ПЕРВОЕ ВЫСШЕЕ ТЕХНИЧЕСКОЕ УЧЕБНОЕ ЗАВЕДЕНИЕ РОССИИ МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования «НАЦИОНАЛЬНЫЙ МИНЕРАЛЬНО-СЫРЬЕВОЙ УНИВЕРСИТЕТ «ГОРНЫЙ» Согласовано Утверждаю ___________________ Руководитель ООП по направлению 140404 зав.каф. ЭЭЭ проф. А.Е.Козярук _______________________ Зав. кафедрой ЭЭЭ проф. А.Е. Козярук ПРОГРАММА УЧЕБНОЙ ДИСЦИПЛИНЫ «ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ ЭЛЕКТРОТЕХНИКИ» Направление подготовки: 140404 - электроэнергетика и электротехника Профиль подготовки: электропривод и автоматика Квалификация (степень) выпускника: бакалавр Форма обучения: очная Составитель: проф. каф. ЭЭЭ О.Б. Шонин САНКТ-ПЕТЕРБУРГ 2012 1. Цели и задачи дисциплины: Основной задачей изучения дисциплины «Теоретические основы электротехники» является формирование у студентов основных понятий и положений теории электромагнитного поля и теории цепей; освоение качественных, аналитических, экспериментальных и численных методов временного и частотного анализа процессов в линейных и нелинейных цепях с учетом волнового характера распространения энергии; приобретение навыков для последующего изучения автоматизированных электромеханических комплексов, систем генерирования, преобразования, передачи и распределения энергетических/информационных потоков. 2. Место дисциплины в структуре ООП: Дисциплина «Теоретические основы электротехники» относится к профессиональному циклу Б.3 и имеет тематическую связь со следующими дисциплинами: «Силовая электроника», «Электрические и электронные аппараты», «Теория автоматического управления», «Электрические машины», «Метрология», «Основы электротехнологий», «Электрический привод», «Электротехническое и конструкционное материаловеденье», «Общая энергетика». Преподавание дисциплины основывается на знаниях, полученных студентами в результате изучения дисциплин математического и естественнонаучного циклов. 3. Требования к результатам освоения дисциплины: Процесс изучения дисциплины направлен на формирование следующих компетенций: Общекультурные компетенции (ОК): 1. Способность к обобщению, анализу, восприятию информации, постановке цели и выбору путей ее достижения (ОК-1); 2. Готовность к самостоятельной, индивидуальной работе, принятию решений в рамках своей профессиональной компетенции (ОК-7); 3. Способность и готовность владеть основными методами, способами и средствами получения, хранения, переработки информации, использовать компьютер как средство работы с информацией (ОК-11); 4. Способность и готовность к публичным выступлениям, аргументации, ведению дискуссии и полемики (ОК-12). Профессиональные компетенции (ПК): 1. Способность демонстрировать базовые знания в области естественнонаучных дисциплин и готовностью использовать основные законы в профессиональной деятельности, применять методы математического анализа и моделирования, теоретического и экспериментального исследования (ПК-2); 2. Готовность выявить естественнонаучную сущность проблем, возникающих в ходе профессиональной деятельности, и способность привлечь для их решения соответствующий физико-математический аппарат (ПК-3); 3. Способность и готовность анализировать научно-техническую информацию, изучать отечественный и зарубежный опыт по тематике исследования (ПК-6); 4. Способность формировать законченное представление о принятых решениях и полученных результатах в виде отчета с его публикацией (публичной защитой) (ПК-7); 5. Готовность использовать информационные технологии в с своей предметной области (ПК-10); 6. Способность использовать методы анализа и моделирования линейных и нелинейных электрических цепей (ПК-11). В результате изучения дисциплины студент должен: Знать: Основные понятия и законы электромагнитного поля и теории электрических и магнитных цепей, методы анализа цепей анализа постоянного и переменного тока в стационарных и переходных режимах, энергетические соотношения в цепях постоянного и переменного тока. Уметь: применять методы временного и частотного анализа цепей для нахождения реакции на различные виды воздействий, производить оценку энергетических показателей устройств, экспериментально определять параметры режимов и параметры схем замещения устройств. Владеть: терминологией теории электромагнитного поля и теории электрических и магнитных цепей, методами качественного анализа цепей, прикладными программами расчета и моделирования электрических цепей и электромагнитных полей. 