Методические материалы по дисциплине для преподавателей

«УТВЕРЖДАЮ» Зав. кафедрой ТИССУ ________________ «____»__________________ 2007 г.

МЕТОДИЧЕСКИЕ МАТЕРИАЛЫ ПО ДИСЦИПЛИНЕ

ДЛЯ ПРЕПОДАВАТЕЛЕЙ

ОПД. Ф.01 «Электротехника и электроника»

________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________

(индекс и наименование дисциплины)

направление/специальность 230201 «Информационные системы и технологии»

________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________

(индекс и наименование направления подготовки или специальности)

В методические материалы по дисциплине для преподавателей включены следующие компоненты.

1.  Методические рекомендации по чтению лекций.

2.  Методические рекомендации по проведению практических занятий.

3.  Методические рекомендации по проведению лабораторных работ.

4.  Методические рекомендации по руководству курсовой работой.

5.  Список зачётных вопросов.

6.  Список вопросов экзамена.

1.  МЕТОДИЧЕСКИЕ РЕКОМЕНДАЦИИ ПО ЧТЕНИЮ ЛЕКЦИЙ

Целью лекционного курса дисциплины «Электротехника и электроника» является получение студентами: представления о физических явлениях, положенных в основу функционирования современных электротехнических и электронных устройств; знаний об основных законах электродинамики, материалах и элементной базе для построения электротехнических и электронных устройств, методах моделирования и расчета электрических и магнитных цепей, конструкциях, принципах действия, параметрах и характеристиках электротехнических и электронных устройств.

Лекции по дисциплине преподаватель должен ориентировать на теоретическую подготовку студентов, необходимую для осмысленного выполнения ими индивидуальных заданий по тематике практических занятий, лабораторных работ, а также для последующей сдачи зачета и экзамена. Содержание лекций должно соответствовать рабочим программам по первой (четвертый семестр) и второй (пятый семестр) частям дисциплины.

Междисциплинарные связи дисциплины «Электротехника и электроника» с другими дисциплинами в системе подготовки специалистов по специальности 230201 достаточно очевидны. Теоретическая часть курса базируется преимущественно на следующих предшествующих дисциплинах: «Алгебра и аналитическая геометрия» (разделы: линейная алгебра, элементы общей алгебры); «Математический анализ» (разделы: дифференциальное и интегральное исчисление, теория рядов и преобразований Фурье, векторные поля); «Физика» (разделы: электричество и магнетизм, электростатика и электродинамика, уравнения Максвелла). Знания, умения и навыки, полученные студентами при освоении курса, оказываются востребованными впоследствии при изучении дисциплин «Архитектура электронно-вычислительных машин, системное программное обеспечение», «Теория управления».

Автору настоящего УМКД представляется целесообразным теоретический курс первой части дисциплины излагать параллельно: и на лекциях, и на практических занятиях. На потоковые лекции (под них в соответствии с учебным планом отведено 36 часов) следует вынести более общие вопросы, а на практических занятиях (по учебному плану – также 18 часов) со студентами каждой группы отдельно подробно прорабатывать вопросы, по большей части, прикладного характера, связанные с применением фундаментальных законов электродинамики, физических и математических моделей, общих и специальных методов при проведении практических исследований и расчетов. Именно такой подход и нашел отражение в последующих методических рекомендациях, связанных с проведением аудиторных занятий в третьем семестре.

В обзорной части первой лекции в четвертом семестре целесообразно: ознакомить студентов, в общих чертах, со структурой всего двухсеместрового курса, с тематикой лекций, практических и лабораторных заняти, а также с формами отчетности по всем видам учебной нагрузки; обратить их внимание на специфику подачи теоретических материалов на лекциях и практических занятиях в третьем семестре; пояснить график проведения аудиторных занятий и консультаций (график проведения консультаций должен быть вывешен на информационном стенде кафедры) в текущем семестре; наметить график выполнения студентами отдельных видов самостоятельной работы в этом семестре; рекомендовать учебные и учебно-методические материалы по первой части дисциплины, связанные с выполнением конкретных видов учебной нагрузки; выдать студентам электронную версию рабочей программы первой части дисциплины.

