МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРЦИИ
Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования
Российский Университет дружбы народов
(РУДН)
ПРОГРАММА
Дисциплины " Общая электротехника и электроника "
Направление " Автоматизация и управление"
Инженерный факультет
Кафедра "Кибернетики и мехатроники"
Составитель программы д. т. н., доцент И.
"ОДОБРЕНО":
Зав. кафедрой д. т.н., проф. А.
«Кибернетики и мехатроники»
Москва 2010 г.
Цель курса
Целью курса является теоретическая и практическая подготовка инженеров в области электротехники и электроники применительно к задачам, решаемым при разработке и эксплуатации систем автоматического управления.
Содержание курса
Тема 1. Основные этапы развития учения об электричестве и магнетизме; деление учения на разделы: 1. неподвижные заряды и связанные с ними электрические поля (электростатика), 2. равномерно движущиеся заряды (постоянный ток и магнетизм) и 3. неравномерно движущиеся заряды и создаваемые при этом переменные поля (переменный ток и электродинамика (теория электромагнитного поля)). Работы Уильяма Гильберта (1544—1603), Отто фон Герике (1602—1686), Питера Ван Машенбрука (1692—1761), Бенджамина Франклина (1706—1790), Шарля Огюстена Кулона (1736—1806), Луиджи Гальвани (1737—1798), Алессандро Вольта (1745—1827), Ома Георга Симона (1787—1854), Кирхгофа Густава Роберта (1824—1887), В. (1761—1834), Ханса Кристиана Эрстеда (1777—1851), Майкла Фарадея (1791—1867), Эмилия Христиановича Ленца (1804—1865), Бориса Семеновича Якоби (1801—1874), Джозефа Генри (1797—1878), Михаила Иосифовича Доливо-Добровольского (1862—1919) и др.
Тема 2. Основные положения теории электростатического поля: законы Кулона и сохранения электрического заряда, электризация тел через влияние (электростатическая индукция), напряженность электрического поля, принцип суперпозиции, электрический потенциал и энергия электрического поля; понятия о проводниках и диэлектриках, электрической емкости, диэлектрической проницаемости, электрической индукции; взаимодействие заряженных тел (пондеромоторные силы); параллельное и последовательное соединение конденсаторов. Примеры использования емкостных датчиков для построения эталона единицы силы тока (ампера) и измерения неэлектрических величин (давления, перемещения, уровня и др.). Пьезоэлектрические датчики.
Тема 3. Постоянный ток. Принцип непрерывности (замкнутости) электри-ческого тока и магнитного потока. Законы Ома и Кирхгофа. Принципы суперпозиции, компенсации и взаимности. Теорема об эквивалентном активном двухполюснике. Методы анализа и расчета линейных электрических цепей постоянного тока. Общие принципы расчета цепей. Упрощение струк-туры цепей методом эквивалентных преобразований (трансфигурации). Анализ и расчет неразветвленных электрических цепей с одним и несколькими источниками энергии. Анализ и расчет разветвленных электрических цепей с несколькими источниками энергии путем применения законов Кирхгофа, метода контурных токов, узловых напряжений, эквивалентного активного двухполюсника. Энергетические соотношения в цепи постоянного тока.
Тема 4. Анализ и расчет линейных цепей переменного тока. Способы представления (в виде временной диаграммы, вектора, комплексного числа) и параметры (амплитуда, частота, начальная фаза) синусоидальных функций. Мгновенное, среднее и действующее значения синусоидального тока (напряжения). Составление дифференциальных уравнений для анализа цепей с последовательным и параллельным соединением элементов и их решение. Активное, реактивное и полное сопротивления ветви. Векторная диаграмма напряжений и треугольник сопротивлений ветви. Фазовые соотношения между током и напряжением. Мощность в цепях переменного тока. Коэф-фициент мощности (cos j) и его технико-экономическое значение. Комп-лексный метод расчета линейных цепей переменного тока. Три формы записи комплексных величин. Алгебра комплексных чисел. Комплексные схемы замещения электрических цепей. Комплексное сопротивление и комплексная проводимость ветви. Комплексная мощность и баланс мощности в цепях синусоидального тока. Резонансные явления в электрических цепях, условия возникновения, практическое значение. Частотные свойства цепей переменного тока. Цепи с несинусоидальными токами.