4. Объем дисциплины и виды учебной работы. Общая трудоемкость дисциплины составляет 11 зачетные единицы. Всего часов Вид учебной работы Семестры 3 4 5 6 227 85 90 51 1 Лекции 122 51 54 17 Практические занятия (ПЗ) 35 17 Лабораторные работы (ЛР) 70 17 36 17 Самостоятельная работа (всего) , 169 44 45 44 Аудиторные занятия (всего), в том числе: 17 1 Семинары (С) 36 в том числе: Курсовой проект (работа) 36 Расчетно-графические работы 24 25 24 20 20 20 Реферат Другие виды самостоятельной работы Вид промежуточной аттестации (зачет, экзамен) экз., зач. экз. зач. экз. зач. Общая трудоемкость 396 129 135 95 37 11 3,6 3,8 2,6 1 час зач. ед. 5. Содержание дисциплины 5.1. Содержание разделов дисциплины № п/п 1. Наименование раздела дисциплины Топология и методы анализа цепей. Содержание раздела Основные понятия теории цепей. Характеристики, уравнения и энергетические соотношения в пассивных и активных элементах. Ориентированный граф цепи. Ветви дерева и ветви связи. Формы напряжения/тока источников энергии. Законы Кирхгофа. Уравнения и задачи анализа 2. Свойства цепей переменного тока в установившемся режиме. электрических цепей. Понятие о переходном и установившемся режимах. Цепи постоянного тока. Расчетная схема, внешняя характеристика, мощность и режимы работы источника энергии. Метод эквивалентных преобразований. Метод пропорциональных величин. Получение передаточных функций цепи. Принцип суперпозиции. Метод эквивалентного генератора. Принципы компенсации. Методы контурных токов и узловых потенциалов. Формулы двух узловой схемы. Дуальные цепи. Теорема взаимности. Теорема вариации параметров. Матрично-топологический анализ. Обобщенные ветви. Эквивалентные преобразования источников напряжения/тока. Уравнения узловых потенциалов и контурных токов в матричной форме. Теорема Теллегена. Параметры синусоидального тока и напряжения. Действующее, среднее и среднее по модулю значения тока. Метод комплексных амплитуд. Уравнения элементов, законы Кирхгофа и методы расчета в комплексной форме. Комплексное сопротивление/проводимость. Режимы работы RL и RC цепей. Векторные диаграммы токов/напряжений, их связь с временными диаграммами и показаниями приборов. Мгновенная и средняя мощность двухполюсника. Активные и реактивные составляющие тока/напряжения. Комплексная мощность. Коэффициент мощности. Методы измерения мгновенной, активной реактивной и полной мощности. Определение параметров расчетной схемы двухполюсника по показаниям приборов. Расчет цепей с помощью векторных диаграмм. Определение входных и передаточных функций цепи с помощью методов контурных токов и узловых напряжений. Частотные свойства входного сопротивления/проводимости и коэффициента передачи напряжения/тока в RL и RC цепях. Частота среза. Простой и сложный резонанс напряжений/токов. Амплитудно- и фазово-частотные характеристики. Настроечные кривые. Добротность, характеристическое сопротивление, полоса пропускания. Виды связи и резонансные явления в сложных контурах. Уравнение линии передачи энергии. Компенсация реактивной мощности/фазового сдвига. Падение и потеря напряжения в линии. Продольная компенсация. Методы повышения КПД линии. Параметры и уравнения магнитно связанных элементов (МСЭ). Экспериментальное определение одноименных зажимов, коэффициентов самоиндукции и взаимоиндукции. Свойства цепи при последовательном и параллельном соединении МСЭ. Исключение магнитной связи. Энергетические соотношения в магнитосвязанных цепях. Входная и передаточная функции автотрансформатора и трансформатора. Вносимые сопротивления. Совершенный и идеальный трансформатор. Согласование сопротивлений. Тобразные схемы замещения трансформаторов. 