Далее в рамках лекционного курса четвертого семестра, следуя рабочей программе, преподавателю необходимо: ознакомить студентов с особенностями и классификацией электротехнических и электронных элементов и устройств, физическими основами электротехники и электроники, материалами и элементной базой для построения электротехнических и электронных устройств, основами моделирования процессов в электротехнических и электронных устройствах; досконально изложить материалы, связанные с электрическими цепями постоянного тока и магнитными цепями, с электрическими цепями переменного, в том числе синусоидального тока, обращая при этом особое внимание на основы их расчета и применяемые при этом методы.

В заключение последней лекции четвертого семестра целесообразно: ознакомить студентов с порядком проведения экзамена; кратко характеризовать уровень теоретической и практической подготовки, необходимый для успешной сдачи экзамена.

В начале первой лекции в пятом семестре целесообразно: вкратце напомнить студентам о тематике лекций, лабораторных занятий, а также о формах отчетности по данным видам учебной нагрузки в текущем семестре; пояснить график проведения аудиторных занятий и консультаций (график проведения консультаций должен быть вывешен на информационном стенде кафедры); наметить график выполнения студентами отдельных видов самостоятельной работы; рекомендовать учебные и учебно-методические материалы по второй части дисциплины, связанные с выполнением конкретных видов учебной нагрузки; выдать студентам электронную версию рабочей программы второй части дисциплины.

Далее в рамках лекционного курса четвертого семестра, следуя рабочей программе, преподавателю необходимо: ознакомить студентов с назначением, конструктивным устройством, принципом действия дросселей и трансформаторов, их параметрами и характеристиками, а также с основами их расчета; затронуть общие вопросы, связанные с системами электропитания, в том числе источниками вторичного электропитания (ИВЭП) электронной аппаратуры; подробно изложить материалы, связанные с возможными схемными решениями, принципом действия, параметрами и характеристиками, математическим аппаратом для проведения расчетов таких структурных элементов ИВЭП как выпрямители, фильтры, инверторы, преобразователи частоты, конверторы; ознакомить студентов с некоторыми распространенными типами электромеханических устройств, обращая при этом внимание преимущественно на их конструктивное исполнение, принцип действия, параметры, характеристики, основы расчета.

В конце последней лекции пятого семестра целесообразно: ознакомить студентов с порядком проведения зачета; кратко характеризовать уровень теоретической и практической подготовки, необходимый для успешной сдачи зачета; выдать список зачетных вопросов; сверить данные о дате, времени и месте проведения зачета и экзамена.

2.  МЕТОДИЧЕСКИЕ РЕКОМЕНДАЦИИ ПО ПРОВЕДЕНИЮ ПРАКТИЧЕСКИХ ЗАНЯТИЙ

В соответствии с учебным планом практические занятия по дисциплине проводятся в четвертом семестре и тематически связаны с читаемыми в этом семестре лекциями.

Целью практических занятий является получение студентами знаний о теоретических основах применения фундаментальных законов электродинамики, физических и математических моделей, общих и специальных методов при исследованиях и расчетах электротехнических и электронных элементов и устройств, а также приобретение практических навыков проведения таких исследований и расчетов.

До начала каждого из занятий преподавателю необходимо подготовить варианты индивидуальных заданий по тематике занятия для внеаудиторной работы, ориентируясь на контингент обучающихся студентов.

В начале первого занятия необходимо ознакомить студентов с правилами внутреннего распорядка института (если занятия проводится в общеинститутской аудитории) или кафедры (если занятие проводится на кафедре). После этого целесообразно: бегло ознакомить студентов с тематикой и формой проведения практических занятий; ориентировать их на выполнение индивидуальных заданий для внеаудиторной работы; рекомендовать соответствующие источники информации.

