Документ 928104

МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ
ФЕДЕРАЛЬНОЕ ГОСУДАРСТВЕННОЕ БЮДЖЕТНОЕ ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ ВЫСШЕГО
ПРОФЕССИОНАЛЬНОГО ОБРАЗОВАНИЯ
«ЮЖНО-РОССИЙСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ
ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ
(НОВОЧЕРКАССКИЙ ПОЛИТЕХНИЧЕСКИЙ ИНСТИТУТ)»
РАБОЧАЯ ПРОГРАММА
по дисциплине «Теоретические основы электротехники»,
СОСТАВЛЕННАЯ ПО КРЕДИТНО-МОДУЛЬНО-РЕЙТИНГОВОМУ ПРИНЦИПУ
для направления: 140400 «Электроэнергетика и электротехника»
для профилей подготовки (бакалавриат):
– «Электромеханика»;
– «Электрические и электронные аппараты»;
– «Электропривод и автоматика »;
– «Электрооборудование автомобилей и тракторов»;
– «Электрооборудование и автоматика судов»;
– «Электрооборудование и электрохозяйство предприятий, организаций и учреждений»;
– «Электрический транспорт».
Новочеркасск 2012 г.
2
МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ РФ
Федеральное государственное образовательное учреждение
высшего профессионального образования
«Южно-Российский государственный технический университет
(Новочеркасский политехнический институт)»
УТВЕРЖДАЮ
Проректор по ОД Л.И. Щербакова
«___» ___________________ 2012 г.
РАБОЧАЯ ПРОГРАММА
Б3.1.01
«Теоретические основы электротехники»
Направление подготовки: 140400 «Электроэнергетика и электротехника»
Для профилей подготовки:
– «Электромеханика»;
– «Электрические и электронные аппараты»;
– «Электропривод и автоматика »;
– «Электрооборудование автомобилей и тракторов»;
– «Электрооборудование и автоматика судов»;
– «Электрооборудование и электрохозяйство предприятий, организаций и учреждений»;
– «Электрический транспорт».
– «Электрические станции»;
– «Автоматизированные электроэнергетические системы»;
– «Электроснабжение промышленных предприятий»;
– «Релейная защита и АЭЭС».
Квалификация (степень) выпускника: бакалавр. Форма обучения: очная
Электромеханический факультет
ТЭиЭ
Кафедра
Курс
2,3
Семестр
Лекции 72 (час)
Практические (семинарские)
занятия 72 (час)
3,4,5
Экзамен -3,4,5 (семестр) кол-во 153(час) , 4.25 ЗЕТ(на экз.)
Зачет нет (семестр)
Всего самостоятельной работы –135(час.), из них:
Лабораторные занятия 36 (час)
Всего аудиторных 180 (час)
плановая работа 48 (час.)
курсовой проект – семестр нет (час.)
курсовая работа - 3 семестр (час.)
реферат – семестр нет (час)
домашнее задание – 4,5 семестр
(час.)
контрольная работа (ЗФО) – семестр нет (час.)
индивидуальная работа – 51 (час.)
домашняя работа – 36 (час)
ИТОГО по дисциплине – 468 (час.) , 13 (ЗЕТ) (с учетом ЗЕТ на экзамен)
2012 г.
3
Рабочая программа составлена на основании рабочего учебного плана по ФГОС утвержденного ученым советом
ЮРГТУ(НПИ) приказом № 4 от 29.12.2010
г.
(Наименование типовой программы, дата утверждения)
Примерной программы -___________________________________________________________
наименование программы, дата утверждения
Рабочую программу составил
Доцент, к.т.н. Ершов Ю.К.
Рабочая программа обсуждена на заседании кафедры
ТЭиЭ
ПТАХ Г.К.
Заведующий кафедрой
«______»________________ 201 г.
Протокол № _______________
Рабочая программа согласована:
Пахомин С.А.
Заведующий кафедрой «Электромеханика»
«______»________________ 201 г.
Протокол № _______________
Рабочая программа согласована:
Павленко А.В.
Заведующий кафедрой «Электрические и электронные аппараты»
«______»________________ 2011 г.
Протокол № _______________
Рабочая программа согласована:
Кравченко О.А.
Заведующий кафедрой «Электропривод и автоматика»
«______»________________ 2011 г.
Протокол № _______________
Рабочая программа согласована:
Заведующий кафедрой «Теоретическая электротехника и электрооборудование»
«______»________________ 2011 г.
Птах Г.К.
Протокол № _______________
Рабочая программа согласована:
Заведующий кафедрой «Электрический транспорт»
«______»________________ 2011 г.
Колпахчьян П.Г.
Протокол № _______________
4
Содержание
стр.
1. Цели и задачи дисциплины, ее место в структуре ООП………………………………….5
1.1. Цели и задачи изучения дисциплины…………………………………………………………5
1.2. Краткая характеристика дисциплины и ее место в учебном процессе…………………....5
1.3. Связь с предшествующими дисциплинами………………………………………………….5
1.4. Связь с последующими дисциплинами………………………………………………………6
1.5. Требования к результатам освоения дисциплины…………………………………………..6
2. Распределение тем, часов занятий по модулям и семестрам…………………….…..7
3. Содержание модулей……………………………………………………………….……8
3.1. Содержание модуля №1………………………………………………………………….……8
3.1.1. Наименование тем лекций, их содержание и объем в часах………………………..……8
3.1.2. Практические (семинарские) занятия, их наименование и объем в часах…………..…..8
3.1.3. Лабораторные занятия, их наименование и объем в часах…………………….…………9
3.1.4. Разделы курсового проекта, курсовой работы, реферата, домашнего задания, их содержание и характеристика……………………………………………………………………..…….9
3.1.5. Самостоятельная работа студентов…………………………………………………..…….9
3.1.6. Самоконтроль полученных знаний…………………………………………………...……9
3.1.7. Учебно-методические материалы по модулю……………………………………….…….9
3.2. Содержание модуля №2………………………………………………………………….......10
3.2.1. Наименование тем лекций, их содержание и объем в часах…………………………….10
3.2.2. Практические (семинарские) занятия, их наименование и объем в часах………………10
3.2.3. Лабораторные занятия, их наименование и объем в часах………………………………10
3.2.4. Разделы курсового проекта, курсовой работы, реферата, домашнего задания, их содержание и характеристика……………………………………………………………………….....10
3.2.5. Самостоятельная работа студентов……………………………………………………….10
3.2.6. Самоконтроль полученных знаний……………………………………………………......11
3.2.7. Учебно-методические материалы по модулю…………………………………………….11
3.3. Содержание модуля №3………………………………………………………………………11
3.3.1. Наименование тем лекций, их содержание и объем в часах…………………………….11
3.3.2. Практические (семинарские) занятия, их наименование и объем в часах……………....11
3.3.3. Лабораторные занятия, их наименование и объем в часах………………………………11
3.3.4. Разделы курсового проекта, курсовой работы, реферата, домашнего задания, их содержание и характеристика…………………………………………………………………………..12
3.3.5. Самостоятельная работа студентов…………………………………………………….…12
3.3.6. Самоконтроль полученных знаний………………………………………………………..12
3.3.7. Учебно-методические материалы по модулю……………………………………………12
4. Учебно-методические материалы и информационное обеспечение дисциплины….12
5. Учебная и производственная практики, НИР…………………………………………13
6. Интерактивные формы организации изучения дисциплины……………………..…13
7. Методические материалы к тестовому контролю знаний студентов……………….14
7.1. Вопросы или контрольные занятия к модулю №1…………………………………………14
7.2. Вопросы или контрольные занятия к модулю №2…………………………………………15
7.3. Вопросы или контрольные занятия к модулю №3…………………………………………15
8. Внеаудиторная самостоятельная работа студентов и подготовка к экзамену……..16
9. Материально-техническое обеспечение дисциплины……………………………….16
10. Календарный план (рейтинг-план)…………………………………………………..16
5
ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ОБРАЗОВАТЕЛЬНЫЙ СТАНДАРТ (ГОС 3)
ПО ДИСЦИПЛИНЕ
ОПД.Ф.05
«
Теоретические основы электротехники»
01. Физические основы электротехники; уравнения электромагнитного поля; законы
электрических цепей; цепи синусоидального тока; трехфазные цепи; расчет цепей при
несинусоидальных периодических воздействиях; многополюсники; переходные процессы в линейных цепях; нелинейные электрические и магнитные цепи; цепи с распределенными параметрами; теория электромагнитного поля; электростатическое поле; стационарное электрическое поле; магнитное поле; аналитические и численные
методы расчета электрических и магнитных полей; переменное электромагнитное поле; поверхностный эффект и эффект близости; электромагнитное экранирование.
1. ЦЕЛИ И ЗАДАЧИ ДИСЦИПЛИНЫ, ЕЁ МЕСТО В СТРУКТУРЕ ООП
1.1. Цели и задачи изучения дисциплины
Теоретические основы электротехники (ТОЭ) - это основная общетехническая дисциплина для подготовки инженеров электротехнических и электроэнергетических специальностей.
Цель преподавания ТОЭ - научить студентов применять законы электромагнетизма и
теории электрических цепей для корректного математического описания и теоретического исследования процессов, происходящих в различных электротехнических устройствах и сложных системах, привить студентам навыки аналитического и численного, в том числе с применением ЭВМ, расчета электрических цепей и электромагнитных устройств, научить студентов
выполнять электрические и магнитные измерения, привить навыки экспериментального исследования электротехнических устройств.
