Базовый общетехнический курс по электротехнике

Теоретические основы электротехники (ТОЭ) являются базовым общетехническим курсом для электротехнических и электроэнергетических специальностей вузов. Курс ТОЭ рассчитан на изучение в течение трех семестров и состоит из двух основных частей: теории цепей (два семестра) и теории электромагнитного поля (один семестр). Данный лекционный курс посвящен первой из указанных частей ТОЭ -теории линейных и нелинейных электрических и магнитных цепей. Содержание курса и последовательность изложения материала в нем в целом соответствуют программе дисциплины ТОЭ для электротехнических и электроэнергетических специальностей вузов.

Цель данного курса состоит в том, чтобы дать студентам достаточно полное представление об электрических и магнитных цепях и их составных элементах, их математических описаниях, основных методах анализа и расчета этих цепей в статических и динамических режимах работы, т.е. в создании научной базы для последующего изучения различных специальных электротехнических дисциплин.

Задачи курса заключаются в освоении теории физических явлений, положенных в основу создания и функционирования различных электротехнических устройств, а также в привитии практических навыков использования методов анализа и расчета электрических и магнитных цепей для решения широкого круга задач. Методика расчёта линейных электрических цепей переменного тока Курс теоретических основ электротехники

В результате изучения курса студент должен знать основные методы анализа и расчета установившихся процессов в линейных и нелинейных цепях с сосредоточенными параметрами, в линейных цепях несинусоидального тока, в линейных цепях с распределенными параметрами, основные методы анализа и расчета переходных процессов в указанных цепях и уметь применять их на практике.

Знания и навыки, полученные при изучении данного курса, являются базой для освоения таких дисциплин, как: математические основы теории автоматического управления, теория автоматического управления, электропривод, промышленная электроника, электроснабжение промышленных предприятий, переходные процессы в электрических системах, электрические измерения и т. д.

При изучении дисциплины предполагается, что студент имеет соответствующую математическую подготовку в области дифференциального и интегрального исчислений, линейной и нелинейной алгебры, комплексных чисел и тригонометрических функций, а также знаком с основными понятиями и законами электричества и магнетизма, рассматриваемыми в курсе физики. Теория электрических цепей

• Элементы электрических цепей.
• Топология электрических цепей.
• Переменный ток. Изображение синусоидальных переменных
• Примеры решения типовых задач по ТОЭ Основы электротехники выполнение курсовой
• Элементы цепи синусоидального тока, векторные диаграммы и комплексные соотношения для них.
• Основы символического метода расчета. Методы контурных токов и узловых потенциалов.
• Основы матричных методов расчета электрических цепей.
• Мощность в электрических цепях
• Резонансные явления в цепях синусоидального тока
• Векторные и топографические диаграммы. Преобразование линейных электрических цепей.
• Анализ цепей с индуктивно связанными элементами.
• Особенности составления матричных уравнений при наличии индуктивных связей и ветвей с идеальными источниками.
• Методы расчета, основанные на свойствах линейных цепей.
• Метод эквивалентного генератора. Теорема вариаций.
• Пассивные четырехполюсники.
• Электрические фильтры.
• Трехфазные электрические цепи: основные понятия и схемы соединения.
• Расчет трехфазных цепей.
• Применение векторных диаграмм для анализа несимметричных режимов. Мощность в трехфазных цепях.
• Метод симметричных составляющих.
• Теорема об активном двухполюснике для симметричных составляющих.
• Вращающееся магнитное поле. Принцип действия асинхронного и синхронного двигателей.
• Линейные электрические цепи .при несинусоидальных периодических токах
• Резонансные явления в цепях несинусоидального тока. Высшие гармоники в трехфазных цепях.
• Переходные процессы в линейных электрических цепях. Классический метод расчета переходных процессов.
• Методика и примеры расчета переходных процессов классическим методом.
• Определение постоянной времени. Переходные процессы в R-L-C-цепи.
• Операторный метод расчета переходных процессов.
• Последовательность расчета переходных процессов операторным методом. Формулы включения. Переходные проводимость и функция по напряжению
• Интеграл Дюамеля. Метод переменных состояния.
• Нелинейные цепи постоянного тока. Графические методы расчета.
• Расчет нелинейных цепей методом эквивалентного генератора. Аналитические и итерационные методы расчета цепей постоянного тока.
• Нелинейные магнитные цепи при постоянных потоках.
• Общая характеристика задач и методов расчета магнитных цепей.
• Особенности нелинейных цепей переменного тока. Графический метод расчета с использованием характеристик для мгновенных значений.
• Графические методы расчета с использованием характеристик по первым гармоникам и действующим значениям. Феррорезонанс. Аналитические методы расчета.
• Метод кусочно-линейной аппроксимации. Метод гармонического баланса.
• Понятие об эквивалентном эллипсе, заменяющем петлю гистерезиса. Потери в стали. Катушка и трансформатор с ферромагнитными сердечниками.
• Переходные процессы в нелинейных цепях. .Аналитические методы расчета
• Понятие о графических методах анализа переходных процессов в нелинейных цепях. Методы переменных состояния и дискретных моделей.
• Цепи с распределенными параметрами в стационарных режимах: основные понятия и определения.
• Линия без искажений. Уравнения линии конечной длины. Определение параметров длинной линии. Линия без потерь. Стоячие волны.
• Входное сопротивление длинной линии. Переходные процессы в цепях с распределенными параметрами.
• Сведение расчета переходных процессов в цепях с распределенными параметрами к нулевым начальным условиям. Правило удвоения волны.
  Типовой расчет Линейные электрические цепи постоянного тока