В ходе проведения каждого из двух двухчасовых занятий целесообразно, с учетом изложенного выше подхода: следуя логике подачи материалов на лекциях, ознакомить студентов с какой-либо относительно автономной темой (разделом, параграфом) теоретического курса, связанной с фундаментальным законом электродинамики, физическим и математическим моделированием технических объектов, методами их исследований и расчетов, также с применением соответствующих знаний при решении задач прикладного характера; рассмотреть алгоритм решения конкретной задачи по тематике практического занятия; дать студентам похожую задачу для аудиторной ее проработки; обсуждать, если это потребуется, фрагменты расчета, вызвавшие у студентов затруднения; в конце занятия целесообразно выдать каждому студенту персональное задание по соответствующей тематике для внеаудиторного (в рамках самостоятельной работы студента) его выполнения.

Оказывать помощь по выполнению внеаудиторной работы можно в рамках консультаций, время и место проведения которых обговорены заранее (на первой лекции).

3.  МЕТОДИЧЕСКИЕ РЕКОМЕНДАЦИИ ПО ПРОВЕДЕНИЮ ЛАБОРАТОРНЫХ РАБОТ

В соответствии с учебным планом лабораторные работы выполняются студентами в пятом семестре и тематически связаны с читаемыми в этом семестре лекциями.

Целью лабораторного практикума является расширение и закрепление на практике знаний о конструктивном устройстве, принципе действия, параметрах и характеристиках конкретных типов электротехнических устройств.

В начале первого занятия необходимо: ознакомить студентов с правилами внутреннего распорядка кафедры; провести инструктаж по технике электро - и пожарной безопасности при работе в лаборатории; заполнить должным образом соответствующий лист контроля знаний. После этого целесообразно: бегло ознакомить студентов с тематикой лабораторных работ, связав ее с конкретными темами лекционного курса; объяснить порядок проведения работ; четко сформулировать требования к форме и содержанию индивидуальных отчетов по выполненным работам, к уровню знаний, необходимому для успешной их защиты; рекомендовать список вопросов для самоконтроля и источники информации, которые могут быть полезны при подготовке к защите; наметить график проведения защит.

Практикум на сегодняшний день состоит из четырех четырехчасовых лабораторных работ: «Исследование параметров и характеристик трансформатора малой мощности», «Исследование характеристик исполнительного коллекторного микродвигателя постоянного тока», «Исследование характеристик исполнительного асинхронного микродвигателя с полым ротором» и «Исследование характеристик вращающегося трансформатора». Они выполняются на персональных компьютерах с использованием электронных лабораторно-исследовательских модулей (файлов-приложений) соответственно «Транс», «МДПТ», «АДПР» и «ВТ» (разработка кафедры технических и информационных средств систем управления МИРЭА). Для выполнения работ следует организовать бригады (как правило, в составе двух-трех человек), каждая из которых будет работать совместно на одном рабочем месте по одному из вариантов задания. При этом есть смысл еще раз напомнить студентам о том, что отчетность по каждой работе строго индивидуальная.

В процессе выполнения студентами лабораторных работ при необходимости следует консультировать их по вопросам, связанным с выполнением тех или иных пунктов задания, пояснять, как проводить исследования, каким образом задавать конкретные режимы работы устройств, как обрабатывать результаты виртуальных экспериментов.

Оказывать помощь по оформлению отчетов и теоретической подготовке к их сдаче можно в рамках консультаций, время и место проведения которых обговорены заранее (на первой лекции).

1.  МЕТОДИЧЕСКИЕ РЕКОМЕНДАЦИИ ПО РУКОВОДСТВУ КУРСОВОЙ РАБОТОЙ

В качестве программных средств для реализации разработки следует рекомендовать студентам те языки программирования, которые они изучали и осваивали в рамках дисциплин «Информатика» (1 – 3 семестры), «Технология программирования» (4 семестр). Впрочем, как показывает практика, некоторые студенты в достаточной степени владеют и другими языками программирования. Поэтому представляется целесообразным не выдвигать жестких требований по выбору программных средств. Вместе с тем, ориентировать студентов следует на использование современных языков программирования (например, C++, Borland Delphi, Visual C++, Visual Basic, Java).