Задачи дисциплины.
Для достижения поставленной цели необходимо чтобы студент
знал и умел использовать:
основные понятия и законы электромагнетизма и теории цепей;
основные методы анализа линейных и нелинейных цепей в установившихся и переходных режимах;
основные положения теории электромагнитного поля;
приборы для электрических и магнитных измерений.
приобрел навыки:
составления схем замещения электротехнических устройств в установившихся и неустановившихся режимах и расчета их параметров;
применения вычислительной техники в электромагнитных расчетах;
экспериментального исследования электротехнических устройств.
1.2. Краткая характеристика дисциплины и её место в учебном процессе
Электротехника - это обширная область практического применения электромагнитных явлений. Курс теоретических основ электротехники содержит теоретические, в основном математические модели, предназначенные для описания состояний и процессов в электротехнических устройствах, электроэнергетических системах, системах автоматики, передачи и обра-
6
ботки информации; значительную часть курса составляют методы исследования моделей.
Терминология, понятия, уравнения и методы расчетов из курса ТОЭ переходят во многие
специальные дисциплины электротехнического и электроэнергетического профиля.
1.3. Связь с предшествующими дисциплинами.
Наименование дисциплины
1.Высшая математика
линейная алгебра
дифференциальное исчисление
интегральное исчисление
дифференциальные уравнения
векторная алгебра
теория поля
операционное исчисление
теория функций комплексного
переменного, ряды
2. Физика
Электромагнетизм,теория колебаний (волны)
3. Информатика
персональные ЭВМ
инструментальные системы
программирования
Уровень знаний
3
Номера тем
3-6,
2,4,5,8-12
2,4,5,8-12
8-12
2,12
12
8
4,5-12
3
2,10,11,12
3
3-12
Требования к входным знаниям, умениям и компетенциям студентов:
знать:
 основные физические явления и законы и их математическое описание;
 основные понятия и методы линейной алгебры, дифференциального и интегрального
исчисления;
уметь:
 применять полученные знания для объяснения условий протекания физических явлений в природе;
 выявлять физическую сущность явлений и процессов в устройствах различной физической природы и выполнять применительно к ним простые технические расчеты;
 применять изученные математические методы при решении инженерных задач .
владеть:
 основополагающими физическими понятиями, закономерностями,
законами и теориями; уверенным пользованием физической терминологией и симво
ликой;
 основными методами научного познания, используемыми в физике- наблюдением,
описанием, измерением, экспериментом, умением обрабатывать результаты;
 методами анализа физических явлений в технических устройствах и системах.
7
№
п/п
1
2
3
Наименование дисциплины и ее разделы
1.Высшая математика
линейная алгебра
дифференциальное исчисление
интегральное исчисление
дифференциальные уравнения
векторная алгебра
теория поля
операционное исчисление
теория функций комплексного
переменного, ряды
2. Физика
Электромагнетизм,теория колебаний (волны)
3. Информатика
персональные ЭВМ
инструментальные системы
программирования
Уровень
знания
Номера тем изучаемой
дисциплины
3-6,
2,4,5,8-12
2,4,5,8-12
8-12
2,12
12
8
3
Шифр
компетенции
ПК-11,33,41
4,5-12
3
2,10,11,12
ПК-11,33,41
3
3-12
ПК-11,33,41
1.4. Связь с последующими дисциплинами, фундаментализация, гуманитаризация и интеграция естественных, гуманитарных и технических знаний
Физические основы электроники (4 сем.), электрические машины (5 сем.), электрические
и электронные аппараты (5 сем.), электропривод (6 сем.), аналоговая и цифровая электроника (5
сем.), полупроводниковые преобразователи энергии (6 сем.) и др.
1.5. Требования к результатам освоения дисциплины
Процесс изучения дисциплины направлен на формирование у обучаемого следующих
компетенций:
- способность использовать методы анализа и моделирования линейных и нелинейных
электрических цепей постоянного и переменного тока (ПК-11);
- способность к дальнейшему обучению на втором уровне высшего профессионального
образования, получению знаний в рамках одного из конкретных профилей в области научных
исследований и педагогической деятельности (ПК-33);
- готовность понимать существо задач анализа и синтеза объектов в технической среде(ПК-41).
В результате изучения дисциплины студент должен:
Знать:
основные понятия и законы электромагнетизма и теории цепей;
8
основные методы анализа линейных и нелинейных цепей в установившихся и переходных режимах;
основные положения теории электромагнитного поля;
приборы для электрических и магнитных измерений.
Уметь:
составлять схемы замещения электротехнических устройств в установившихся и неустановившихся режимах и расчет их параметров;
применять вычислительную технику в электромагнитных расчетах;
экспериментально исследовать электротехнические устройства.
Владеть:
навыками элементарных расчетов и испытаний электрических схем электрооборудования.
2. РАСПРЕДЕЛЕНИЕ ТЕМ, ЧАСОВ ЗАНЯТИЙ И ЗАЧЕТНЫХ ЕДИНИЦ ПО
МОДУЛЯМ И СЕМЕСТРАМ
ДИСЦИПЛИНА
«ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ
ЭЛЕКТРОТЕХНИКИ»
180 час – 13 зет
Модуль 1
90 час
Модуль 2
Модуль 3
54 час
36 час.
Рис.1. Модульное построение дисциплины
9
Номера
№ семестра
3
Итого
тем
Лекции
Практ.
занятия.
Лаб.
занятия
Всего
План.
Инд.
Дом.
Всего
Экз.
1
1
2
3
4
5
6
36
36
18
90
16
17
12
45
51
186
36
36
18
90
16
17
12
45
51
186
18
18
18
54
16
17
12
45
51
18
18
18
54
16
17
12
45
51
150
18
18
0
36
16
17
12
45
51
132
18
18
0
36
16
17
12
45
51
132
72
72
36
180
48
51
36
135
153
468
2
7
8
9
10
Итого 4-й
семестр
5
Самостоятельна работа
студентов
модулей
Итого 3-й
семестр
4
Количество часов аудиторных занятий
3
Итого 5-й
семестр
ВСЕГО
11
12
13
час
150
3. СОДЕРЖАНИЕ МОДУЛЕЙ
ТРЕТИЙ СЕМЕСТР
3.1. Содержание модуля 1 (90 час).
3.1.1. Наименование тем лекций, их содержание и объём в часах
Тема 1. Введение. (1 час.), УЗ-1, ПК-11.
Назначение курса ТОЭ и его роль в подготовке инженеров по направлению «Электротехника, электромеханика и электротехнологии». Связь теоретических исследований с практическими задачами электротехники и электромеханики. Структура курса. Учебники и учебные
пособия. Организация работы над курсом.
Литература раздел 4 [1,2,3,4,5,6,].
Тема 2. Основные понятия и законы теории электромагнитного поля и теории цепей. (5 час.) УЗ-3, ПК-11,33,41.
10
2.1. Основные понятия и законы электромагнетизма. Электромагнитное поле как физическая реальность. Математическая теория поля - аппарат для его исследования. Описание
электромагнитных устройств и систем методами теории цепей. Связь между теорией электромагнитного поля и теорией электрических цепей. Источники поля. Электрические и магнитные
компоненты поля и среды. Законы электромагнетизма.
2.2. Основные понятия и законы теории электрических цепей. Электрическая цепь,
электрические схемы. Электрический ток (электронная, дырочная и ионной проводимости, ток
смещения в диэлектрике и вакууме, ток переноса в электроннолучевых трубках), физические
проявления тока, воздействие на человека. Электрическое напряжение. Электрический потенциал. Электродвижущая сила (ЭДC). Сторонние поля.
Законы (правила) Кирхгофа, их связь с уравнениями Максвелла. Закон Джоуля-Ленца,
электрическая и магнитная энергии.
2.5. Физические элементы и параметры электрических цепей.
Идеальный резистор. Параметр - электрическое сопротивление. Два определения. Расчет и измерение . Зависимость. Вольт-амперная характеристика (ВАХ). Линейность и нелинейность. Приемники - потребители электрической энергии. Закон Ома - определяющее уравнение для.
Идеальный конденсатор. Параметр C - электрическая емкость. Три определения C .
Расчет и измерение кулон-вольтной характеристики линейных и нелинейных конденсаторов.
Приемники - накопители электрической энергии. Связь между и ( при и ) - определяющее
уравнение для идеального конденсатора. Взаимная ёмкость. Частичные ёмкости.
Идеальная индуктивная катушка. Параметр - индуктивность. Три Определения. Расчет и
измерение. Вебер-амперная характеристика линейных и нелинейных индуктивных катушек.
Приемники - накопители энергии магнитного поля. Связь между и (при и) - определяющее
уравнение для идеальной катушки. Взаимная индуктивность.
Реальные резисторы, катушки, конденсаторы - их упрощенные схемы замещения.
Идеальные вспомогательные элементы электрических цепей - соединительные провода,
переключатели и т.д. Условности -»закоротки» и «разрывы».
Идеальные и реальные источники энергии. Представление заданного напряжения идеальным источником ЭДС (). Представление заданного тока идеальным источником тока (,).
Стрелки. Внешние характеристики идеальных источников,. Невозможность взаимного эквивалентного преобразования идеальных источников и. Реальные источники энергии - их упрощенные схемы замещения (источник напряжения и источник тока) и возможность их эквивалентного преобразования. Внешняя характеристика реального источника постоянного напряжения и тока, линеаризация ее в окрестностях ХХ и КЗ.
