Рабочая программа по дисциплине «Теоретические основы электротехники» (стр. 4 )

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, ПК-11,33,41.

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,].

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 распределен-ными 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 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 Био-Саварра-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).

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. Метод конечных 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

Наименование тем занятий	Количество часов	Форма контроля	Сроки контроля	Номер компетенции	Литература
1. Исследование индуктивной катушки с ферромагнитным сердечником.	4	Отчёт	Во время проведения лаб. Занятий	ПК-11,33,41	1-16
2. Исследование цепной схемы.	4	Отчёт	Во время проведения лаб. Занятий	ПК-11,33,41	1-16
3.Исследование переходных процессов в длинной линии.	6	Отчёт	Во время проведения лаб. Занятий	ПК-11,33,41	1-16
4.Взаимная индуктивность двухпроводной линии и прямоугольной рамки.	4	Отчёт	Во время проведения лаб. Занятий	ПК-11,33,41	1-16

3.3.4. Курсовой проект, курсовая работа, реферат, домашнее задание, их содержание и характеристика.

Домашнее задание (6 час.)

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	Уровень	№ тем	Подведение и проведение рейтинг-контроля, час	Всего на контроль модуля
3	3	Текущий	Промежуточный	Итоговый	2
Тестовый контроль по модулю	Защита плановой лабораторной работы	Допуск к экзамену
9,10,11,12	1	1	-

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.    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 / , , ; 4-е изд., доп. - СПб.: Питер, 20с.

3.   Основы теоретической электротехники : учеб. пособие для вузов / , , ; - СПб.: Лань, 20с

4. Башарин основы электротехники: Теория электрических цепей и электромагнитного поля, учеб. пособие для вузов / ; - М.: Академия, 20с.

Дополнительная:

5.  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 / , , , и др. ; под ред. , , ; - СПб.: Питер, 20с.

7.   Жарова 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 основы электротехники. Ч. 1 : учеб. пособие для дистанц. обуч. / МО РФ ЮРГТУ(НПИ); - Новочеркасск: Изд-во ЮРГТУ(НПИ), 20с.

9. Расчёт стационарных режимов линейных электрических цепей: метод. указания к курсовой работе по ТОЭ / , Ершов : ЮРГТУ, 20с.

10.  Задачи по курсу «Теоретические основы электротехники». Линейные электрические цепи/ , , 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/ Г., А., / Юж.-Рос. гос. техн. ун-т (НПИ). –Новочеркасск: ЮРГТУ.–2010.–45 с

12.  Анализ переходных процессов в линейных и нелинейных электрических цепях: учеб-метод. пособие/, , 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/. Юж.-Рос. гос. техн. ун-т. Новочер-касск: ЮРГТУ(НПИ), 2007. – 32 с.

14. Лабораторные работы по курсу «Теоретические основы электротехники». Линейные электрические цепи в синусоидальном режиме./ , , 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. ***** (доступ с компьютеров в локальной сети вуза).

16. Электротехника [электронный ресурс]: журнал. – Режим доступа: www. ***** (доступ с компьютеров в локальной сети вуза).

Интернет ресурсы:

17. Бабичев 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. *****

5. УЧЕБНАЯ ПРАКТИКА ПО ДИСЦИПЛИНЕ, КРАТКАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА

Учебным планом не планируется.

6. ИНТЕРАКТИВНЫЕ ФОРМЫ ОРГАНИЗАЦИИ ИЗУЧЕНИЯ ДИСЦИПЛИНЫ

Модуль	Вид аудиторных занятий	Вид интерактивной формы проведения занятий	Тема	Часы
Интерактивные занятия лекционного типа (не менее 20% и не более 40% аудиторных занятий) По плану лекций – 72 часа
1	лекция	Творческое задание	Тема № 3.Электрические цепи постоянного тока. Установить взаимосвязь между величинами тока, напряжения, мощности и их зависимость от параметров линии электропередачи.	4
1	лекция	Творческое задание	Тема № 4.Понятия о синусоидальных электрических величинах и векторных диаграммах. Установить взаимосвязь между представлением синусоидальных электрических величин в комплексной форме и в виде векторных диаграмм.	4
1	лекция	Творческое задание	Тема № 6. Анализ и расчет трехфазных линейных цепей. Оценить преимущества и недостатки различных схем включения трехфазных приемников, возможности получения вращающихся магнитных полей.	6
2	лекция	Творческое задание	Тема № 8. Нелинейные электрические и магнитные цепи. Оценить степень трудности решения прямой и обратной задач расчета магнитной цепи.	6
3	лекция	Творческое задание»	Тема № 11. Длинные линии. Оценить возможности отрезков длинных линий без потерь для использования их в микроэлектронике.	6
ВСЕГО от аудиторных занятий (от 162 часов)	26 (20%)

7. МЕТОДИЧЕСКИЕ МАТЕРИАЛЫ К ТЕСТОВОМУ КОНТРОЛЮ ЗНАНИЙ СТУДЕНТОВ

7.1. Вопросы к модулю №1 (темы 1 – 6)

1. Что такое электрическое напряжение?