В течение первых четырех учебных недель преподавателю необходимо: согласовать со студентами тематику каждой курсовой работы и состав ее исполнителей, а также программные средства реализации; по каждой работе сформулировать конкретные требования по функциональности будущих программных продуктов, изложить свои соображения по применяемым в них интерфейсным решениям; пояснить, какие материалы и в каком виде необходимо предоставить преподавателю по завершению работы; выдать студентам бланк и образец заполнения задания на выполнение курсовой работы; рекомендовать источники, которые могут оказать помощь при реализации разработки.

Следует также выяснить, все ли студенты имеют возможность выполнения работы вне стен института. Студентам, у которых такой возможности нет (по причине, например, отсутствия компьютера дома, отсутствия соответствующего программного обеспечения), необходимо предоставить компьютеризированные рабочие места, оснащенные соответствующим программным обеспечением, в кафедральной аудитории в свободное от занятий время.

Не позднее пятой недели все задания на выполнение курсовой работы должны быть полностью оформлены (согласованы, распечатаны и подписаны руководителем и исполнителями).

В последующие недели, вплоть до тринадцатой, следует организовать регулярную отчетность студентов о ходе выполнения работ и консультации по вызвавшим у них затруднения позициям (в рамках общих консультаций по дисциплине, см. выше). При необходимости целесообразно привлекать к консультированию ведущих в области программирования специалистов кафедры.

Не позднее тринадцатой недели студенты должны сдать материалы курсовой работы преподавателю для ознакомления и рецензирования. На рецензирование отводится максимум недельный срок. Крайний срок сдачи окончательного варианта материалов курсовой работы – пятнадцатая учебная неделя. В случае радикального изменения курсовой работы целесообразно осуществить ее повторное рецензирование не позднее шестнадцатой недели.

На последних двух учебных неделях (семнадцатой и восемнадцатой) необходимо провести защиты курсовых работ по заранее намеченному и согласованному со студентами графику (данный график должен быть вывешен на информационном стенде кафедры). Проводить защиты следует публично, приглашая к участию в этом мероприятии других преподавателей кафедры и студентов соответствующих учебных групп. Решение об оценке за выполненную курсовую работу каждому из исполнителей должно приниматься в обязательном порядке коллегиально – комиссией, состоящей, как минимум, из двух преподавателей.

4.  МЕТОДИЧЕСКИЕ РЕКОМЕНДАЦИИ ПО ПРОВЕДЕНИЮ КОНТРОЛЬНЫХ РАБОТ

Положения по порядку проведения и тематике контрольных работ указаны в “Комплексное методическое указание по проведению контрольных работ студентов специальности 230201 “Информационные системы и технологии” заочной формы обучения”.

5.  СПИСОК ЗАЧЕТНЫХ ВОПРОСОВ

1.  Предмет курса. Особенности и классификация электротехнических и электронных устройств.

2.  Основные физические величины, характеризующие электрическое поле и поведение в нем различных сред: заряд, электрическая постоянная, вектор напряженности электрического поля, электрическое напряжение, вектор поляризации, вектор электрического смещения, абсолютная и относительная диэлектрическая проницаемость среды, удельная проводимость, токи проводимости, смещения и переноса, плотности этих токов, полная плотность тока, сила тока, ЭДС.

3.  Основные физические величины, характеризующие магнитное поле и поведение в нем различных сред: вектор магнитной индукции, вектор напряженности магнитного поля, магнитная постоянная, абсолютная и относительная магнитная проницаемость среды, вектор намагниченности, магнитное напряжение, магнитный поток.

4.  Основные физические величины, характеризующие электромагнитные процессы: МДС, потокосцепление, потоки самоиндукции и взаимной индукции, собственная и взаимная индуктивности.

5.  Закон полного тока. Принцип непрерывности полного тока. Принцип непрерывности магнитного потока. Закон электромагнитной силы, правило левой руки.

6.  Закон электромагнитной индукции. Трансформаторная ЭДС и ЭДС вращения, правило правой руки. Закон электромагнитной индукции в интегральной форме.