2.3. Описание электрических цепей уравнениями Кирхгофа. Начальные сведения о
топологии цепи: ветви, узлы, контуры, сечения, графы и основные подграфы. Описание цепи
уравнениями Кирхгофа для мгновенных значений токов и напряжений. Уравнения связи определяющие уравнения элементов цепи. Свойства цепей Кирхгофа - потенциальность и замкнутость. Оценки применимости теории цепей по уровням частоты, токов, напряжений. Теорема Теленджена, баланс мощностей.
Литература раздел 4 [1,2,3,4,5,6,].
Тема 3. Линейные цепи постоянного тока. (6 час.), УЗ-3, ПК-11,33,41.
3.1. Простые цепи постоянного тока. Почему из параметров при постоянных токах и
напряжениях учитывается только? Эквивалентные преобразования, метод эквивалентных преобразований. Метод пропорциональных величин.
11
3.2. Сложные цепи постоянного тока. Расчет полного токораспределения по уравнениям Кирхгофа. Баланс мощностей. Методы контурных токов и узловых потенциалов. Потенциальная диаграмма.
.
3.3. Основные свойства и теоремы линейных электрических цепей. Принципы
наложения и взаимности, входные и взаимные проводимости, коэффициенты передачи. Принцип линейности. Принцип компенсации. Теоремы об эквивалентных источниках напряжения
(теорема Гельмгольца-Тевенена) и тока (теорема Нортона). Метод эквивалентного генератора.
Тема 4. Электрические цепи синусоидального тока. (14 час.), УЗ-3, ПК-11,33,41.
4.1. Основные понятия. Роль синусоидального тока в электротехнической практике.
Получение синусоидального напряжения (ЭДС). Синусоидальная функция, характеризующие
ее величины (для тока:). Графическое изображение синусоиды - временная и векторная диаграммы. Интегральные характеристики синусоидального тока ().
4.2. Синусоидальный ток в элементах. Графики Энергия и мощность. Безвозвратное
потребление энергии и обмен энергией в накопителях. Фазовый угол сдвига в пассивной цепи.
4.3. Мощность в цепи синусоидального тока. Мгновенная, активная, реактивная, полная мощность - формулы, физический смысл. Физический смысл действующего значения тока
(напряжения).
4.4. Комплексный метод расчета. Основные понятия. Изображение синусоидальных
функций вращающимися векторами на комплексной плоскости. Линейные математические
операции над комплексной функцией. Возможность описания синусоидального режима фиксированной частоты с помощью комплексных чисел. Алгебра комплексных чисел.
Законы Ома и Кирхгофа в комплексной форме. Комплексные сопротивления и проводимость (). Описание синусоидального режима в электрической цепи - СЛАУ с комплексными
коэффициентами. Применимость в комплексной форме всех методов и принципов расчета линейных цепей, рассматриваемых для цепей постоянного тока. Алгоритм расчета токов в сложной цепи. Примеры расчёта простых электрических цепей. Эквивалентные преобразования,
расчет, расчет токов и напряжений, векторные и топографические диаграммы. Метод пропорциональных величин. Мощность в комплексной форме (). Баланс мощностей.
4.5. Резонанс в простых цепях. Резонанс напряжений в последовательной - цепи.
Характеристическое сопротивление, добротность контура. Частотные характеристики. Полоса
пропускания контура. Практическое значение резонанса напряжений. Резонанс токов в параллельной - цепи. Частотные характеристики. Практическое значение резонанса токов.
Коэффициент мощности, физический смысл. «Проблема». Повышение в энергосистеме («косинусные» конденсаторы, синхронные компенсаторы). Коэффициент полезного действия, энергетический коэффициент () .
4.6. Пассивные и активные двухполюсники. Входное сопротивление (проводимость).
Последовательная и параллельная, cхемы замещения двухполюсника. Измерение эквивалентных параметров с помощью вольтметра, амперметра, ваттметра, определение знака угла. Треугольники напряжений, сопротивлений, токов, проводимостей, мощностей. Зависимость от
всех параметров цепи и частоты. Передача энергии от активного двухполюсника нагрузке.
Условия передачи максимальной активной мощности. Падение и потеря напряжения в линии
передачи энергии. Частотные характеристики двухполюсников (АЧХ, ФЧХ). Расчет нулей и
полюсов реактивных двухполюсников. Дискретные спектры. Частотные фильтры.
4.7. Электрические цепи со взаимноиндуктивными связями. Основные понятия. Явление взаимной индукции, взаимная индуктивность. Уравнения для двух магнитосвязанных
контуров (катушек): система стрелок, маркировка при и. Опытное определение величины и
знака. Маркировка при. Коэффициент магнитной связи двух контуров. Последовательное
включение двух магнитосвязанных катушек. Эквивалентная индуктивность при согласном и
12
встречном включении. Векторные диаграммы. Определение величины и знака при произвольной маркировке. Уравнения Кирхгофа и компонентные уравнения ветвей (уравнения связи) для
сложных цепей со взаимной индукцией. Баланс мощностей в электрических цепях со взаимной
индукцией. Передача энергии через магнитное поле.
Воздушный трансформатор. Исследование воздушного трансформатора с резистивной
нагрузкой (). Эквивалентные параметры трансформатора как пассивного двухполюсника. Вносимые сопротивления (). Совершенный и идеальный трансформаторы. Компонентные уравнения для идеального трансформатора. Понятие о согласующем (идеальном) трансформаторе.
Развязка магнитных связей. Т- образная схема замещения трансформатора.
4.8. Компьютерный анализ линейных электрических цепей. Компьютерная модель
сложной цепи на базе уравнений Кирхгофа. Вычисление входных и передаточных коэффициентов с использованием принципов наложения и взаимности. Автоматизация формирования уравнений метода узловых потенциалов с помощью Т-списка. Применение системы MathCAD для
компьютерного расчёта электрических цепей.
Литература раздел 4 [1,2,3,4,5,6,].
Тема 5. Линейные электрические цепи при несинусоидальных периодических воздействиях. (4 час.), УЗ-3, ПК-11,33,41.
5.1. Несинусоидальные периодические токи и напряжения; представление их рядами
Фурье, учет симметрии. Дискретный спектр. Принцип наложения.
5.2. Интегральные величины токов, напряжений, Э.Д.С.: среднее, среднее по модулю,
действующее значение; коэффициенты, характеризующие несинусоидальность функции. Понятия об измерительных приборах различных систем - что они измеряют и как проградуированы.
5.3. Активная мощность P. Полная (установленная) мощность, коэффициент мощности
(). О реактивной мощности.
5.4. Подробный расчет цепи при несинусоидальной ЭДС с вычислением мгновенных,
интегральных значений тока, напряжений, активной мощности, коэффициентов Построение
временных графиков.
5.5. Зависимость формы кривой от характера цепи при несинусоидальном напряжении
[токе]: усиление или ослабление высших гармоник. Резонансы. Частотные фильтры.
5.6. Понятие о приближенном анализе несинусоидальных режимов методом эквивалентых синусоид.
5.7. Несинусоидальные кривые с периодической сгибающей (биения, модулированные
колебания, модулированные импульсы).
Литература раздел 4 [1,2,3,4,5,6,].
Тема 6. Трехфазные цепи (6 час.). УЗ-3, ПК-11,33,41.
6.1. Основные понятия и определения теории трехфазных цепей. Понятие о многофазных источниках питания и многофазных цепях. Трехфазные источники, линия передачи и
нагрузка. Многофазные и трехфазные системы токов, напряжений, Э.Д.С. Порядок следования
фаз, оператор. Связывание многофазных цепей - соединение звездой () и многоугольником
(треугольником -). Линейные и фазные величины.
6.2. Симметричные режимы работы трехфазных цепей ( соединения и для источников, приемников), соотношения между линейными и фазными напряжениями, токами. Однофазные схемы замещения, эквивалентные преобразования. Применение топографических диаграмм.
13
6.3. Несимметричные режимы работы трехфазных цепей. Неравномерная нагрузка
фаз, несимметрия при авариях. Эквивалентные преобразования при несимметрии.
Расчет цепи - трехпроводная и - четырехпроводная (с нулевым проводом ), роль нулевого провода (нейтрали) и его сопротивления на систему фазных напряжений приемника. Расчет цепей
6.4. Мощности P, Q, S трехфазной системы. Вычисление и измерение мощностей в
симметричных и несимметричных трехфазных цепях.
6.5. Вращающееся и пульсирующее магнитное поле. Получение кругового вращающегося поля с помощью двух неподвижных катушек. Получение вращающегося поля в синхронном генераторе. Принцип действия синхронного и асинхронного двигателей.
Литература раздел 4 [1,2,3,4,5,6,].
3.1.2 Практические (семинарские) занятия, их наименование и объем в
часах.
Количество
часов
Форма
контроля
1. Расчет простых цепей постоянного тока
4
Опрос
2. Метод эквивалентного генератора.
4
К.р.
3. Расчет простых цепей синусоидального
тока. Векторные диаграммы.
4
Опрос
4. Расчет цепей синусоидального тока комплексным методом.
4
Опрос
4
4
Наименование тем занятий
5. Расчёт цепей в резонансных режимах.
6. Расчет цепей синусоидального тока с катушками взаимной индуктивности.
7. Расчет цепей с периодическими несинусоидальными токами.
