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 210100
декан ЭФ проф. В.А. Шпенст
|
_______________________
Зав. кафедрой ЭЭЭ
проф. А.Е. Козярук
|
рабочая ПРОГРАММА
учебной дисциплинЫ
«Теоретические основы электротехники»
Направление подготовки бакалавра
210100–электроника и наноэлектроника
Профиль промышленная электроника
Квалификация 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.
Вид учебной работы
|
Всего часов
|
Семестры
|
3
|
4
|
5
|
6
|
Аудиторные занятия (всего),
в том числе:
|
227
|
85
|
90
|
51
|
1
|
Лекции
|
122
|
51
|
54
|
17
|
|
Практические занятия (ПЗ)
|
35
|
17
|
|
17
|
1
|
Семинары (С)
|
|
|
|
|
|
Лабораторные работы (ЛР)
|
70
|
17
|
36
|
17
|
|
Самостоятельная работа (всего) ,
в том числе:
|
169
|
44
|
45
|
44
|
36
|
Курсовой проект (работа)
|
|
|
|
|
36
|
Расчетно-графические работы
|
|
24
|
25
|
24
|
|
Реферат
|
|
|
|
|
|
Другие виды самостоятельной работы
|
|
20
|
20
|
20
|
|
Вид промежуточной аттестации (зачет, экзамен)
|
экз., зач.
|
экз.
|
зач.
|
экз.
|
зач.
|
Общая трудоемкость час
зач. ед.
|
396
|
129
|
135
|
95
|
37
|
11
|
3,6
|
3,8
|
2,6
|
1
|
5. Содержание дисциплины
5.1. Содержание разделов дисциплины
№ п/п
|
Наименование раздела дисциплины
|
Содержание раздела
|
1.
|
Топология и методы анализа цепей.
|
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 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.
|
2.
|
Свойства цепей переменного тока в установившемся режиме.
|
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.
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.
|
3
|
Трехфазные цепи
|
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.
|
4
|
Переходные процессы в линейных электрических цепях.
|
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.
|
5
|
Операторный метод расчета переходных процессов
|
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.
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.
|
6
|
Анализ цепей с многополюсными элементами.
|
Принцип взаимности и линейности. Системы уравнений четырехполюсников и схемы их соединения. 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.
|
7
|
Волновые процессы в линиях с распределительными параметрами.
|
Типы линий передачи энергии. Параметры и уравнения длинной линии. Начальные и граничные условия. Операторный метод решения. Анализ переходных процессов 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.
|
8
|
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. 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.
|
9
|
Основы теории электромагнитного поля.
|
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.
|
|
