[Александр Котлярский, Юрий Бабичев] Электротехника и электроника. Часть 1. Электротехника (2024)

В первой части рассматриваются общие вопросы теории электрических цепей постоянного и синусоидального тока, приводятся сведения об электрических сигналах и их преобразованиях, дано описание конструкций и принципов действия электромагнитных и электромеханических устройств, рассматриваются основы электроснабжения и основы электропривода, приводятся общие сведения об измерениях электрических величин.
Курс отражает многолетний опыт преподавания дисциплины Электротехника и электроника в трех вузах: НИТУ МИСИС, НИУ “МЭИ” и МГТУ им. Н.Э. Баумана (НИУ)
Курс разработан НИТУ МИСИС.

Цель курса – обеспечение базовой (общепрофессиональной) подготовки в области электротехники и электроники в профессиональных образовательных программах по техническим направлениям бакалавриата на уровне понимания физических процессов и функциональных свойств основных типов элементов и устройств для их обоснованного выбора и квалифицированного применения в повседневной жизни, окружающей среде и в профессиональной деятельности.
Теоретическая составляющая курса расширена по сравнению с классической вузовской дисциплиной «Электротехника и электроника» с учетом достижений современной электроники, интегрированной в электротехнические устройства.
Практическая составляющая курса включает множество примеров, в том числе расчетных, иллюстрирующих применение методов и средств для анализа электротехнических и электронных устройств.

Курс направлен на базовую общеинженерную подготовку бакалавров с проектно-ориентированным обучением, когда во главу угла ставится умение решать профессиональные задачи в области электротехники и электроники.
Курс направлен на формирование системного мышления обучающихся и излагается с позиций методологии инженерной практики. Любое электротехническое или электронное устройство и объект представляются системой взаимосвязанных элементов в виде физической и математической моделей. Изучаются методы анализа таких систем и происходящих в них физических процессов с целью определения функциональных (эксплуатационных) свойств.
Классическое содержание дисциплины Электротехника и электроника дополнено модулями: четырехполюсники; электрические сигналы; переходные процессы в линейных цепях.
Включены вопросы, связанные с электрическими цепями в электронных устройствах: невзаимные цепи, зависимые источники, анализ цепей с четырехполюсниками, виртуальный осциллограф и измерения параметров сигналов.
В рамках курса рассматриваются общие сведения по однофазным электрическим сетям, в том числе и бытовым в системе “умный дом”, а также вопросы электробезопасности.
В курсе приводятся примеры имитационного моделирования электрических цепей.

Требования:
Для успешного освоения курса слушателю нужно владеть знаниями по физике (раздел «Электричество»), высшей математике и информатике в объеме вузовских рабочих программ указанных дисциплин.

Формат:

• В состав курса входят видеолекции продолжительностью 6-10 минут, включающие 2–3 вопроса на самопроверку усвоения теоретического материала;
• Материалы для самостоятельного изучения пользователями, анимационные ролики с инфографикой.
• Модули завершаются тестами на проверку понимания материала (10-15 вопросов).

Программа

1. Введение. Общие сведения по электротехнике
2. Электрические цепи постоянного тока
3. Методы расчета цепей постоянного тока
4. Электрические цепи синусоидального тока. Измерения электрических величин
5. Методы анализа цепей синусоидального тока
6. Режимы работы цепей синусоидального тока
7. Измерения электрических величин. Четырехполюсники
8. Цепи с магнитной связью
9. Трехфазные электрические цепи. Основы электробезопасности
10. Электрические сигналы
11. Переходные процессы в линейных цепях
12. Электромагнитные устройства
13. Электрические машины переменного тока
14. Основы электропривода. Синхронные машины
15. Коллекторные машины. Шаговые и вентильные двигатели

Подробная программа:
1. Введение. Общие сведения по электротехнике
1.1. Введение в онлайн-курс. Электротехника - техника электрических токов и напряжений. Краткая характеристика-обзор курса
1.2. Основные понятия теории электромагнитного поля и электрических цепей. Общие законы электрических цепей
1.3. Электромагнитное и электромеханическое преобразование энергии. Источники, проводники и приемники в электрических цепях
1.4. Декомпозиция электрических цепей. Элементы электрических цепей. Их физические свойства. Суть идеализации элементов. Характеристики и параметры моделей идеальных и идеализированных элементов
1.5. Принципиальные схемы электрических цепей. Схемы замещения. Способы соединения (последовательное, параллельное и мостовое). Топологические понятия теории цепей и законы Кирхгофа
1.6. Основные свойства электрических цепей с сосредоточенными параметрами. Линейные и нелинейные цепи. Физические электрические величины электрических цепей. Буквенные обозначения и единицы электрических величин. Общее понятие об электрических измерениях
1.7. Диоды и транзисторы - нелинейные элементы электрических цепей. Идеальные и идеализированные модели нелинейных элементов. Понятие о зависимых источниках