8. Расчёт симметричных трёхфазных цепей
9. Расчёт несимметричных трёхфазных цепей
2
4
6
Сроки
контроля
Во время
проведения
пр.
Занятий
Во время
проведения
пр.
занятий
Во время
проведения
пр.
занятий
Номер
Литература
компетенции
ПК11,33,41
1-16
ПК11,33,41
1-16
ПК11,33,41
1-16
Во время
проведения
пр.
занятий
ПК11,33,41
1-16
К.р.
Во время
проведения
пр.
занятий
ПК11,33,41
1-16
Опрос
Во время
проведения
пр.
занятий
ПК11,33,41
1-16
Опрос
Во время
проведения
пр.
занятий
ПК11,33,41
1-16
Опрос
Во время
проведения
пр.
занятий
ПК11,33,41
1-16
К.р.
Во время
проведения
пр.
занятий
ПК11,33,41
1-16
14
3.1.3. Лабораторные работы, их наименование и объем в часах
Наименование тем занятий
Количество
часов
Форма
контроля
1. Законы Кирхгофа в цепях постоянного тока.
2
Отчёт
2. Свойства линейных цепей постоянного
тока.
2
Отчёт
3. Исследование передачи энергии по линии
постоянного тока.
2
4. Исследование простых цепей синусоидального тока.
5. Резонанс напряжений.
6. Повышение коэффициента мощности активно-индуктивного приемника с помощью
конденсатора.
Сроки
контроля
Во время
проведения
лаб.
Занятий
Номер
Литература
компетенции
ПК11,33,41
1-16
Во время
проведения
лаб.
Занятий
ПК11,33,41
1-16
Отчёт
Во время
проведения
лаб.
Занятий
ПК11,33,41
1-16
2
Отчёт
Во время
проведения
лаб.
Занятий
ПК11,33,41
1-16
2
Отчёт
Во время
проведения
лаб.
Занятий
ПК11,33,41
1-16
Отчёт
Во время
проведения
лаб.
Занятий
ПК11,33,41
1-16
ПК11,33,41
1-16
ПК11,33,41
1-16
ПК11,33,41
1-16
2
7. Исследование цепи переменного тока с
катушками взаимной индуктивности.
2
Отчёт
8. Исследование трехфазной системы звездазвезда.
2
Отчёт
9. Исследование трехфазной системы звездатреугольник.
2
Отчёт
Во время
проведения
лаб.
Занятий
Во время
проведения
лаб.
Занятий
Во время
проведения
лаб.
Занятий
3.1.4. Курсовой проект, курсовая работа, реферат, домашнее задание, их содержание и характеристика.
Курсовая работа (24 час.)
Расчёт стационарных режимов в линейных электрических цепях:
1. Расчёт цепи с источниками постоянного тока
2. Расчёт цепи с источниками синусоидального тока.
3. Расчёт цепи с источниками несинусоидального тока.
Литература 4 [57-61].
15
3.1.5. Самостоятельная работа студентов
Всего (час)
Плановая работа (час.)
Индивидуальная работа
(час.)
Домашняя работа (час.)
45
16
17
12
1. Домашняя раб.:
- подготовка к лекциям -4 час;
- подготовка к лаб.раб. – 8 ч.
2. Индивидуальная самостоятельная работа студентов (СРС):
- самоконтроль -5 ч.;
- конспектирование разделов вынесенных на самостоятельное изучение – 6 ч.;
- изучение тем вынесенных на самостоятельное изучение – 6 ч.:
Тема 2. Зависимость. Вольт-амперная характеристика (ВАХ). Расчет и измерение кулонвольтной характеристики линейных и нелинейных конденсаторов. Взаимная ёмкость. Частичные ёмкости. (2час.).
Тема 4. Совершенный и идеальный трансформаторы. Компонентные уравнения для идеального трансформатора. Понятие о согласующем (идеальном) трансформаторе. Развязка магнитных связей. Компьютерный анализ линейных электрических цепей. (4час.).
3.1.6. Самоконтроль полученных знаний
№
модуля
Уровень
Подведение и проведение рейтинг-контроля, час
№ тем
1
3
1,2,3,4,5,6
Текущий
Промежуточный
Итоговый
Тестовый контроль по модулю
Защита плановой лабораторной работы
Допуск к экзамену
1
1
-
3.1.7. Учебно-методические материалы по модулю
Литература раздел 4 [ 1,2,3,4,5,6,7] .
3.2. Содержание модуля 2 (54 часа.)
ЧЕТВЕРТЫЙ СЕМЕСТР
Всего на
контроль
модуля
2
16
3.2.1. Наименование тем лекций, их содержание и объём в часах
Тема7. Переходные процессы в линейных электрических цепях. (10 час.), УЗ3, ПК-11,33,41.
7.1.Основные понятия и определения. Переходный процесс, коммутация, идеальный
ключ. Законы (правила) коммутации. Начальные условия.
7.2. Классический метод расчета переходных процессов. Общий метод расчёта переходных процессов. Свободная и принуждённая составляющие. Примеры расчёта и анализа переходных процессов в rL- и rC – цепях первого порядка. Роль и свойства экспоненты. Постоянная времени цепи первого порядка. Алгоритм расчёта переходных процессов в цепях первого
порядка. Подробный пример расчета переходных процессов в последовательной r,L,C -цепи
(включение на постоянное напряжение, разряд конденсатора на rL, включение на синусоидальное напряжение). Апериодический, предельный апериодический и колебательный свободные режимы при. Переходные сверхтоки и напряжения, биения колебаний, резонансный режим.
Расчет переходных процессов при (некорректных коммутациях). Обобщение законов
(правил) коммутации.
7.3. Операторный метод Лапласа (метод аналитической алгебраизации дифференциальных уравнений). Преобразование Лапласа и его свойства. Законы Ома и Кирхгофа в операторной форме. Операторные схемы замещения, учет начальных условий. Примеры расчета цепей первого и второго порядка операторным методом. Переход от изображений к оригиналам.
Теорема разложения, ее применение. Операторные передаточные функции. Свойства корней
характеристического уравнения. Роль операторного метода при анализе звеньев и систем автоматического управления. Интегрирующее, дифференцирующее, фиксирующее и др. звенья.
7.4. Метод переменных состояния. Формирование уравнений состояния цепи.
Аналитическое решение уравнений состояния. Матрица перехода. Численные методы решения
уравнений состояния явными и неявными методами. Устойчивость методов численного интегрирования. Жесткость систем дифференциальных уравнений электрических цепей. Пример
расчёта в системе MathCAD.
7.5. Метод дискретных резистивных схем (метод численной алгебраизации дифференциальных уравнений). Определяющие уравнения для элементов цепи, ассоциированные с неявными методами Эйлера и трапеций. Дискретные резистивные схемы реактивных элементов.
Алгоритм расчёта переходных процессов методом дискретных резистивных схем. Пример расчёта в системе MathCAD.
7.6. Интеграл Дюамеля. Расчет переходных процессов методом наложения при ступенчатых воздействиях. Переходная проводимость и переходная передаточная функция, их
аналитическое и экспериментальное определение. Расчет переходных процессов в линейных
цепях при источниках произвольной формы.
Представление воздействия с помощью ступенчатой единичной(), либо импульсной (функция Дирака) функциями. Примеры расчета или цепи при аналитическом задании входного напряжения. Интеграл Дюамеля при кусочноаналитической аппроксимации сложного воздействия.
Литература раздел 4 [1,2,3,4,5,6,].
Тема 8. Нелинейные электрические и магнитные цепи постоянного тока (8
час.), УЗ-3, ПК-11,33,41.
8.1. Общая характеристика нелинейных цепей и методов их расчета.
Нелинейные элементы (НЭ) и их характеристики. Нелинейные резистивные элементы.
Инерционные и безынерционные НЭ, симметричные и несимметричные характеристики НЭ.
17
Статическое и дифференциальное сопротивление. Нелинейные индуктивные и емкостные элементы. Управляемые НЭ. Аппроксимация характеристик НЭ.
Методы расчета нелинейных электрических цепей.
О применимости принципов и
методов расчета линейной электротехники к нелинейным цепям.
Расчет схем с резистивными НЭ на постоянном токе: графический метод; линеаризация
характеристик; численный расчет методом итераций (простая итерация, метод Ньютона).
8.2. Электрические цепи с полупроводниковыми приборами.
Сведения об электронных полупроводниковых НЭ, их характеристиках, областях применения: полупроводниковые резисторы (термистор, фоторезистор); полупроводниковые диоды (выпрямительные диоды, стабилитроны, туннельные диоды); транзисторы (биполярный) и
тиристоры. Схемы включения, коэффициенты усиления, семейства характеристик.
Модели полупроводникового диода и тиристора. Различное представление их ВАХ.
Идеальный диод и идеальный тиристор. Модель транзистора Эрли. Учет емкости «р-n» перехода диодов и транзисторов. Полупроводниковый транзистор в режиме постоянного тока. Семейство статических входных характеристик и семейство выходных характеристик.
Расчет цепей с полупроводниковыми приборами. Расчет рабочих точек для транзисторов
по семействам характеристик при заданных постоянных входных и выходных воздействиях.
Система уравнений транзистора для малых приращений токов на входе и выходе. Схема замещения транзистора для малых приращений и определение ее параметров на ВАХ. Транзистор
как активный четырехполюсник.
8.3. Магнитные цепи постоянного тока.