3 Трехфазные цепи 4 Переходные процессы в линейных электрических цепях. 5 Операторный метод расчета переходных процессов Свойства цепей при полигармоническом воздействии. Характеристики несинусоидального тока/напряжения: спектр, действующее значение, коэффициент амплитуды и формы, коэффициент гармоник. Использование принципов суперпозиции и метода комплексных амплитуд для определения реакций цепи. Влияние частотных свойств L-, C- и LC- двухполюсников на форму реакции. Активная, реактивная и полная мощность. Мощность искажений Коэффициент мощности. Метод эквивалентных синусоид. Получение трехфазного тока. Свойства симметричной системы напряжений. Схемы соединения и эквивалентные преобразования источников и приемников. Амплитудные и фазовые соотношения между линейными и фазными токами/напряжениями в режиме симметричной нагрузки. Смещение нейтрали. Аварийные режимы. Векторные диаграммы токов и напряжений. Расчет четырехпроводной линии. Расчет - схемы в симметричном и несимметричном режимах. Мощность в трехфазной цепи. Метод двух ваттметров. Расчет разветвленной трехфазной цепи. Вращающееся магнитное поле в машинах переменного тока. Метод симметричных составляющих. Высшие гармоники в трехфазных сетях. Преобразование числа фаз. Законы коммутации. Составление и решение дифференциальных уравнений цепи. Схемы замещения на различных этапах переходного процесса. Методы получения характеристического уравнения. Свойства RL и RCконтуров при действии постоянных и синусоидальных сигналов. Время установления процесса. Отключение цепей с индуктивностью. Разветвленные цепи первого порядка. Переходные процессы в колебательных контурах. Форма представления свободных составляющих в зависимости от корней характеристического полинома. Определение порядка цепи. Индуктивные сечения и емкостные контуры. Алгоритм получения уравнений состояния. Матричная запись уравнений. Аналитическое и численное решение. Разностные уравнения. Дискретные схемы замещения динамических цепей. Определение импульсных и переходных характеристик по расчетным схемам. Нахождение реакций на возмущение произвольной формы с помощью интегралов наложения. Преобразование Лапласа. Основные теоремы. Решение дифференциальных уравнений операторным способом. Операторные схемы замещения. Учет начальных условий с помощью источников тока/напряжения. Операторные функции цепи. Составляющие реакций при нулевом состоянии и нулевом воздействии. Способы представления функций цепи. Нули и полюсы. Нахождение оригиналов. Теорема разложения. Выделение свободной и вынужденной составляющих при постоянном и синусоидальном воздействиях. Сведение расчетов к нулевым условиям. Контроль расчетов по теоремам о начальном и предельном значениях. 6 7 8 Частотный метод анализа. Интеграл Фурье. Непрерывный спектр. Теорема Релея. Эффективная ширина спектра. Узлы и пучности амплитудного спектра. Связь параметров спектра с длительностью, формой и площадью сигнала. Способы представления частотных характеристик цепи. Логарифмические частотные характеристики. Определение начальных и предельных значений частотных характеристик по R- схемам замещения. Связь частотных и временных характеристик. Формула трапеции. Условия дифференцирующего, интегрирующего и неискажающего преобразования сигналов. Амплитудные и фазовые искажения. Переходные и установившиеся режимы при воздействии серии возмущений. Ряд Фурье. Дискретный спектр. Определение комплексного спектра по операторному изображению. Теорема Парсеваля. Амплитудный и энергетический критерии оценки эффективной полосы частот спектра. Усеченный спектр. Зависимость спектра от формы периодического сигнала. Приближенное определение реакции на установившийся сигнал. Идеализация дискретных сигналов. Теорема Котельникова и практика ее применения. Анализ цепей с Принцип взаимности и линейности. Системы многополюсными уравнений четырехполюсников и схемы их