Тема 5. Анализ и расчет трехфазных цепей переменного тока. Элементы трехфазных цепей. Способы изображения и соединения фаз трехфазного источника питания и приемников энергии. Трех - и четырехпроводные схемы питания приемников. Соотношения между фазными и линейными напряже-ниями в симметричной системе ЭДС источника. Соединения приемников трехфазной цепи звездой и треугольником и особенности их расчета при симметричных и несимметричных нагрузках. Назначение нейтрального провода. Мощность трехфазной цепи. Коэффициент мощности. Техника безопасности при эксплуатации трехфазных устройств.
Тема 6. Переходные процессы в электрических цепях. Причины возникновения переходных процессов. Законы коммутации. Независимые и зависимые начальные условия. Анализ переходных процессов классическим методом в цепях с одним и двумя накопителями при их подключении к источнику постоянного напряжения. Влияние параметров цепи на длительность переходного процесса, постоянная времени цепи. Анализ переходных процессов в линейных электрических цепях при их подключении к источнику синусоидального напряжения. Метод переменных состояния и операторный метод расчета переходных процессов в линейных электрических цепях.
Тема 7. Анализ и расчет магнитных цепей. Основные магнитные величины. Свойства и характеристики ферро-магнитных материалов. Магнитные цепи постоянных магнитных потоков. Применение закона полного тока для анализа и расчета магнитной цепи без воздушного зазора в магнитопроводе и с воздушным зазором. Схемы замещения магнитных цепей. Закон Ома и законы Кирхгофа для магнитных цепей. Магнитные цепи переменных магнитных потоков. Особенности расчета электромагнитных процессов в катушке с магнитопроводом. График мгновенных значений магнитного потока и тока при синусоидальном напряжении.
Тема 8. Трансформаторы; назначение и области применения. Устройство и принцип действия однофазного трансформатора. Анализ электромагнитных процессов в трансформаторе, векторная диаграмма трансформатора, схема замещения. Потери энергии в трансформаторе. Внешние характеристики. Паспортные данные трансформатора и расчет по ним номинального тока, тока короткого замыкания и изменения вторичного напряжения. Устройство, принцип действия и области применения трехфазных трансформаторов. Электромагнитные датчики для измерения неэлектрических величин.
Тема 9. Машины постоянного тока (МПТ); устройство и принцип дейст-вия, режимы генератора и двигателя. Способы возбуждения МПТ. Формула для ЭДС обмотки якоря и электромагнитного момента. Реакция якоря. Энергетическая диаграмма. Генераторы постоянного тока: классификация, характеристики. Двигатели постоянного тока; механические и регулировочные характеристики. Пуск двигателя. Свойство саморегулирования. Регули-рование частоты вращения.
Тема 10. Асинхронные машины; устройство и принцип действия. Вращающееся магнитное поле статора. Магнитное поле машины. ЭДС обмо-ток статора и ротора. Скольжение. Частота вращения ротора. Электромаг-нитный момент. Механические и рабочие характеристики. Энергетические диаграммы. Паспортные данные. Пуск асинхронных двигателей с коротко-замкнутым и фазным ротором. Реверсирование и регулирование частоты вращения.
Тема 11. Синхронные машины; устройство и принцип действия трехфаз-ного синхронного генератора. Работа генератора в автономном режиме. Схема замещения фазы обмотки якоря и векторная диаграмма. Мощность и электромагнитный момент. Внешняя и регулировочная характеристики. Устройство и принцип действия синхронного двигателя. Частота вращения ротора. Пуск двигателя. Вращающий момент, угловые характеристики. Регулирование коэффициента мощности.
Тема 12. Элементная база современных электронных устройств. Роль электроники в развитии науки, техники, в производстве и управлении. Классификация основных устройств, перспективы развития. Условные обозначения, принцип действия, характеристики и назначение электровакуумных приборов, полупроводниковых диодов, транзисторов, тиристоров. Интегральные микросхемы: классификация, маркировка, назначение. Индикаторные приборы.