Понятие о магнитной цепи. Роль ферромагнитных сердечников (генерация и формирование магнитного поля). Примеры магнитных цепей различных электротехнических устройств
(измерительная система МЭ прибора электромагнит, электрическая машина постоянного тока и
др.).
Дифференциальные и интегральные (поток, магнитное напряжение, МДС F ) величины
для описания поля в ферромагнетиках. Экспериментальное получение характеристик ферромагнитных сердечников и материалов. Характеристики намагничивания. Гистерезисные петли,
предельная симметричная петля, кривая размагничивания, величины. Средняя кривая намагничивания, основная кривая намагничивания.
Магнитомягкие и магнитотвердые материалы
(сравнительные числа), области применения. Характеристики размагничивания для постоянных
магнитов.
Законы магнитных цепей. Принцип непрерывности линий магнитной индукции - «первый закон Кирхгофа»; закон полного тока - «второй закон Кирхгофа»; уравнение связи - «закон
Ома» для участка магнитной цепи. Формальность аналогии и существенные различия между
электрическими и магнитными цепями (условность «угловых» зон, неопределенность положения МДС, соизмеримость потоков рассеяния с основными потоками, неоднозначность магнитных напряжений).
Применение цепного представления магнитопровода для расчета потоков и МДС. Катушки с «замкнутым» магнитопроводом, имеющим малый поперечный зазор. Прямая и обратная задача. Понятие о потоке рассеяния и оценка влияния различных факторов на его величину.
Расчет разветвленных магнитных цепей. Определение индуктивностей (собственных и взаимных) для катушек с ферромагнитным сердечником.
Понятие о расчете магнитных систем с постоянными магнитами.
Литература раздел 4 [1,2,3,4,5,6,].
18
3.2.2 Практические (семинарские) занятия, их наименование и объем в часах.
Наименование тем занятий
Количество
часов
1.Расчёт переходных процессов в цепях первого порядка классическим методом
4
2.Расчёт переходных процессов в цепях второго порядка классическим методом
Форма
контроля
Сроки
контроля
Номер
Литература
компетенции
К.р.
Во время
проведения
пр.
Занятий
ПК11,33,41
1-16
4
Опрос
Во время
проведения
пр.
Занятий
ПК11,33,41
1-16
3.Расчёт переходных процессов операторным
методом
4
Опрос
Во время
проведения
пр.
Занятий
ПК11,33,41
1-16
4.Расчёт переходных процессов с помощью
интеграла Дюамеля
2
Опрос
Во время
проведения
пр.
Занятий
ПК11,33,41
1-16
Опрос
Во время
проведения
пр.
Занятий
ПК11,33,41
1-16
Опрос
Во время
проведения
пр.
Занятий
ПК11,33,41
1-16
4.Расчёт нелинейных электрических цепей
постоянного тока
5.Расчёт нелинейных магнитных цепей постоянного тока
2
2
3.2.3. Лабораторные работы, их наименование и объем в часах
Наименование тем занятий
1. Исследование трехфазной системы звездазвезда.
2. Исследование трехфазной системы звездатреугольник.
3.Исследование переходных процессов в линейных электрических цепях.
4.Исследование нелинейной цепи постоянного тока.
Количество Форма
Сроки
часов
контроля контроля
Во время
проведения
4
Отчёт
лаб.
Занятий
Во время
проведения
Отчёт
2
лаб.
Занятий
4
4
Номер
Литература
компетенции
ПК11,33,41
1-16
ПК11,33,41
1-16
Отчёт
Во время
проведения
лаб.
Занятий
ПК11,33,41
1-16
Отчёт
Во время
проведения
лаб.
Занятий
ПК11,33,41
1-16
19
5.Исследование неразветвленной магнитной
цепи
Отчёт
4
Во время
проведения
лаб.
Занятий
ПК11,33,41
1-16
3.2.4. Курсовой проект, курсовая работа, реферат, домашнее задание, их содержание и характеристика.
Домашнее задание (6 час.)
Расчёт переходных режимов в линейных и нелинейных цепях:
1. Расчёт переходных процессов в линейных цепях.
2. Расчёт переходных процессов в нелинейных цепях.
Литература 4 [61].
.
3.2.5. Самостоятельная работа студентов
Всего (час)
Плановая работа (час.)
Индивидуальная работа
(час.)
Домашняя работа (час.)
45
16
17
12
1. Домашняя раб.:
- подготовка к лекциям -4 час;
- подготовка к лаб.раб. – 8 ч.
2. Индивидуальная самостоятельная работа студентов (СРС):
- самоконтроль -5 ч.;
- конспектирование разделов вынесенных на самостоятельное изучение – 6 ч.;
- изучение тем вынесенных на самостоятельное изучение – 6 ч.:
Тема7. Метод переменных состояния. Формирование уравнений состояния цепи. Аналитическое решение уравнений состояния. Матрица перехода. Численные методы решения уравнений состояния явными и неявными методами. Устойчивость методов численного интегрирования. Жесткость систем дифференциальных уравнений электрических цепей. Пример расчёта в
системе MathCAD.(2час.).
Тема 8. Электрические цепи с полупроводниковыми приборами.
Сведения об электронных полупроводниковых НЭ, их характеристиках, областях применения: полупроводниковые резисторы (термистор, фоторезистор); полупроводниковые диоды (выпрямительные диоды, стабилитроны, туннельные диоды); транзисторы (биполярный) и
тиристоры. Схемы включения, коэффициенты усиления, семейства характеристик.
Модели полупроводникового диода и тиристора. Различное представление их ВАХ.
Идеальный диод и идеальный тиристор. Модель транзистора Эрли. Учет емкости «р-n» перехода диодов и транзисторов. Полупроводниковый транзистор в режиме постоянного тока. Семейство статических входных характеристик и семейство выходных характеристик.
Расчет цепей с полупроводниковыми приборами. Расчет рабочих точек для транзисторов
по семействам характеристик при заданных постоянных входных и выходных воздействиях.
Система уравнений транзистора для малых приращений токов на входе и выходе. Схема заме-
20
щения транзистора для малых приращений и определение ее параметров на ВАХ. Транзистор
как активный четырехполюсник. (4час.).
3.2.6. Самоконтроль полученных знаний
№
модуля
Уровень
Подведение и проведение рейтинг-контроля, час
№ тем
2
2
Текущий
Промежуточный
Итоговый
Тестовый контроль по модулю
Защита плановой лабораторной работы
Допуск к экзамену
1
1
-
7,8
Всего на
контроль
модуля
2
3.2.7. Учебно-методические материалы по модулю
Литература раздел 4 [1,2,3,4,5,6,7,8] .
3.3. Содержание модуля 3 (36 час)
Пятый семестр
3.3.1. Наименование тем лекций, их содержание и объём в часах
Тема 9. Нелинейные электрические цепи переменного тока (4 час.), УЗ-3, ПК11,33,41.
9.1. Электрические цепи с ферромагнитными сердечниками
при синусоидальных источниках (установившиеся и переходные режимы). Периодическое перемагничивание, статические и динамические петли. Тепловые потери на гистерезис и вихревые токи. Учет
намагничивающихся потоков и потерь в стали при расчете методом эквивалентных синусоид.
Характеристики для электротехнических сталей, их использование для определения параметров электрических схем замещения магнитопроводов.
Электрическая схема замещения катушки с сердечником при синусоидальном напряжении. Векторная диаграмма.
Двухобмоточный трансформатор. Уравнения для мгновенных. Электрическая схема замещения для приведенного трансформатора. Эквивалентные синусоиды, векторная диаграмма.
Опытное определение параметров схемы замещения трансформатора.
Устройства переменного тока с нелинейными индуктивностями и линейными ёмкостями. Явление феррорезонанса. Феррорезонансные стабилизаторы напряжения.
Включение катушки с сердечником (ненагруженного трансформатора) на синусоидальное напряжение. «Бросок намагничивающего тока». Роль остаточной индукции.
Компьютерное моделирование установившихся и переходных процессов (математическая модель индуктивной катушки).
9.2. Пакеты прикладных программ для анализа электрических и электронных цепей. Системы схемотехнического моделирования Design Center (Pspice) и Micro-CAP.
Литература раздел 4 [1,2,3,4,5,6,].
21
Тема 10.Четырехполюсники и многополюсники. (4 час.), УЗ-3, ПК-11,33,41.
10.1. Уравнения четырехполюсника (формы). Матричная запись. Первичные параметры
(коэффициенты, постоянные), эквивалентные схемы замещения. Расчет и опытное определение
постоянных (формы) и параметров T- образной схемы замещения. Симметричные четырехполюсники.
10.2. Соединения четырехполюсников: каскадное, последовательное, параллельное,
смешанное, обратные связи.
10.3. Характеристические сопротивления, постоянная передачи, единицы измерения затухания (вторичные параметры). Цепные схемы. Вносимое и рабочее ослабление. Четырехполюсник как согласующее звено между источником и приемником. Расчет и опытное определение вторичных параметров четырехполюсника.
10.4. Передаточные коэффициенты и функции. Частотные характеристики четырехполюсников.
10.5. Компьютерное моделирование с помощью системы MathCAD передаточных функций и частотных характеристик четырехполюсников, выделяемых из сложной цепи.
10.6. Многополюсники. Уравнения связи напряжений и токов на зажимах многополюсников.
Литература раздел 4 [1,2,3,4,5,6,].
Тема 11. Установившиеся и переходные режимы в цепях с распределенными параметрами. (4 час.), УЗ-3, ПК-11,33,41.
