Электротехника (стр. 2 )

Введение

Студент должен:

Иметь представление:

- о содержании дисциплины;

- о связи с другими дисциплинами;

- о перспективах развития электроэнергетики.

Характеристика дисциплины и ее связь с другими дисциплинами учебного плана, ее роль в области развития науки, техники и технологии экологические последствия развития электроэнергетики.

Электрическая энергия, ее свойства и применение. Производство и распределение электрической энергии. Роль электрификации в развитии экономики. История электрификации России. Современное состояние и перспективы дальнейшего развития производства электроэнергии.

Раздел 1 Электрические цепи постоянного тока

Тема 1.1 Начальные сведения об электрическом токе

Студент должен:

знать:

- основные характеристики электрического поля;

- закон Кулона;

уметь:

- выполнять расчеты с заряженными телами.

Понятие о формах материи: вещество и поле. Элементарные частицы и их электромагнитное поле, электрический заряд. Электромагнитное поле как особая форма материи, его составляющие. Электростатическое поле.

Закон Кулона. Основные характеристики электрического поля:

напряженность, электрический потенциал, электрическое напряжение. Проводники в электрическом поле.

Вопросы для самоконтроля:

1.  Что такое электрический ток проводимости?

2.  Как оценивается количественно явление электрического тока при постоянной и переменной интенсивности движения заряженных частиц?

3.  Что называют мощностью электрического тока, в каких единицах она измеряется?

Тема 1.2 Электрический ток

Студент должен.

иметь представление:

- о классификации веществ по степени электропроводимости;

знать:

- закон Ома:

уметь:

- выполнять расчет по определению электрического сопротивления проводимости;

Электропроводимость. Классификация веществ по степени электропроводимости. Физическое явление электрического тока и его разновидности:

ток проводимости, ток переноса, ток смещения. Стационарное электрическое поле в проводнике.

Электрический ток в проводниках: величина и направление токапроводов плотность тока проводимости. Удельные электрические проводимость и сопротивление, электрическая проводимость и сопротивление проводника. Закон Ома. Зависимость сопротивления проводников от температуры. Понятие о сверхпроводимости. Резисторы и их вольтамперные характеристики.

Вопросы для самоконтроля:

1.  Как читается и записывается закон Ома для участка и всей цепи?

2.  Что называется электрическим сопротивлением?

3.  От каких величин зависит сопротивление проводника?

Тема 1.3 Электрическая цепь

Студент должен:

знать:

- элементы и параметры электрических цепей;

- режимы работы источников и приемников электрических цепей;

уметь:

- составлять по заданным условиям принципиальные схемы электрической цепи;

- производить анализ электрической цепи.

Элементы электрических цепи? их классификация. Электродвижущая сила (ЭДС), мощность и коэффициент полезного действия источника электрической энергии. Преобразование электрической энергии в другие виды энергии. Энергия, мощность и коэффициент полезного действия приемника электрической энергии. Количественное выражение энергии при нагревании проводника электрическим током. Закон джоуля Ленца.

Режим электрических цепей, работа источника электрических‚

приемников электрической энергии. Понятие о пассивных и активных элементах элёктрических цепей.

·  Лабораторная работа 1. Ознакомление с порядком выполнения лабораторных работ, аппаратурой и электроизмерительными приборами.

·  Лабораторная работа 2. Режим работы источника электрической энергии. Измерение удельного сопротивления проводниковых материалов.

·  Лабораторная работа 3. Построение потенциальной диаграммы.

Вопросы для самоконтроля:

1.  Что такое электрическая цепь?

2.  Какие существуют источники питания?

3.  От чего зависит величина ЭДС самоиндукции?

Тема 1.4 Расчет электрических цепей постоянного тока

Студент должен:

знать:

- основные законы электротехники;

- свойства последовательного и параллельного соединения пассивных

элементов;

уметь:

- выполнять расчет с использованием законов Ома и Кирхгофа; методом свертывания; методом преобразования треугольника и звезды сопротивлений и другими методами;

- строить потенциальную диаграмму.

Цели и задачи расчета электрических цепей. Законы Кирхгофа. Неразветвленная электрическая цепь. Последовательное соединение пассивных элементов, эквивалентное сопротивление резисторов. Потери напряжения в проводах, делитель напряжения. Последовательное соединение источников эдс. Потенциальная диаграмма неразветвленной электрической цепи.

Разветвленная электрическая цепь с двумя узлами. Параллельное соединение пассивных элементов, эквивалентное соединение резисторов. Электрическая - проводимость ветвей. Смешанное соединение пассивных элементов.