7.  Классификация веществ по электрическим свойствам: проводники, диэлектрики, полупроводники. Проводниковые и диэлектрические материалы, их применение в технических устройствах. Полупроводниковые материалы с электронной и дырочной проводимостями. Свойства p-n перехода, его ВАХ.

8.  Классификация веществ по магнитным свойствам: диа-, пара-, ферро-, антиферро - и ферримагнетики (ферриты). Характеристики и параметры ферромагнетиков и ферритов: характеристика начального намагничивания, предельная и частные (симметричные и несимметричные) петли гистерезиса, основная кривая намагничивания, остаточная индукция, коэрцитивная сила. Потери энергии (мощности) при их перемагничивании: на гистерезис, вихревые токи и магнитную вязкость. Способы уменьшения потерь. Применение ферромагнетиков и ферритов в качестве магнитных материалов.

9.  Понятие электрической цепи. Элементы электрической цепи: резисторы, источники электроэнергии, конденсаторы, катушки индуктивности (дроссели). Их характеристики и параметры. Магнитно-связанные катушки, учет наличия взаимно индуктивных связей при расчете электрических цепей.

10.  Понятие магнитной цепи. Элементы магнитной цепи: источник МДС, магнитное сопротивление. Их характеристики и параметры.

11.  Основные полупроводниковые элементы электрических цепей: диоды, транзисторы, тиристоры. Их характеристики.

12.  Основы моделирования процессов в электрических и магнитных цепях с использованием цепных схем замещения. Основные элементы цепных схем замещения, их соответствие реальным элементам электрических и магнитных цепей, характеристики и параметры.

13.  Законы Ома и Кирхгофа для электрических и магнитных цепей.

14.  Расчет линейных резистивных электрических цепей постоянного тока на основе законов Ома и Кирхгофа.

6.  СПИСОК ЭКЗАМЕНАЦИОННЫХ ВОПРОСОВ

1.  Специальные методы расчета линейных резистивных электрических цепей постоянного тока: пропорциональных величин, контурных токов, наложения, узловых потенциалов.

2.  Методы расчета нелинейных резистивных электрических цепей постоянного тока.

3.  Основы моделирования процессов в электрических цепях синусоидального тока: мгновенные, амплитудные и действующие значения токов и напряжений, период, частота, угловая частота, начальная фаза, сдвиг фаз. Комплексы (векторы) амплитуд и действующих значений токов и напряжений, сложение и вычитание комплексов (векторов).

4.  Линейные элементы в электрических цепях синусоидального тока: резистивный, индуктивный, емкостной. Соотношения между токами и напряжениями, векторные диаграммы.

5.  Основы символического метода расчета электрических цепей синусоидального тока: представление токов и напряжений комплексами, комплексные сопротивление и проводимость, законы Ома и Кирхгофа в символической форме записи.

6.  Применение векторных диаграмм при анализе электрических цепей синусоидального тока.

7.  Резонанс токов и резонанс напряжений в электрических цепях синусоидального тока, резонансная частота, векторные диаграммы.

8.  Расчет электрических цепей синусоидального тока при наличии в них магнитно-связанных катушек.

9.  Трехфазные цепи: трехфазная система ЭДС, понятия фазы, основные схемы соединения, линейные и фазовые токи и напряжения, соотношения между ними.

10.  Особенности расчета трехфазных цепей при различных схемах соединения.

11.  Основы расчета линейных электрических цепей с периодическими несинусоидальными токами: разложение токов, напряжений и ЭДС в ряды Фурье, расчеты цепи и построение векторных диаграмм для отдельных гармоник, получение выражений для мгновенных значений расчетных величин.

12.  Активная, реактивная и полная мощности в однофазной и трехфазной электрических цепях синусоидального тока, коэффициент мощности. Активная и полная мощности в цепи периодического несинусоидального тока.

13.  Дроссель в цепи переменного тока: конструкция, параметры, вольтамперная характеристика, схема замещения и векторная диаграмма, влияние немагнитного зазора на параметры и характеристики, области применения.