соединения. элементами. Определение параметров четырехполюсника. Т и Побразные схемы замещения. Условия преобразования источников напряжения в источники тока. Характеристические сопротивления и постоянные передачи. Частотные характеристики идеальных фильтров. Реактивные фильтры. Обратная связь. Цепи с операционными усилителями. Устойчивость цепей с обратной связью. Волновые процессы Типы линий передачи энергии. Параметры и в линиях с уравнения длинной линии. Начальные и граничные условия. распределительными Операторный метод решения. Анализ переходных процессов параметрами. в линиях при многократных отражениях. Операторные коэффициент отражения и преломления. Влияние сосредоточенных элементов и разветвлений в линии на волновые процессы. Расчет переходного процесса при однократном отражении от нагрузки различного типа Установившейся синусоидальный режим. Неискажающая линия. Режим бегущих и стоячих волн. Входное сопротивление, коэффициент передачи, согласование импедансов. Длинная линия как четырехполюсник. Точность дискретной аппроксимации. Нелинейные цепи. Характеристики нелинейных элементов. Статические и динамические параметры. Уравнения и методы анализа нелинейных резистивных цепей. Графоаналитический метод. Построение входных и выходных характеристик. Метод кусочно-линейных схем. Аппроксимация нелинейных зависимостей с помощью диодно-резистивных схем. Определение рабочих точек методом эквивалентного генератора, итерационный метод, метод Ньютона-Рафсона. 9 Основы теории электромагнитного поля. Стабилизация напряжения с помощью нелинейных резисторов. Нелинейные магнитные цепи постоянного тока. Магнитное сопротивление/проводимость, законы Ома и Кирхгофа. Методы расчета магнитных цепей постоянного тока. Магнитные цепи на переменном токе. Потери в магнитных цепях. Дроссель с подмагничиванием. Приведенный трансформатор. Токи включения. Умножение частоты с помощью нелинейных магнитных и резистивных элементов. Методы составления и решения уравнений состояния. Кусочно-линейный метод анализа нелинейных динамических цепей. Численные методы. Расчет переключаемых цепей первого порядка. Фазовая плоскость. Устойчивость автономных цепей с N- и S- резисторами. Триггер и мультивибратор. RL и RCцепи с управляемыми и неуправляемыми вентилями в цепях переменного тока. Схема с буферными диодами. Схемы умножения напряжения. Метод гармонической линеаризации. Комплексная функция нелинейных элементов цепи. Феррорезонансные явления. Понятие о параметрических цепях. Примеры применения нелинейных динамических цепей. Система уравнений Максвелла в дифференциальной и интегральной форме. Электростатическое поле. Уравнение Пуассона и Лапласа. Граничные условия. Емкости системы тел. Поле электрического тока. Законы Ома и ДжоуляЛенца в дифференциальной форме. Электростатическая аналогия. Сопротивление заземлителя растеканию. Постоянное магнитное поле. Векторный и скалярный потенциалы. Магнитное поле на границе сред. Определение индуктивности и взаимной индуктивности системы тел. Переменное электрическое поле. Плотность потока энергии. Энергетические потоки в кабельных и воздушных линиях. Частотная дисперсия комплексной диэлектрической и магнитной проницаемости. Решение одномерного волнового уравнения для сред с малыми потерями и проводящих сред. Электрический и магнитный скин-эффект. Эффект близости. 5.2 Разделы дисциплины и междисциплинарные связи с обеспечиваемыми (последующими) дисциплинами № п/п 1. 2. 3. 4. Наименование обеспечиваемых (последующих) дисциплин Силовая электроника Электрические и электронные аппараты Теория автоматического управления Электрические машины Номера разделов данной дисциплины, необходимых для изучения обеспечиваемых (последующих) дисциплин 1 2 3 4 5 6 7 8 9 + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + 5. 6. 7. 8. 9. Метрология Основы электротехнологий Электрический привод Электротехническое и конструкционное материаловеденье Общая энергетика + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + 5.3. Разделы дисциплин и виды занятий № Наименование раздела дисциплины п/п Лекц. Практ. Лаб. зан. зан. Семин СРС Всего час. 1. Топология и методы анализа цепей. 