ключа
τ = R2·C = 2,2·22 = 48,4 ms
Разряд
vC(t) = 2,4·e−25/48,4 = 1,432 V
Ответ
vC = 1,432 V
13.Тевенин и Нортон
Ответ: IN = 1,364 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 = 3·5/(3+5) = 1,875 Ω
Rth = (R1 ∥ R2) + R3 = 1,875 + 5 = 6,875 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) = 15·5/(3+5) = 9,375 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 = 9,375/6,875 = 1,364 A
14.Тевенин и Нортон
Ответ: PL = 20,09 W
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 = 8·30/(8+30) = 6,316 Ω
Rth = (R1 ∥ R2) + R3 = 6,316 + 12 = 18,32 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) = 28,42 + 1·6,316 = 34,74 V
Vth = VB = VA + Is·R3 = 34,74 + 1·12 = 46,74 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) = 46,74/(18,32 + 5) = 2,005 A
PL = IL²·RL = 2,005²·5 = 20,09 W
15.Диаграммы Боде и запасы
Ответ: |H| = −0,9587 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/(3300·4,7 × 10⁻⁹) = 64475 rad/s
fc = 10261 Hz → f/fc = 5100/10261 = 0,497
Коэффициент усиления
|H| = 1/√(1 + 0,497²) = 0,8955
20·log₁₀(0,8955) = −0,9587 dB
Ответ
|H| = −0,9587 dB
16.Диаграммы Боде и запасы
Ответ: GM = 20,1 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.