Задание:
1. Написать по законам Кирхгофа систему уравнений для определения неизвестных токов и э.д.с. во всех ветвях.
2. Определить неизвестные токи и э.д.с. во всех ветвях методом контурных токов и методом узловых потенциалов.
3. Составить баланс мощности.
4. Определить напряжения, измеряемые вольтметрами.
5. Методом эквивалентного источника найти величину и направление э.д.с., которую надо дополнительно включить во вторую ветвь (где r2 и Е2), чтобы ток в ней увеличился в два раза и изменил свое направление.
6. Определить входную проводимость второй ветви и взаимную проводимость ветвей второй и третьей (где r2 и Е2).
7. Найти уравнения, выражающие зависимость тока в третьей ветви от сопротивления второй ветви при неизменных э.д.с. схемы и неизменном протекающем к ней токе источника.


Типовой расчет №2. Электрические цепи переменного тока


I. Считая, что индуктивная связь отсутствует (М=0)
1. Определить токи во всех ветвях.
2. Построить векторную диаграмму токов и топологическую диаграмму напряжений.
3. Составить баланс активных и реактивных мощностей.
4. Построить на одном графике кривые мгновенных значений l1 и i3 .
5. Определить показания ваттметра.
6. Проверить расчет токов по программе SINUS в дисплейном классе кафедры ТОЭ.

II. Учитывая взаимную индуктивность катушек и считая заданным ток ветви l, определенный в п. 1. ч.1., а ЭДС этой ветви не известна.
1. Определить токи во всех ветвях.
2. Построить векторную диаграмму токов и топологическую диаграмму напряжений.
3. Произвести развязку индуктивной связи.
В полученной схеме рассчитать токи по программе SINUS в дисплейном классе кафедры ТОЭ и сравнить их со значениями в п.1. ч. II.

Примечание:
1. На топологической диаграмме показать векторы напряжений на всех элементах схемы.
2. Напряжение на элементах схемы, обладающих взаимной индуктивностью, должны быть разложены на составляющие.

Продукт предназначен в помощь учащимся (и преподавателям) средних, а также средних специальных учебных заведений для изучения разделов курса физики "Электричество". Он естественным образом дополняет классическую схему обучения, состоящую из усвоения теоретического материала и выработки практических навыков экспериментирования в физической лаборатории.Программа представляет собой электронный конструктор, позволяющий имитировать на экране монитора процессы сборки электрических схем, исследовать особенности их работы, проводить измерения электрических величин так, как это делается в реальном физическом эксперименте.С помощью конструктора можно:

• изучать зависимость сопротивления проводников от удельного сопротивления его материала, длины и поперечного сечения;
• изучать законы постоянного тока - закон Ома для участка цепи и закон Ома для полной цепи;
• изучать законы последовательного и параллельного соединения проводников, конденсаторов и катушек;
• изучать принципы использования предохранителей в электронных схемах;
• изучать законы выделения тепловой энергии в электронагревательных и осветительных приборах, принципы согласования источников тока с нагрузкой;
• ознакомиться с принципами проведения измерений тока и напряжения в электронных схемах с помощью современных измерительных приборов (мультиметр, двухканальный осциллограф), наблюдать вид переменного тока на отдельных деталях, сдвиг фаз между током и напряжением в цепях переменного тока;
• изучать проявление емкостного и индуктивного сопротивлений в цепях переменного тока, их зависимость от частоты генератора переменного тока и номиналов деталей;
• изучать выделение мощности в цепях переменного тока;
• исследовать явление резонанса в цепях с последовательным и параллельным колебательным контуром;
• определять параметры неизвестной детали;
• исследовать принципы построения электрических фильтров для цепей переменного тока.