11.1. Понятие о цепи с распределенными параметрами на примере однородной длинной линии. Дифференциальные уравнения для однородной длинной линии. Первичные параметры
11.2. Решение уравнений при синусоидальном процессе. Прямая и отраженная волны.
Характеристические параметры однородной линии. Волновое сопротивление, постоянная распространения. Согласованная нагрузка. Входное сопротивление. Линия без искажений. Линия
без потерь. Применение линий без потерь в высокочастотной технике.
11.3. Переходные процессы. Общие сведения. Исходные уравнения и их решение. Волны
с прямоугольным фронтом.
Литература раздел 4 [1,2,3,4,5,6,].
Тема 12. Теория электромагнитного поля (6 час.), УЗ-3, ПК-11,33,41.
12.1. Система уравнений Максвелла. Основные величины, соотношения, обозначения,
размерности. Полная система уравнений Максвелла в интегральной форме Уравнения Максвелла в дифференциальной форме. Операции векторного анализа. Полная система уравнений.
Роль граничных и начальных условий. Теоремы существования и единственные решения. Энергетические соотношения. Теорема Умова-Пойнтинга.
12.2. Электростатическое поле.. Закон Кулона и принцип наложения. Теорема Гаусса.
Поле точечного заряда, поле заряженной нити. Эпюры для однородной среды. Граничные условия на поверхности раздела при отсутствии и наличии поверхностного заряда. Условия на бесконечности. Расчет полей с простейшей симметрией. Алгоритм расчета емкости плоских, сферических, цилиндрических однослойных и многослойных конденсаторов; вычисление запасаемой энергии и обобщенных сил ( по принципу виртуальных перемещений). Примеры расчетов с
22
построением эпюр; «выравнивание» поля в цилиндрических изоляторах подбором слоев изоляции. Расчёт изоляции на прочность.
Система заряженных проводников (линии передачи). Коэффициенты электростатической индукции, потенциальные коэффициенты, частичные емкости. Определение этих величин
и расчет распределения зарядов и потенциалов проводов. Аналитические и экспериментальные
способы решения на примере трехжильного кабеля с оболочкой при различном включении источника.
Расчет поля в однородной среде при заданном распределении источников. Объемные
электростатические потенциалы при источниках. Логарифмические потенциалы.
Расчет поля в однородной среде по уравнениям Пуассона-Лапласа. Уравнения Пуассона-Лапласа для электростатического потенциала. Граничные условия. Краевые задачи Дирихле
и Неймана, смешенные краевые задачи. Интегрирование уравнений Пуассона-Лапласа для одномерных полей. Теоремы единственности для задач Дирихле и Неймана.
12.3. Электрическое поле постоянного тока.
Поле в проводниках и в изоляции. Сведение расчета поля вне проводников к электростатическим расчетам (режим ХХ - определяющий). Поле в проводящей среде. Уравнения, граничные условия. Аналогия уравнений для уравнениям электростатики.
Закон Ома, закон Джоуля-Ленца в интегральной и дифференциальной формах. Вычисление параметра (электрическое сопротивление) как и. Пример - сектор плоской шайбы при
радиальном направлении тока. Расчёт сопротивления изоляции коаксиального кабеля. Расчёт
поля заземлителей.
12.4. Магнитное поле постоянного тока. Поле вне источников. Скалярный магнитный
потенциал. Примеры расчета для тонкого, прямолинейного провода с током и для двухпроводной линии из тонких проводов. Уравнение Лапласа для. Циклическая неоднозначность, ее
устранение перегородками (разрезами). Геометрическая интерпретация для двухпроводной линии, для произвольного плоского витка с током.
Расчет магнитных полей с простейшей симметрией по интегральным соотношениям;
вычисление индуктивностей и магнитных проводимостей. Алгоритм расчета.
Примеры: одиночный цилиндрический провод кругового сечения (однородный) - эпюры,
картина поля; коаксиальный кабель; тороидальная катушка с сердечником (тор широкий и узкий - прямоугольного сечения).
Расчет поля двухпроводной линии из тонких проводов: построение силовой и эквипотенциальной линий, проходящих через заданную точку, общая картина поля в виде ортогональных семейств окружностей, сравнение с электрическим полем заряженной линии, вычисление
удельной индуктивности линии.
Поле внутри и вне источников. Векторный магнитный потенциал. Векторное уравнение
Пуассона для. Аналогия с электростатикой. Формулы объемных потенциалов. Примеры аналитического и численного расчета (круговой виток и прямоугольный отрезок провода с током).
Применение для вычисления магнитных потоков. Численный расчет взаимных и собственных индуктивностей для случаев тонких проводов (пример - расчет взаимной индуктивности между двумя прямоугольными рамками, лежащими в одной плоскости). Степень неоднородности поля как основной фактор в выборе его описания - через или (расчет по закону БиоСаварра-Лапласа, либо по формулам объемных потенциалов).
Энергия магнитного поля. Магнитные силы.
Применение формул по закону Ампера,
вычисление обобщенной силы через энергию (по принципу виртуальных перемещений).
12.5. Переменное электромагнитное поле. Полная система уравнений Максвелла, взаимосвязь электрических и магнитных компонент поля. Уравнения Максвелла в комплексной
форме. Переход от описания поля системой уравнений в частных производных для к обыкновенным дифференциальным уравнениям для комплексов - для одномерных полей (зависящих
от одной пространственной координаты).
23
Движение ЭМ энергии. Вектор Пойтинга. Теорема Умова-Пойтинга - формулировка,
смысл слагаемых. Вычисление тепловых потерь в длинном проводнике кругового сечения; два
подхода - цепной и полевой. Передача энергии по линии постоянного тока.
Поверхностный эффект. Две модели - «внутренняя» и «внешняя». Электрический поверхностный эффект в плоской шине токовода. Магнитный поверхностный эффект в плоском
листе магнитопровода. Эпюры распределения. Борьба с поверхностным эффектом - предельные
толщины массивных шин и пластин сердечников.
Эффект близости при одинаковом и встречном направлении токов (магнитных потоков)
в соседних пластинах.
Поверхностный эффект в проводе кругового сечения. Активное и внутреннее индуктивное сопротивление проводов. Формулы, графики. Практическое использование поверхностного
эффекта: электромагниное экранирование, индукционная закалка.
12.6. Обзор численных методов расчёта электромагнитных полей. Методконечных
разностей. Метод конечных элементов. Метод интегральных уравнений (граничных элементов).
Пакеты прикладных программ для расчёта полей.
Литература раздел 4 [1,2,3,4,5,6,].
3.3.2.Практические (семинарские) занятия, их наименование и объем в
часах.
Практические занятия не планируются.
3.3.3. Лабораторные работы, их наименование и объем в часах
Количество
часов
Наименование тем занятий
Форма
контроля
1. Исследование индуктивной катушки с фер-
ромагнитным сердечником.
2.
4
Отчёт
Исследование цепной схемы.
4
3.Исследование переходных процессов в длинной линии.
4.Взаимная индуктивность двухпроводной линии и прямоугольной рамки.
Отчёт
6
Отчёт
4
Отчёт
Сроки
Номер
Литература
контроля компетенции
Во время
проведения
лаб.
Занятий
Во время
проведения
лаб.
Занятий
Во время
проведения
лаб.
Занятий
Во время
проведения
лаб.
Занятий
ПК11,33,41
1-16
ПК11,33,41
1-16
ПК11,33,41
1-16
ПК11,33,41
1-16
3.3.4. Курсовой проект, курсовая работа, реферат, домашнее задание, их содержание и характеристика.
Домашнее задание (6 час.)
24
Расчёт нелинейных электрических и магнитных цепей:
1. Расчёт нелинейной электрической цепи постоянного тока.
2. Расчёт нелинейной магнитной цепи постоянного тока.
Литература 4 [61].
3.3.5. Самостоятельная работа студентов
Всего (час)
Плановая работа (час.)
Индивидуальная работа
(час.)
Домашняя работа (час.)
45
16
17
12
1. Домашняя раб.:
- подготовка к лекциям -4 час;
- подготовка к лаб.раб. – 8 ч.
2. Индивидуальная самостоятельная работа студентов (СРС):
- самоконтроль -5 ч.;
- конспектирование разделов вынесенных на самостоятельное изучение – 6 ч.;
- изучение тем вынесенных на самостоятельное освоение – 6 ч.:
Тема 9. – Устройства переменного тока с нелинейными индуктивностями и линейными ёмкостями. Явление феррорезонанса. Феррорезонансные стабилизаторы напряжения.
Включение катушки с сердечником (ненагруженного трансформатора) на синусоидальное напряжение. «Бросок намагничивающего тока». Роль остаточной индукции.
Компьютерное моделирование установившихся и переходных процессов (математическая модель индуктивной катушки).(3час.).
Тема 12. – Переменное электромагнитное поле. Полная система уравнений Максвелла, взаимосвязь электрических и магнитных компонент поля. Уравнения Максвелла в комплексной
форме. Переход от описания поля системой уравнений в частных производных для к обыкновенным дифференциальным уравнениям для комплексов - для одномерных полей (зависящих
от одной пространственной координаты).
Движение ЭМ энергии. Вектор Пойтинга. Теорема Умова-Пойтинга - формулировка,
смысл слагаемых. Вычисление тепловых потерь в длинном проводнике кругового сечения; два
подхода - цепной и полевой. Передача энергии по линии постоянного тока.