Расчет электрических цепей методом преобразования схем. Расчет электрических цепей с двумя узлами методом узлового напряжения

Метод узловых и контурных уравнений. Метод контурных токов. Метод наложения токов. Четырехполюсники.

·  Лабораторная работа 4 Изучение законов Кирхгофа

·  Лабораторная работа 5 Последовательные и параллельные соединения резисторов.

·  Лабораторная работа 6 Смешанное соединение резисторов.

·  Лабораторная работа 7 Изучение принципа наложения токов. Опытна проверка метода эквивалентного генератора.

·  Лабораторная работа 8 Измерение потерь напряжения в проводах.

Вопросы для самоконтроля:

1.  Какие виды источников питания вырабатывают постоянный ток?

2.  Что называется последовательным соединением?

3.  Что называется параллельным соединением?

Тема 1.5 Нелинейные электрические цепи постоянного тока

Студент должен:

знать:

- графический метод расчета нелинейной электрической цепи постоянного тока;

уметь:

- выполнять графический расчет нелинейных электрических цепей при различных соединениях пассивных линейных и нелинейных элементов;

- определять по заданным ВАХ нелинейным элементам, токи и напряжения в электрической цепи.

Нелинейные элементы электрических цепей постоянного тока. Практическое применение нелинейных элементов. Вольт-амперная характеристика нелинейных элементов. Статическое и динамическое сопротивление нелинейных элементов.

Графический расчет нелинейных электрических цепей постоянного тока при последовательном, параллельном и последовательно- параллельном соединении элементов.

Вопросы для самоконтроля:

1.  Что такое электрическое поле?

2.  Какие существуют источники питания?

Раздел 2 Электрическое и магнитное поля

Тема 2.1 Электрическое поле

Студент должен:

знать:

- закон Кулона, теорему Гаусса, их применение для расчета эл. статических

цепей,

- определение емкости конденсатора;

уметь:

- выполнять расчет электрических цепей со смешанным соединением конденсаторов;

- объяснять физический смысл сущности поляризации диэлектриков,

Цели и задачи, электрических полей. Применение закона Кулона для расчета электрического поля. Применение теоремы Гаусса для расчета электрического поля.

Электрическое поле в однородном диэлектрике. Поляризация диэлектрика. Электрическое смещение. Диэлектрическая проницаемость. Сегнетоэлектрики, электреты потери энергии в диэлектриках.

Электрическая емкость, расчет ее величины. Электрический пробой, электрическая прочность диэлектрика. Электрическое поле на границе двух сред с различными величинами диэлектрической проницаемости. Применение многослойной изоляции.

Электростатические цепи и их расчет.

Энергия электрического поля конденсатора. Механические сила в электрическом поле.

Вопросы для самоконтроля:

1.  Что такое электрическое поле?

2.  Что называется электрической ёмкостью?

Тема 2.2 Магнитное поле

Студент должен:

знать:

- законы Ампера, Био-Савара, полного тока;

- определение характеристик магнитного поля;

уметь:

- выполнять расчет магнитных полей;

Закон Ампера. Магнитная индукция. Проводник с током в магнитном поле. Применение закона Ампера для расчета магнитной индукции. Применение уравнения полного тока для расчета магнитной индукции.

Магнитный поток, потокосцепление. Работа по перемещению проводника с током в магнитном поле. Магнитное потокосцепление, собственное и взаимное. Индуктивность, индуктивность, собственная и взаимная. Коэффициент магнитной связи. Расчет индуктивности катушки, двухпроводной линии.

Магнитные свойства вещества. Намагничивание веществ. Напряженность магнитного поля. Магнитная проницаемость. Закон полного тока. Магнитное поле на границе двух сред с различными величинами магнитной проницаемости.

Энергия магнитного поля катушки с током. Энергия магнитного поля в системе магнитно-связанных катушек. Механические силы в магнитном поле. Тяговое усилие электромагнитные силы взаимодействия двух параллельных проводников с токами.

уметь:

- изображать синусоидальные величины с помощью векторных диаграмм

Явление переменного тока. Получение синусоидальной ЭДС. Принцип действия генератора переменного тока.

Уравнения и графики синусоидальной ЭДС. Характеристики синусоидальных величин. Векторные диаграммы. Сложение и вычитание синусоидальных величин.

Действующая и средняя величина переменного тока.

Вопросы для самоконтроля:

1  Перечислите величины, характеризующие магнитное поле?