14.  Назначение, конструкция и принцип действия трансформатора. Работа трансформатора в режимах холостого хода и нагрузки.

15.  Система основных уравнений однофазного двухобмоточного трансформатора. Приведение трансформатора. Система уравнений приведенного трансформатора. Схема замещения однофазного двухобмоточного трансформатора.

16.  Опыты холостого хода и короткого замыкания трансформатора. Определение параметров схемы замещения трансформатора по результатам опытов. Характеристики холостого хода и короткого замыкания.

17.  Потери мощности и КПД трансформатора. Режим работы с оптимальным КПД. Внешние характеристики трансформаторов малой мощности при различном характере нагрузки.

18.  Трехфазные трансформаторы: конструкция, принцип действия, схемы соединения обмоток. Автотрансформаторы: назначение, конструкция, принцип действия, преимущества и недостатки. Многообмоточные трансформаторы: назначение, устройство, система уравнений, схема замещения, преимущества и недостатки.

19.  Пик-трансформатор: назначение, конструкция, принцип действия, временные диаграммы. Импульсный трансформатор: назначение, особенности конструкции и принципа действия, вынужденное намагничивание сердечника, способы уменьшения потерь мощности.

20.  Функциональная схема выпрямительного устройства. Наиболее распространенные схемы выпрямления, принципы их работы. Классификация выпрямительных схем. Основные параметры схем выпрямления.

21.  Однофазная двухполупериодная (мостовая) схема выпрямления. Ее работа на активную нагрузку: временные диаграммы, расчетные соотношения параметров.

22.  Трехфазная двухполупериодная (мостовая) схема выпрямления. Ее работа на активную нагрузку: временные диаграммы, расчетные соотношения параметров.

23.  Особенности работы выпрямительных схем при активно-индуктивном и активно-емкостном характерах нагрузки (при наличии соответственно простого индуктивного и простого емкостного фильтров в структуре выпрямительного устройства).

24.  Назначение, классификация, устройство и принципы работы основных типов сглаживающих фильтров в схемах выпрямительных устройств.

25.  Транзисторные инверторы с внешним возбуждением и с самовозбуждением: схемы, принципы работы, временные диаграммы.

26.  Тиристорные инверторы: параллельная и мостовая схемы, принципы работы, временные диаграммы.

27.  Преобразователи частоты с явным и со скрытым звеном постоянного тока: возможные исполнения, принципы работы.

28.  Транзисторные и тиристорные конверторы с совмещением функций инвертирования, выпрямления, сглаживания: схемы, принципы работы, регулирование выходного напряжения.

29.  Электромагнитные реле постоянного тока: назначение, конструктивные исполнения, тяговая и механическая характеристики, параметры.

30.  Электромагнитные реле переменного тока: особенности, конструктивные исполнения, пути уменьшения вибрации якоря.

15.  Основы теории электрических машин постоянного тока: конструктивное устройство, принципы действия в генераторном и двигательном режимах работы, ЭДС якоря, электромагнитный момент, реакция якоря.

16.  Коллекторные микроэлектродвигатели постоянного тока: возможные конструктивные исполнения и способы возбуждения, механические и регулировочные характеристики, способы регулирования частоты вращения.

17.  Вентильные микроэлектродвигатели постоянного тока: особенности конструкции и принципа действия, механические и регулировочные характеристики.

18.  Основы теории электрических машин переменного тока; конструкция, МДС обмоток, пульсирующее и вращающееся (круговое, эллиптическое) магнитные поля и условия их создания, образование электромагнитных сил и моментов.

19.  Двухфазный исполнительный асинхронный двигатель: схемы включения, способы регулирования частоты вращения, механические и регулировочные характеристики.

20.  Синхронные микроэлектродвигатели: конструкция, принцип действия, угловая характеристика, пуск и регулирование.

«____» ___________200__г. Составители:

проф. кафедры ТИССУ__________________

доцент кафедры ТИССУ__________________