Поверхностный эффект. Две модели - «внутренняя» и «внешняя». Электрический поверхностный эффект в плоской шине токовода. Магнитный поверхностный эффект в плоском
листе магнитопровода. Эпюры распределения. Борьба с поверхностным эффектом - предельные
толщины массивных шин и пластин сердечников.(3час.)
3.2.6. Самоконтроль полученных знаний
№
модуля
Подведение и проведение рейтинг-контроля,
час
Уровень
№ тем
3
3
9,10,11,12
Текущий
Промежуточный
Итоговый
Тестовый контроль по модулю
Защита плановой лабораторной работы
Допуск к экзамену
1
1
-
Всего на
контроль
модуля
2
25
3.2.7. Учебно-методические материалы по модулю
Литература раздел 4 [1,2,3,4,6,7,8,9,10,11,12]
4. Учебно-методические материалы и информационное обеспечение
дисциплины
Литература
Основная:
1. Бессонов Л. А. Теоретические основы электротехники. Электрические цепи: учебник для
вузов / 11-е изд., испр. и доп. - М.: Гардарики, 2006. - 701 с
2. Теоретические основы электротехники. Т.3 : учебник для вузов для самостоят. изучения курса / Демирчян К. С., Нейман Л. Р., Коровкин Н. В., Чечурин В. Л.; 4-е изд., доп. - СПб.: Питер, 2006. - 377 с.
3. Основы теоретической электротехники : учеб. пособие для вузов / Бычков Ю. А. , Золотницкий В. М., Чернышев Э. П., Белянин А. Н.; - СПб.: Лань, 2008. - 592 с
4. Башарин С. А. Теоретические основы электротехники: Теория электрических цепей и электромагнитного поля, учеб. пособие для вузов / Федоров В. В. ; - М.: Академия, 2004. - 304 с.
Дополнительная:
5. Атабеков Г. И. Основы теории цепей : учебник [для вузов] / 3-е изд., стер. -СПб.М. Краснодар: Лань, 2006, 2009.- 432 с.
6. Сборник задач и практикум по основам теории электрических цепей : учеб. пособие / Старостенко А. В. , Белянин А. Н. , Бычков Ю. А. , и др. ; под ред. Ю.А. Бычкова, В.М. Золотницкого, Э.П. Чернышева; - СПб.: Питер, 2005. - 304 с.
7. Жарова Т.А. Практикум по электротехнике : учеб. Пособие для вузов / - М.: Высш. шк.,
2009. – 127 с.
Печатные и рукописные методические указания, рекомендации, инструкции по изучению дисциплины (разработанные в ЮРГТУ(НПИ)) в том числе и электронные
8. Золотарев Н. А.
Теоретические основы электротехники. Ч. 1 : учеб. пособие для дистанц.
обуч. / МО РФ ЮРГТУ(НПИ); - Новочеркасск: Изд-во ЮРГТУ(НПИ), 2002. - 293 с.
9. Расчёт стационарных режимов линейных электрических цепей: метод. указания к курсовой работе
по ТОЭ / Птах Г.К., Ершов Ю.К. Новочеркасск: ЮРГТУ, 2001. - 36 с.
10.
Задачи по курсу «Теоретические основы электротехники». Линейные электрические цепи/ Ершов Ю.К., Птах Г.К., Саввин Д.Д. и др. .Юж.-Рос. гос. техн. ун-т.. –Новочеркасск:
ЮРГТУ(НПИ), 2007. – 35 с.
11.
Линейные электрические цепи синусоидального тока: сборник примеров решения простейших задач/ Слухаёв Н.Г., Золотарёв Н.А.,Саввин Д.Д. / Юж.-Рос. гос. техн. ун-т (НПИ). –
Новочеркасск: ЮРГТУ.–2010.–45 с
12.
Анализ переходных процессов в линейных и нелинейных электрических цепях: учебметод.пособие/Птах Г.К., Ершов Ю.К., Ткаченко Г.И. и др. Юж.-Рос. гос. техн. ун-т (НПИ).
–Новочер-касск: ЮРГТУ.–2011.–44 с
13. Лабораторные работы по курсу «Теоретические основы электро-техники». Линейные электрические постоянного тока/С.Д. Хлебников. Юж.-Рос. гос. техн. ун-т. Новочер-касск:
ЮРГТУ(НПИ), 2007. – 32 с.
26
14. Лабораторные работы по курсу «Теоретические основы электротехники». Линейные электрические цепи в синусоидальном режиме./ Птах Г.К., Ершов Ю.К.,Кирсанов А.Г. и др.
Юж.-Рос. гос. техн. ун-т. Новочеркасск: ЮРГТУ(НПИ), 2007. – 34 с.
Периодические издания
15. Электро. Электротехника, электроэнергетика, электротехническая промышленность
[электронный ресурс]: журнал. – Режим доступа: www.elibrary.ru (доступ с компьютеров в локальной сети вуза).
16. Электротехника [электронный ресурс]: журнал. – Режим доступа: www.elibrary.ru (доступ с компьютеров в локальной сети вуза).
Интернет ресурсы:
17. Бабичев Ю.Е. Электротехника и электроника: Учебник для вузов: В 2 т. Т. 1: Электрические, электронные и магнитные цепи. – М. : Издательство Московского государственного
горного университета, 2007 г. – 599 с.. – Режим доступа: www.knigafund.ru
27
5. УЧЕБНАЯ ПРАКТИКА ПО ДИСЦИПЛИНЕ, КРАТКАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА
Учебным планом не планируется.
Модуль
6. ИНТЕРАКТИВНЫЕ ФОРМЫ ОРГАНИЗАЦИИ ИЗУЧЕНИЯ ДИСЦИПЛИНЫ
1
1
1
2
Вид аудиторных
занятий
Вид интерактивной
формы проведения
занятий
Часы
Интерактивные занятия лекционного типа (не менее 20% и не более 40% аудиторных занятий)
По плану лекций – 72 часа
Тема № 3.Электрические цепи постоянного тока.
Творческое задаУстановить взаимосвязь между величинами тока, напряжелекция
ние
ния, мощности и их зависимость от параметров линии электропередачи.
Тема № 4.Понятия о синусоидальных электрических величинах
и векторных диаграммах.
Творческое задалекция
Установить взаимосвязь между представлением синусоидальние
ных электрических величин в комплексной форме и в виде векторных диаграмм.
Тема № 6. Анализ и расчет трехфазных линейных цепей.
Оценить преимущества и недостатки различных схем включеТворческое задалекция
ния трехфазных приемников , возможности получения вращание
ющихся магнитных полей.
лекция
Творческое задание
Творческое задание»
3
Тема
лекция
4
4
6
Тема № 8. Нелинейные электрические и магнитные цепи.
Оценить степень трудности решения прямой и обратной задач расчета магнитной цепи .
Тема № 11. Длинные линии.
Оценить возможности отрезков длинных линий без потерь для
использования их в микроэлектронике.
ВСЕГО от аудиторных занятий (от 162 часов)
6
6
26
(20%)
7. МЕТОДИЧЕСКИЕ МАТЕРИАЛЫ К ТЕСТОВОМУ КОНТРОЛЮ ЗНАНИЙ СТУДЕНТОВ
7.1. Вопросы к модулю №1 (темы 1 – 6)
1. Что такое электрическое напряжение ?
2.
Какие интегральные характеристики являются источниками электромагнитного поля?
Как они обозначаются, какую имеют размерность?
3.
Какие векторы электромагнитного поля оценивают силовые свойства этого поля, их
обозначения, размерность?
4.
В каких векторах электромагнитного поля учитывается влияние материальной среды, в
которой это поле существует?
28
5. Электрическое поле перемещает заряд из одной точки пространства в другую. Какой электротехнической величиной оценивается такое перемещение множества зарядов. Какова
размерность этой характеристики?
6. Обоснуйте движение зарядов по замкнутому пути. Какая интегральная величина оценивает работу этих сторонних сил, её обозначение, размерность.
7. Как называется работа сил электрического поля по перемещению единицы заряда из точки
а в точку в? Её обозначение, размерность.
8. Какой закон устанавливает связь между током, напряжением и сопротивлением? Записать
выражения для этих связей, привести условное обозначение сопротивления в электрических схемах с изображением стрелок тока и напряжения на нем.
9. Какой закон следует из принципа сохранения заряда для электрических цепей? Сформулируйте это правило.
10. К какому топологическому понятию электрической цепи: графу, дереву, узлу, контуру,
ветви применим закон Кирхгофа? Сформулируйте этот закон.
11. Сколько расчетных уравнений Кирхгофа необходимо составить для электрической цепи,
содержащей 6 ветвей, 3 узла, один идеальный источник тока? Сколько уравнений для этой
цепи будет по I закону Кирхгофа, сколько – по II закону Кирхгофа?
12. Чему будет равно входное сопротивление цепи, содержащей 3 одинаковых резистора сопротивлением 10 Ом, два из которых соединены параллельно?
13. Описать опыты для определения параметров активного двухполюсника эквивалентного
некоторой сложной цепи неизвестной структуры.
14. Какова физическая сущность переменного электрического тока, проходящего через конденсатор. Записать связь этого тока с напряжением на конденсаторе?
15. Чему будет равно напряжение на зажимах идеальной катушки индуктивности, если по
ней пропустить: а) постоянный ток; б) ток линейно возрастающий во времени?