10 6 6 8 30 2. Свойства цепей переменного тока в установившемся режиме. Трехфазные цепи. 31 7 7 22 67 10 4 4 14 32 Переходные процессы в линейных электрических цепях. Операторный метод расчета переходных процессов Анализ цепей с многополюсными элементами. Волновые процессы в линиях с распределительными параметрами. Нелинейные цепи. 16 12 14 42 16 8 14 38 10 8 7 25 12 8 10 30 12 13 13 26 64 Основы теории электромагнитного поля. Курсовая работа. 5 4 4 18 31 36 37 3. 4. 5. 6. 7. 8. 9. 10. 1 6. Лабораторный практикум № п/п № раздела дисциплины 1. 1. Топология и методы анализа цепей 2. 2. Свойства цепей переменного тока в установившемся режиме. 3. 3.Трехфазные цепи Наименование лабораторных работ Трудое мкость (час.) Исследование делителей тока и напряжения. Экспериментальная проверка эквивалентных преобразований. Экспериментальное определение параметров эквивалентного генератора. Экспериментальная проверка принципа суперпозиции. Исследование частотных и энергетических свойств RL- и RCцепей синусоидального тока. Получение резонансных кривых. Экспериментальное исследование ЛЭП. Исследование цепи с индуктивной связью. Экспериментальное определение реакции цепи на полигармонический сигнал. Исследование трехфазной цепи при 6 7 4 4. 5. 6. 7. 7. соединении приемника звездой и треугольником. Исследование преобразователя числа фаз. 4. Переходные Исследование процессов заряда/разряда процессы в конденсатора. Процессы при коммутации в RLлинейных цепях постоянного тока. Влияние начальных электрических условий и структуры цепи при коммутации в цепях цепях с несколькими источниками постоянного тока. Исследование переходных процессов в простом/сложном RLCконтуре. Переходные процессы в параллельном GLC- контуре. Ударный ток при синусоидальном воздействии на RL- цепь 5. Операторный Исследование интегририрующего метод расчета преобразователя. Исследование преобразователя переходных дифференцирующего типа. Экспериментальное процессов определение частотных и спектральных характеристик цепей и сигналов. 6. Анализ цепей с Экспериментальное определение параметров многополюсными четырехполюсников и проверка эквивалентности Тэлементами. и Псхем замещения. Исследование четырехполюсников с обратной связью. Исследование реактивных фильтров. Исследование свойств активных RCцепей. 7. Волновые Исследование переходных процессов в процессы в длинной линии с учетом многократных отражений. линиях с Влияние характера нагрузки на форму отраженных распределительны и преломленных волн. Исследование ми параметрами. синусоидального установившегося режима в длинной линии. Экспериментальное исследование длинной линии как преобразователя сопротивления. 8. Нелинейные Получение вольт-амперных характеристик цепи. нелинейных резисторов. Исследование режимов стабилизации и утроения частоты. Построение кусочно-линейной аппроксимации вольт-амперной характеристики нелинейного резистора. Исследование выпрямителя с RC- и RL- фильтрами. Выпрямитель с буферными диодами. Триггер Шмидта. Феррорезонанс. Релаксационный генератор напряжения. Преобразователи напряжения и частоты. 12 8 8 8 17 7. Практические занятия № п/п 1. № раздела дисциплины 1. Топология и методы анализа цепей Тематика практических занятий Метод эквивалентных преобразований. Законы Кирхгофа. Метод эквивалентного генератора и принцип суперпозиции. Метод узловых потенциалов и метод контурных токов. Трудое мкость (час.) 6 2. 3. 4. 5. 6. 2. Свойства цепей Расчет цепей методом комплексных переменного тока в амплитуд. Резонансные режимы цепей. установившемся режиме. Расчет цепей с магнитными связями. Расчет цепей переменного тока методами узловых потенциалов и контурных токов 3.Трехфазные цепи Симметричный режим трехфазной сети. Расчет несимметричного режима. 