2  Что такое магнитная индукция и магнитный поток? По каким формулам они определяются и в каких единицах измеряются?

3  Почему наличие ферромагнитного сердечника в катушке увеличивает магнитный поток?

Тема 3.2 Элементы и параметры электрических цепей переменного тока

Студент должен:

знать:

- параметры электрических цепей переменного тока в активном, индуктивном и емкостном элементах;

- фазовые соотношения между напряжением и током, на отдельных участках цепи;

уметь:

- изображать схемы замещения реальных катушек и конденсаторов;

- строить векторные диаграммы.

Параметры электрической цепи. Цепь переменного тока с активным сопротивлением: напряжение, ток, мощность, векторная диаграмма.

Цепь переменного тока с индуктивностью: напряжение, ток, мощность, векторная диаграмма. Цепь переменного тока с емкостью: напряжение, ток, мощность, векторная диаграмма.

Схемы замещения реальных катушек и конденсаторов.

Вопросы для самоконтроля:

1.  Дайте определение понятию «Схема замещения»?

2.  Что называется электрическим зарядом?

Тема 3.3 Расчет электрических цепей переменного тока с помощью векторных диаграмм

Студент должен:

знать:

- основные законы для цепей переменного тока: Ома, Кирхгофа;

- основные методы расчета цепей переменного тока,

уметь:

- выполнять расчеты цепей переменного тока с помощью векторных диаграмм;

Расчет неразветвленной цени переменного тока с активным сопротивлением, индуктивностью, емкостью при различных соотношениях величин реактивных сопротивлений ХL ХС. Треугольники напряжений, сопротивлений, мощностей.

Расчет неразветвленной цепи переменного тока с произвольным числом активных и реактивных элементов. Построение топографической диаграммы.

Расчет разветвленной цепи с двумя узлами с активным сопротивлением, индуктивностью и емкостью при различных соотношениях величин реактивных проводимостей. Треугольники токов, проводимостей, мощностей.

Расчет цепи переменного тока с двумя узлами с произвольным числом параллельных ветвей методом проводимостей и методом векторных диаграмм.

Компенсация реактивной мощности в электрических сетях. Коэффициент мощности. Методы увеличения коэффициента мощности и его влияние на технико-экономические показатели электроустановок.

·  Лабораторная работа 9 Последовательное соединение активных и реактивных элементов.

·  Лабораторная работа 10. Параллельное соединение активных и реактивных элементов.

Вопросы для самоконтроля:

1.  Для чего нужна векторная диаграмма?

2.  Что такое топографическая диаграмма?

3.  В чем особенность метода векторных диаграмм?

Тема 3.4 Символический метод расчета электрических цепей переменного тока

Студент должен:

знать:

- законы Ома и Кирхгофа в символической форме;

- выражение характеристик электрических цепей комплексными числами;

уметь:

- выполнять расчет цепей переменного тока с применением комплексных

чисел.

Выражение синусоидальных величин комплексными числами. Комплексные сопротивления, проводимости, мощности.

Законы Ома и Кирхгофа в символической форме. Аналогии с цепями постоянного тока.

Расчет электрических цепей переменного тока с применением комплексных чисел.

Вопросы для самоконтроля:

1.  Сформулируйте первый закон Кирхгофа?

2.  Источники переменного тока?

3.  сформулируйте второй закон Кирхгофа?

Тема 3.5 Резонанс в электрических цепях

Студент должен:

знать:

условия и признаки резонанса напряжения и токов;

- использование колебательных контуров в практических устройствах;

уметь:

- определять частотные характеристики.

Резонанс напряжений: условия и признаки резонанса напряжений, резонансная частота, волновое сопротивление, добротность контура, частотные характеристики.

·  Лабораторная работа 11. Резонанс напряжений.

·  Лабораторная работа12. Резонанс токов. Смешанное соединение активного и реактивного соединений.

Тема 3.6 Трехфазные цепи при соединении нагрузки звездой

Студент должен:

знать:

- принцип получения электроснабжения по трехфазной системе;

- соотношение между фазными и линейными напряжениями и токами;

- роль нейтрального провода;

- виды нагрузок;

уметь:

- рассчитывать трех фазные цепи при соединении приемника звездой;

- различать симметричную и несимметричную нагрузки;

- строить векторную диаграмму при соединении нагрузки звездой.

Трехфазные системы. Получение трех фазной ЭДС. Симметричная нагрузка в трех фазной цепи при соединении обмоток генератора и фаз приемника звездой. Фазные, линейные напряжения и токи, соотношение между ними. Векторная диаграмма.