16. Какой физический смысл имеет действующее значение переменного синусоидального тока, как связано это значение с амплитудой тока?
17. С какой целью для расчетов цепей синусоидального тока вводятся комплексы действующих значений?
18. Сколько покажет амперметр ЭМ системы, включенный в цепь индуктивности равный 1
генри, если она питается от источника синусоидального напряжения промышленной частоты с амплитудой 380 вольт?
19. Чему будет равна амплитуда синусоидального напряжения с f =50 Гц на емкости в 1 мкФ,
если амперметр электромагнитной системы включенный в цепь этой емкости показывает
1 А?
29
20. Чему будут равны параметры ( eэ , rэ ) источника эквивалентного двум реальным источникам напряжения ( e1 , r1 ) и ( e2 , r2 ) включенным параллельно?
21. Мощность в 100 кВт, вырабатываемая источником постоянного напряжения с e =220 В
передается с помощью двух проводной линии сопротивлением 10-1 Ом приёмнику. Чему
будет равно КПД линии? Как изменится КПД, если энергию передавать при напряжении
источника 220 кВ? Сделать вывод: при каких напряжениях целесообразно передавать
энергию?
22. Как связаны в последовательной rLC–цепи частота, индуктивность и ёмкость при резонансном режиме работы контура? Чему равна добротность, если сопротивление r равно
1 Ом, ёмкость 1 мкФ, индуктивность 1 Гн?
23. С какой целью на подстанции, питающей промышленные предприятия, устанавливают
батареи конденсаторов?
24. Дать определение активной, реактивной и полной мощности цепи синусоидального тока.
25. Чему равно действующее значение напряжения на выходных зажимах воздушного
трансформатора, если напряжение на входе 100 В, индуктивности первичной и вторичной
обмоток 0,1 и 0,4 Гн, взаимная индуктивность 0,2 Гн?
26. Как определяется действующее значение несинусоидального тока и напряжения и активная мощность цепи в несинусоидальном режиме работы?
27. По индуктивности L=1 Гн протекает ток i  10 sin 100t  5 sin 200t . Определить
действующее значение напряжения на ней.
28. Каковы соотношения между фазными и линейными напряжениями и токами симметричного трехфазного приёмника соединения звезда и треугольник?
29. Как расположить три обмотки на статоре трехфазного двигателя и какой ток следует
пропустить по этим обмоткам чтобы получить круговое вращающееся магнитное поле?
30. В чем отличие в принципе работы асинхронного и синхронного двигателя?
7.2. Вопросы к модулю №2 (темы 7,8)
1.
2.
3.
4.
5.
6.
7.
8.
9.
Может ли измениться скачком значение напряжения на индуктивности и тока в ёмкости
в момент коммутации? Как изменится в момент коммутации ток в индуктивности и
напряжение на ёмкости?
Найти закон изменения тока от времени в последовательной цепи r, L подключаемой к
источнику постоянного напряжения U.
От чего и как зависит длительность переходного процесса в цепи первого порядка?
Чему равна постоянная времени последовательной цепи: r, L и r, C, если r=1 Ом,
L=0,1 Гн, с=10 мкФ?
Как формулируются законы коммутации?
Как проводится расчет переходного тока в последовательной цепи r, C при подключении её к источнику постоянного напряжения операторным методом?
Как можно рассчитать переходный ток на входе цепи, подключаемой к источнику с
произвольным законом изменения его напряжения от времени?
Как найти напряжения на последовательно включенных нелинейных элементах, питаемых от источника постоянного напряжения U, если вольт–амперные характеристики НЭ
заданы в виде графиков?
Если электрическая цепь постоянного тока содержит один НЭ, то как рассчитать токи в
этой цепи, используя метод эквивалентного генератора?
30
Как рассчитать необходимое число ампервитков обмотки дросселя, если задана магнитная индукция в его зазоре величиной  ? Заданы геометрические размеры дросселя: сечение S длина средней линии его магнитопровода l и кривая намагничивания железа дросселя B (H ) .
11. По участку магнитопровода постоянного сечения проходит магнитный поток
10.
Ф  10 4 Вб .
Найти магнитное напряжение на этом участке и магнитную индукцию в
нем, если сечение
S  1 см2 , длина участка l  10 см , магнитная проницаемость железа
a  о 1000 .
7.3. Вопросы к модулю №3 (темы 9– 12)
1.
Как будет меняться форма графика тока i (t ) в катушке, намотанной на ферромагнитный
сердечник тороидальной формы, если катушка питается от источника синусоидального
напряжения, амплитуда которого непрерывно поднимается?
2.
По каким причинам будет нагреваться ферромагнитный сердечник с обмоткой, в которой течет переменный ток i (t ) ? Какие технологические способы применяют для уменьшения
этого нагрева?
3.
Какой физический смысл имеет понятие согласованное сопротивление, для симметричного четырехполюсника?
4. Что означает фраза «четырехполюсник обладает затуханием в 1 непер (1 Нп)»?
5. Что понимают под фазовой скоростью и длиной волны в длинной однородной линии?
6. При каком условии в длинной линии будут отсутствовать отраженные волны?
7. Какое реактивное сопротивление будет имитировать короткозамкнутый отрезок длинной
линии без потерь длины которого:
а) меньше четверти длины волны;
б) больше четверти длины волны;
в) равен четверти длины волны.
8. Какой физический смысл придается понятиям коэффициент затухания и коэффициент фазы
в однородной длинной линии?
9. Какие параметры электрической цепи распределяются вдоль длинной линии? Нарисовать
схему их включения в однородной длинной линии.
10. Что такое бегущая волна в длинной линии?
8. ВНЕАУДИТОРНАЯ САМОСТОЯТЕЛЬНАЯ РАБОТА СТУДЕНТОВ
№
1.
2.
3.
4.
Наименование
Подготовка к лекциям
Подготовка к лабораторным занятиям
Подготовка к практическим занятиям
Подготовка к семинарским занятиям
Всего, час.
9
9
9
9
31
Плановая работа
Индивидуальная работа
Подготовка к экзамену
5.
6.
7.
ИТОГО
48
51
153
288
9. МАТЕРИАЛЬНО-ТЕХНИЧЕСКОЕ ОБЕСПЕЧЕНИЕ ДИСЦИПЛИНЫ
Для обеспечения освоения дисциплины необходимо наличие лекционной учебной
аудитории, снабженной мультимедийными средствами для представления презентаций лекций. Аудитория для проведения лабораторных работ. Лабораторные стенды для исследования
электромагнитных процессов. Осциллографы. Цифровые вольтметры, универсальные мультиметры, персональные компьютеры.
10. ФОРМА КАЛЕНДАРНОГО ПЛАНА (РЕЙТИНГ - ПЛАН)
Оценки
«Отлично» : 86 – 100 баллов
«Хорошо»: 71 – 85 баллов
«Удовлетворительно»: 51–70 б.
«Неудовлетворительно»:  50 б.
«Зачёт»: >50 баллов
«Незачёт»:  50 баллов
№
модуля
Лекции
Форма
контроля
1
2
3
Дисциплина «Теоретические
основы электротехники»
Для студентов специальностей
14060165, 14060265 , 14060465,
14060765, 14060865,14061065,
14061165; направления подготовки
140400
На осенний семестр
20 /20 уч. года
Лектор –Ершов Ю.К.
Практические
занятия
Максим.
балл
Форма
контроля
Максим.
балл
Самостоятельная работа:
 индивидуальная – 51
час.
 домашняя
– 36
час.
 планируемая
– 48
час.
Лекции – 72 час.
Лабораторные работы – 36
час. –
Практические занятия – 72
час.
Итого: 180 ауд. час + 135 сам. час.+153
час.(экз.)=468час.
Лабораторные
работы
Форма
контроля
Максим.
балл
Самостоятельная
работа
Форма
контроля
Контр.
Отчёт
Курс. р.
работа
15
15
№1
Контр.
Отчёт
Д. З.
Тест
15
работа
15
15
№2
Контр.
Отчёт
Д. З.
Тест
15
работа
15
15
№3
Экзамен 40 баллов
Итого: 60 баллов (аттестация в семестре) + 40 баллов (экзамен) = 100 баллов
Тест
15
Максим.
балл
15
15
15
32
№ модуля
Модуль 1
Модуль 2
Модуль 3
Содержание модуля
Лекции: Темы( 1-6)
Пр. занятия: Темы( 1-6)
Лаб. работы: Темы( 1-6)
Курс. работа
Лекции: Темы( 7-8)
Пр. занятия: Темы( 7-8)
Лаб. работы: Темы( 7-8)
Д. З.
Лекции: Темы( 9-12)
Пр. занятия: Темы( 9-12)
Д. З.
Приложение 1
Виды учебной деятельности и формы контроля,
обеспечивающие определенный уровень усвоения
Срок
сдачи
33
1-й уровень
«УЗНАВАНИЕ»
- лекции;
- самостоятельная работа над курсом;
2-й уровень
«ВОСПРОИЗВЕДЕНИЕ»
3-й уровень
«ПРИМЕНЕНИЕ»
- лекции;
- лабораторные работы без элементов исследований;
- рефераты;
- зачеты;
- самостоятельная работа над курсом;
- лекции;
- практические (семинарские) занятия;
- лабораторные работы с элементами исследований;
- выполнение курсовых проектов и
их защита;
- самостоятельная работа студентов
по выполнению обязательных заданий;
- экзамены;
- производственная практика;
- выступления с докладами на конференциях.