8. Нелинейные цепи. Расчет режима нелинейного резистора методом эквивалентного источника. Построение входных и выходных характеристик нелинейной цепи. Расчет спектральных и энергетических характеристик тиристорного регулятора напряжения. Расчет переходных процессов в нелинейных цепях постоянного тока. Расчет параметров приведенной схемы трансформатора. Оценка устойчивости периодических режимов в нелинейных цепях второго порядка. 9. Основы теории Расчет параметров воздушных и электромагнитного поля. кабельных линий. Ознакомление с программой моделирования электромагнитных полей электротехнических устройств. Расчет распределения поля в проводнике при электрическом и магнитном скин-эффекте. 10. Курсовая работа Исследование динамических свойств и преобразования сигналов передающей цепью второго порядка. 7 4 13 4 1 8. Примерная тематика курсовых проектов (работ): Исследование динамических свойств и преобразования сигналов передающей цепью второго порядка. Краткое содержание работы: формирование уравнений состояния и операторных функций цепи; определение реакций на стандартные сигналы и сигналы заданной формы; совместное рассмотрение частотных характеристик передающей цепи и спектральных характеристик сигналов; оценка амплитудных и фазовых искажений; разработка предложений по изменению параметров цепи с целью получения одного из видов функциональных преобразований; проверка результатов расчета на экспериментальном стенде/рабочем столе Multisim Electronics Workbench. 9. Учебно-методическое и информационное обеспечение дисциплины: а) основная литература 1. Бессонов Л.А. Теоретические основы электротехники. Электрические цепи. М.: Гардарики, 1999. 2. Бычков Ю.А., Золотницкий В.М., Чернышев Э.П. Основы теории электрических цепей. СПб: Лань, 2004. 3. Демирчан К.С., Нейман Л.Р., Коровкин Н.В., Чечурин В.К. Теоретические основы электротехники. СПб: Питер, 2004. б) дополнительная литература 1. Панфилов Д.И., Иванов В.С., Чепурин И.Н. Электротехника и электроника в экспериментах и упражнениях. Практикум на Electronics Workbench. М.: Додэка, 2001 2. Шонин О.Б. Теоретическая электротехника. Временной анализ электрических цепей. СПб: Изд. СПбГГИ (ТУ), 2005. 3. Шонин О.Б. Теоретическая электротехника. Частотный анализ электрических цепей. СПб: Изд. СПбГГИ (ТУ), 2006. 4. Шонин О.Б. Измерения основных электрических величин. Методические указания к расчетным и лабораторным работам. СПб: Изд. СПбГГИ (ТУ), 2006. 5. Шонин О.Б. Осциллографические измерения: Методические указания к расчетным и лабораторным работам. СПб: Изд. СПбГГИ (ТУ), 2006. в) программное обеспечение Компьютерные аудитории с установленным пакетом прикладных программ Electronics Workbench, Mathlab, Mathcad, LabView. г) базы данных, информационно-справочные и поисковые системы Электронные версии учебников, пособий, методических разработок, указаний и рекомендаций по всем видам учебной работы, предусмотренных вузовской рабочей программой, находящиеся в свободном доступе для студентов, обучающихся в вузе. 10. Материально-техническое обеспечение дисциплины: Занятия проводятся в специализированной лаборатории теоретических основ электротехники и компьютерных классах. На персональных компьютерах установлен пакет прикладных программ для расчета и моделирования электрических цепей. Аудитории снабжены информационными плакатами по соответствующим разделам курса. 11. Методические рекомендации по организации изучения дисциплины: Лекционный материал синхронизирован с проведением лабораторных и практических занятий по основным разделам дисциплины. При чтении лекций и проведении лабораторных/практических занятий предусматривается использование демонстрационных материалов. Самостоятельная работа студентов включает углубленное изучение основных разделов программы с использованием основной и дополнительной литературы, подготовку к лабораторным работам, практическим занятиям и выполнение курсовой работы. Разработчик: Профессор каф. ЭЭЭ (должность) Шонин О.Б. (подпись) (инициалы, фамилия) (подпись) (инициалы, фамилия) Зав. каф. ЭЭЭ (должность) А.Е. Козярук