Несимметричная нагрузка в цепи при соединении фаз приемника звездой. Четырехпроводная трехфазная система. Напряжение смещения нейтрала, роль нулевого провода. Топографическая диаграмма.

Расчет трех фазных цепей при соединении нагрузки звездой. Расчет режимов холостого хода и короткого замыкания.

·  Лабораторная работа 13. Трехфазная цепь при соединении потребителя звездой.

Вопросы для самоконтроля:

1.  Для чего служит нулевой провод?

2.  Как вы понимаете соединение звездой?

Тема 3.7 Трехфазные цепи при соединении нагрузки треугольником

Студент должен:

знать:

- общие сведения о трех фазной системе;

- соотношение между фазными и линейными напряжениями и токами;

уметь:

рассчитывать трехфазные цепи при соединении приемника треугольником;

- строить векторную диаграмму при соединении нагрузки треугольником; различать симметричную и несимметричную нагрузки.

Симметричная нагрузка в трехфазной цепи при соединении обмоток генератора и фаз приемника треугольником. Фазные, линейные напряжения и токи, соотношения между ними. Векторная диаграмма. Мощность трехфазных цепей.

Несимметричная нагрузка в трех фазной цепи при соединении обмоток генератора и фаз приемника треугольником. Расчет трехфазных цепей при соединении треугольником. Применение метода взаимного преобразования звезды и треугольника сопротивлений в расчете трехфазных цепей.

·  Лабораторная работа 14. Трехфазная цепь при соединении потребителя треугольником.

Вопросы для самоконтроля:

1.  Что называется соединением треугольником?

2.  Каковы соотношения между линейными и фазными напряжениями и токами при соединений треугольником?

Тема 3.8 Вращающееся магнитное поле

Студент должен:

знать:

- принцип получения вращающегося магнитного поля;

- принцип действия синхронного и асинхронного двигателя;

уметь:

- определять частоту вращения магнитного поля.

Пульсирующее магнитное поле. Вращающееся магнитное поле трехфазной обмотки. Практическое применение вращающегося магнитного поля на примере действия электрических машин переменного тока. Вращающееся магнитное поле двух фазной обмотки. Частота вращения магнитного поля.

Вопросы для самоконтроля:

1.  Поясните получение трёхфазного вращающегося магнитного поля?

2.  Что называется частотой вращения магнитного поля?

Тема 3.9 Электрические цепи с несинусоидальными периодическими напряжениями и токами

Студент должен:

знать:

- причины возникновения несинусоидальных ЭДС, напряжений и токов;

-методы расчета электрических цепей;

уметь:

- рассчитывать линейные электрические цепи при несинусоидальном периодическом напряжении на ее входе.

Причины возникновения несинусоидальных ЭДС, токов и напряжении в электрических цепях. Аналитическое выражение несинусоидальной величины в форме тригонометрического ряда. Признаки симметрии несинусоидальных кривых о влияние их на вид тригонометрического ряда. Действующая величина несинусоидального тока, коэффициент формы.

Расчет электрической цепи при несинусоидальном периодическом напряжении на ее входе. Высшие гармоники в трех фазных цепях при соединении звездой и треугольником.

Вопросы для самоконтроля:

1.  Как вы понимаете несинусоидальные ЭДС?

2.  Как вы представляете себе соединение звездой?

Тема 3.10 Нелинейные электрические цепи переменного тока

Студент должен:

знать:

- характеристики нелинейных элементов;

- применение и использование их в электрических цепях переменного тока;

уметь:

- изображать векторные диаграммы нелинейных элементов и схемы замещения.

Понятие нелинейных цепей переменного тока. Цепи с нелинейными активными элементами. Электрические цепи с нелинейной индуктивностью. Идеализированная катушка с ферромагнитным сердечником магнитный поток, ток, ЭДС, векторная диаграмма.

Магнитные потери в катушке с ферромагнитным сердечником, их влияние на ток в катушке. Векторная диаграмма в катушке с магнитными потерями. Полная векторная диаграмма и схема замещения катушки с ферромагнитным источником.

Явление феррорезонанса, принцип действия дросселя насыщения.

• Лабораторная работа 15. Измерение мощности потерь энергии в ферромагнитном сердечнике.

Вопросы для самоконтроля:

1. Приведите классификацию машин переменного тока?

2. Почему наличие ферромагнитного сердечника в катушке увеличивает магнитный поток?