Конструктор можно также использовать в рамках его возможностей и для других задач в самостоятельной творческой работе учащихся.Одной из главных особенностей комплекса является максимально возможная имитация реального физического процесса. Для этой цели предусмотрено, например, следующее:

• изображения деталей конструктора и измерительных приборов приводятся не схематически, а в таком виде, как "на самом деле";
• при превышении номинальной мощности электрического тока, протекающего через сопротивление, последнее "сгорает" и приобретает вид почерневшей детали;
• лампочка и электронагревательный прибор при номинальной мощности начинают светиться и "перегорают", если мощность, рассеиваемая на них, превышает рабочее значение;
• при превышении рабочего напряжения на конденсаторе, последний также "выходит из строя";
• при превышении номинального рабочего тока через предохранитель, он "перегорает";
• большинство операций и их результаты сопровождаются звуковыми эффектами.

Это делается для того, чтобы учащийся наглядно видел последствия своих ошибок, учился разбираться в причинах того или иного неудачного эксперимента и вырабатывал необходимые навыки предварительного анализа схемы.Для пользования программой достаточно начальных навыков работы в системе Windows.

Рекомендуемая учебно-методическая литература по дисциплине:

1. Бессонов Л.А. Теоретические основы электротехники: Электрические цепи. Учеб. для студентов электротехнических, энергетических и приборостроительных специальностей вузов. –7-е изд., перераб. и доп. –М.: Высш. шк., 1978. –528с.
2. Основы теории цепей: Учеб. для вузов /Г.В.Зевеке, П.А.Ионкин, А.В.Нетушил, С.В.Страхов. –5-е изд., перераб. –М.: Энергоатомиздат, 1989. -528с.
3. Теоретические основы электротехники. Учеб. для вузов. В трех т. Под общ. ред. К.М.Поливанова. Т.1. К.М.Поливанов. Линейные электрические цепи с сосредоточенными постоянными. М.:Энергия, 1972. –240с.
4. Теоретические основы электротехники. Учеб. для вузов. В трех т. Под общ. ред. К.М.Поливанова. Т.2. Жуховицкий Б.Я., Негневицкий И.Б. Линейные электрические цепи (продолжение). Нелинейные цепи. –М.: Энергия- 1972. –200с.
5. Матханов П.Н. Основы анализа электрических цепей. Линейные цепи: Учеб. для электротехн. и радиотехн. спец. вузов. –3-е изд., перераб. и доп. –М.: Высш. шк., 1990. –400 с.
6. Матханов П.Н. Основы анализа электрических цепей. Нелинейные цепи: Учеб. для электротехн. спец. вузов. –2-е изд., перераб. и доп. –М.: Высш. шк., 1986. –352 с.
7. Каплянский А.Е. и др. Теоретические основы электротехники. Изд. 2-е. Учеб. пособие для электротехнических и энергетических специальностей вузов. –М.: Высш. шк., 1972. -448 с.
8. Теоретические основы электротехники. Т. 1. Основы теории линейных цепей. Под ред. П.А. Ионкина. Учебник для электротехн. вузов. Изд. 2-е, перераб. и доп. –М.: Высш. шк., 1976. –544 с.
9. Теоретические основы электротехники. Т. 2. Нелинейные цепи и основы теории электромагнитного поля. Под ред. П.А. Ионкина. Учебник для электротехн. вузов. Изд. 2-е, перераб. и доп. –М.: Высш. шк., 1976. –383 с.
10. Сборник задач и упражнений по теоретическим основам электротехники: Учеб. пособие для вузов/ Под. ред. проф. П.А.Ионкина. –М.: Энергоиздат, 1982. –768 с.
11. Сборник задач и упражнений по теоретическим основам электротехники: Учеб. пособие для вузов/ Под. ред. проф. П.А.Ионкина. –М.: Энергоиздат, 1982. –768 с.
12. Сборник задач и упражнений по теоретическим основам электротехники: Учеб. пособие/ Бессонов Л.А., Демидова И.Г., Заруди М.Е. и др.; Под ред. Бессонова Л.А. . –2-е изд., перераб. и доп. –М.: Высш. шк., 1980. –472 с.
13. Основы анализа и расчета линейных электрических цепей: Учеб. пособие/ Н.А.Кромова. –2-е изд., перераб. и доп.; Иван. гос. энерг. ун-т. –Иваново, 1999. -360 с.
14. Голубев А.Н. Методы расчета нелинейных цепей: Учеб. пособие/ Иван. гос. энерг. ун-т. –Иваново, 2002. -212 с.