Тема 13. Устройства на полупроводниковых приборах. Базовые усилительные каскады. Дифференциальный усилитель и его элементы. Выходные каскады. Многокаскадные усилители. Генераторы гармони-ческих колебаний. Модуляторы и демодуляторы. Транзисторные ключи. Ограничители и фиксаторы уровня. Преобразователи формы сигналов. Генераторы пилообразного напряжения. Мультивибраторы и триггер Шмита.
Тема 14. Основы цифровой электроники и микропроцессорной техники. Общие сведения о цифровых электронных устройствах. Логические опера-ции и способы их аппаратной реализации. Сведения об интегральных логии-ческих схемах. Устройства комбинационной логики: сумматоры, шифраторы, дешифраторы, мультиплексоры, демультиплексоры, компараторы. Элементы памяти, цифровые триггеры, регистры и цифровые счетчики импульсов. Индикация цифровой информации. Понятие об аналогово-цифровых и цифро-аналоговых преобразователях
Тема 15. Источники вторичного электропитания. Полупроводниковые выпрямители: классификация, основные параметры. Электрические схемы и принцип работы выпрямителя. Электрические фильтры. Стабилизаторы напряжения и тока. Тиристорные преобразователи как источники регулируе-мого напряжения. Принципы управления тиристорными преобразователями.
Тема 16. Микроконтроллерные устройства; функциональный состав и методы программирования. Программно-аппаратные средства отладки и программирования.
Перечень семинарских занятий и лабораторных работ.
1. Расчет и моделирование траектории движения электрона в электричес-ком и магнитном полях.
2. Расчет и моделирование цепей постоянного тока с использованием законов Ома и Кирхгофа.
3. Анализ цепей постоянного тока с использованием методов контурных токов и узловых потенциалов.
4. Анализ цепей постоянного тока с использованием принципа наложения и метода эквивалентного генератора.
5. Расчет и моделирование магнитных цепей.
6. Определение параметров синусоидальных токов и напряжений.
7. Расчет амплитудно-частотных (АЧХ) и фазочастотных (ФЧХ) характеристик RLC-цепей.
8. Исследование резонансных явлений в цепях синусоидального тока.
9. Измерение частоты, фазы и мощности переменного тока.
10. Расчет и моделирование цепей с несинусоидальными токами.
11. Анализ и экспериментальное исследование трехфазных цепей.
12. Анализ и моделирование переходных процессов в линейных электри-ческих цепях.
13. Анализ и экспериментальное исследование трансформатора.
14. Исследование схем включения двигателей постоянного тока.
15. Исследование асинхронных двигателей.
16. Исследование вольтамперных характеристик (ВАХ) полупроводни-ковых диодов и выпрямителей на их основе.
17. Исследование ВАХ транзисторов и базовых схем транзисторных усилителей.
19. Исследование операционных усилителей.
20. Расчет и моделирование мультивибратора.
21. Расчет и моделирование генератора пилообразного напряжения.
22. Анализ и синтез логических элементов.
23. Исследование триггеров и функциональных узлов на их основе.
24. Расчет и моделирование параметрических и компенсационных стаби-лизаторов напряжения.
25. Использование осциллографа в инженерном эксперименте.
Тематика расчетно-графических (курсовых) работ
1. Анализ электрического состояния цепей постоянного тока.
2. Анализ однофазных и трехфазных цепей переменного тока.
3. Определение параметров и характеристик трансформаторов.
4. Расчет переходных процессов.
Литература
Обязательная
1. Радиоматериалы, радиокомпоненты и электроника: Учебное пособие / К. С. Петров. — СПб: Питер, 2003.
2. Справочное пособие по основам электротехники и электроники. /Под ред. А. В. Нетушила. — М.: Энергоатомиздат, 1995.
3. С., В. Электротехника. — М.: Энергоатомиздат, 1995.
4. Электротехника. /Под ред. В. Г.Герасимова. — М.: Энергоатомиздат, 1995.
Дополнительная
5. Сборник задач по электротехнике и основам электроники. /Под ред. В. Г. Герасимова. — М.: Высшая школа, 1987.
6. Лабораторные работы по основам промышленной электроники. /Под ред. В. Г. Герасимова. — М.: Высшая школа, 1989.
7. И. Электронная лаборатория на IBM PC. Изд. 6-ое. М.: Солон-Пресс, 2006
Основные порталы (построено редакторами)