Тема 3.11 Переходные процессы в электрических цепях

Студент должен:

знать:

- причины возникновения переходных процессов;

- влияние параметров на переходной процесс;

- законы коммутации; уметь:

- исследовать переходный процесс в цепях с индуктивностью и емкостью. Понятие о переходных процессах. Первый и второй законы коммутации.

Включение и отключение в цепях переменного тока - индуктивностью и емкостью.

• Лабораторная работа 16. Переходные процессы при зарядке и разрядке конденсатора.

Вопросы для самоконтроля:

1. Расскажите законы коммутации?

2. Что называется электрической ёмкостью?

Методические указание к выполнению контрольной работе.

Контрольная работа выполняется по вариантам, состоящая из 5 Варианты и номера задач представлены в таблицах (1-5)

При выполнении контрольной работы обратить внимание на соблюдение условных графических изображений, параметров и

элементов электрических схем согласно ГОСТ - ам.

Условия задания переписываются полностью, дополняются схемой. Решают задачи по этапам, выписывая формулу, и используемую на данном этапе, затем подставляют числовые данные, записывают результат и размерность вычисляемых величин в международной системе единиц (СИ).

Контрольная работа выполняется в тетради чернилами, чётким почерком без исправлений и помарок. Обложка тетради оформляется согласно требованию учебного заведения.

К экзамену допускаются студенты, получившие положительную оценку за контрольную работу к выполнившие лабораторные работы.

Задания для контрольных работ

Задача № 1(варианты 01-15)

Цепь постоянного тока содержит несколько резисторов соединённых смешанно.

Схема цепи с указанием сопротивлений резисторов приведена на соответствующем рисункеНомер рисунка заданные значения одного из напряжений или токов и в подлежащая определению, приведены в таблице 1. Индекс тока или напряжения совпадает с индексом резистора.

Пояснить с помощью логических рассуждений характер изменения электрической величины, заданной в таблице вариантов (увеличится, уменьшиться или останется без изменений), если од из резисторов замкнуть на коротко или выключить из схемы. Характер действия с резистором и его номер указаны в таблице 1. При этом считать напряжение, подводимое к цепи, неизменным.

Определить также мощность, потребляемую всей цепью, и расход электроэнергии цепью за 10 часов работы.

Таблица 1 — данные для решения задачи

№ варианта	№рисунка	Задаваемая величина	Определитель	Действия с резисторами	Изменение какой величины рассчитывается
Замыкается накоротко	Выключается из схемы
01 02 03 04 05 06 07 08 09 10 11 12 13 14 15	1 2 3 4 5 1 2 3 4 5 1 2 3 4 5	UAB = 100B I1 = 20A U2 = 30B I5 = 10A UAB = 50B UAB = 120B U3= 24B I6= 4A I5 = 2.4A I6= 5.0A I2 = 1.5A U2 = 120B UAB = 250B I5 = 1A U4 =12B	I3 I4 I6 UAB I1 I4 UAB U1 I4 I3 UAB I4 I5 UAB U1	R1 - R5 - R3 R2 - R6 - R3 - R1 - R3 -	- R4 - R2 - - R6 - R3 - R2 - R4 - R2	I5 U5 I1 I5 U3 I1 I3 U2 I2 U4 I2 U3 I2 I1 U6

Задача № 2. Для разветвлённой электрической цепи (рис. 6) согласно заданной методики расчёта в таблице 2 , определить токи во всех ветвях. Составить уравнение баланса мощностей. Определить режимы работы источников.

Рис.6

Таблица 2

Величина	Номер варианта
1	2	3	4	5	6	7	8	9	10	11	12	13	14	15
E1,B	24	12	8	48	36	96	48	32	192	128	15	124	20	30	50
E2,B	48	24	16	96	64	48	24	16	96	64	58	94	123	64	94
E3,B	96	48	32	192	128	24	12	8	48	36	26	18	13	94	55
r1,OM	16	8	5	32	20	16	8	5	32	20	25	86	6	78	123
r2,OM	8	4	2,6	16	12	8	4	2,6	16	12	25	36	89	75	138
r3,OM	16	8	5	32	20	16	8	5	32	20	25	3,5	45	38	46
r 4,Ом	8	4	2,6	16	20	8	4	2,6	16	12	79	23	45	24	71
Методика расчета	Законы Кирхгофа	Контурные токи	Наложение токов	Узлового напряжения	Законы Кирхгофа	Контурные токи	Наложение токов	Узлового напряжения	Законы Кирхгофа	Контурные токи	Наложение токов	Узлового напряжения	Законы Кирхгофа	Контурные токи	Наложение токов

Задача №3.