2. Электрические цепи постоянного тока
2.1. Электрические цепи постоянного тока. Источники постоянного напряжения. Вольтамперные характеристики. Источники тока. Линейные и нелинейные элементы электрических цепей постоянного тока
2.2. Задачи анализа и расчета линейных электрических цепей с одним источником постоянного напряжения. Метод «свертывания цепи» (алгоритмы «прямого» и «обратного» хода). Примеры расчета (урок с практической частью)
2.3. Пример расчета методом "свертывания цепи" (урок с практической частью)
2.4. Анализ и расчет разветвленных цепей постоянного тока с несколькими источниками, основанный на законах Кирхгофа
2.5. Баланс мощностей. Общие свойства линейных цепей (линейности, взаимности)
2.6. Пример расчета цепи на основании законов Кирхгофа и Ома (урок с практической частью)
2.7. Эквивалентные преобразования в линейных электрических цепях. Теорема о компенсации, теорема об эквивалентном генераторе. Эквивалентные активные и пассивные двухполюсники
2.8. Пример расчета цепей с использованием эквивалентных преобразований (урок с практической частью)
2.9. Задачи анализа и расчета нелинейных электрических цепей с одним источником постоянного напряжения. Метод пересечения характеристик. Примеры расчета (урок с практической частью)
2.10. Нелинейные цепи постоянного тока. Графоаналитический метод определения рабочих точек. Кусочно-линейная аппроксимация ВАХ. Схемная и математическая модели (урок с практической частью)

3. Методы расчета цепей постоянного тока
3.1. Общие методы расчета линейных электрических цепей. Метод контурных токов.
3.2. Метод контурных токов. Примеры расчетов в математических программах (урок с практической частью)
3.3. Общие методы расчета линейных электрических цепей. Метод узловых напряжений.
3.4. Метод узловых напряжений. Примеры расчетов в математических программах (урок с практической частью)
3.5. Общие методы расчета линейных электрических цепей. Метод эквивалентного генератора
3.6. Метод эквивалентного генератора. Примеры расчетов в математических программах (урок с практической частью)
3.7. Особенности расчета цепей постоянного тока с транзисторами (зависимыми источниками) в линейных режимах работы
3.8. Примеры расчета цепей с транзисторами (зависимыми источниками) при постоянных токах (урок с практической частью)
3.9. Приближенные методы расчета нелинейных цепей постоянного тока. Примеры расчетов в математических программах (урок с практической частью)
3.10. Имитационное моделирование цепей постоянного тока

4. Электрические цепи синусоидального тока. Измерения электрических величин
4.1. Переменный и синусоидальный ток. Синусоидальные напряжения и токи, их параметры (амплитуда, частота, начальная фаза, действующее и среднее значения). Свойства идеализированных элементов при переменных и синусоидальных токах, их математические модели. Границы применимости идеализированных моделей
4.2. Синусоидальные токи в электрических цепях с RL-элементами. Математическая модель, полное, активное и индуктивное сопротивления, векторные и временные диаграммы токов и напряжений (урок с практической частью)
4.3. Синусоидальные токи в цепях с RC-элементами. Математическая модель, полное, активное и емкостное сопротивления, векторные и временные диаграммы токов и напряжений
4.4. Последовательный колебательный контур. Полное, активное и реактивное сопротивление. Векторная диаграмма тока и напряжений, треугольник сопротивлений (урок с практической частью)
4.5. Параллельный колебательный контур. Полная, активная и реактивная проводимость. Векторная диаграмма токов и напряжений, треугольник проводимостей (урок с практической частью)
4.6. Мощности синусоидального тока. Коэффициент мощности и КПД. Мощность и энергия. Баланс мощностей
4.7. Определение сопротивлений элементов и участков цепей /примеры расчета (урок с практической частью)
4.8. Однофазные электрические цепи. Схемы замещения источников, приемников, проводов и кабелей с учетом несовершенной изоляции в однофазной цепи
4.9. Однофазные электрические цепи и потребители однофазного тока - электрические приборы. Векторные и временные диаграммы токов и напряжений. Параметры потребителей (урок с практической частью)
4.10. Пример однофазной электрической цепи - квартирная проводка с подключенными потребителями - электрическими приборами. Устройства коммутации (урок с практической частью)

5. Методы анализа цепей синусоидального тока
5.1. Задача анализа цепей с синусоидальными токами. Классификация методов анализа электрических цепей синусоидального тока и их характеристика
5.2. Методы анализа. Эквивалентные преобразования. Взаимные преобразования последовательной и параллельной схем двухполюсника. Метод проводимостей для расчета токов и напряжений разветвленной цепи
5.3. Пример расчета цепи методом проводимостей (урок с практической частью)
5.4. Методы анализа. Символический метод. Общие положения. Комплексные токи и напряжения
5.5. Законы Кирхгофа для комплексных токов и напряжений. Закон Ома, комплексные сопротивления и проводимости
5.6. Методы анализа. Расчет токов и напряжений символическим методом в простых RL- и RC-цепях. Комплексные сопротивления и проводимости двухполюсников (урок с практической частью).
5.7. Расчет токов и напряжений символическим методом в простых RL- и RC-цепях. Примеры расчетов в математических программах(урок с практической частью)
5.8. Расчет комплексных токов и напряжений общими методами. Метод эквивалентных преобразований сопротивлений (урок с практической частью)
5.9. Расчет комплексных токов и напряжений методом эквивалентных преобразований сопротивлений в математических программах (урок с практической частью)
5.10. Расчет комплексных токов и напряжений общими методами. Метод двух узлов и узловых напряжений (урок с практической частью)

6. Режимы работы цепей синусоидального тока
6.1. Резонансные явления. Резонанс напряжений. Перенапряжения
6.2. Резонансные явления. Резонанс токов. Компенсация реактивной мощности (урок с практической частью)
6.3. Частотные характеристики электрических цепей. АЧХ и ФЧХ (урок с практической частью)
6.4. Периодические сигналы. Математическая модель периодических сигналов. Спектры
6.5. Частотный (спектральный) метод расчета выходных напряжений и токов (урок с практической частью)
6.6. Электрические фильтры
6.7. Имитационное моделирование линейных электрических цепей синусоидального тока в программах имитационного моделирования
6.8. Измерения синусоидальных токов и напряжений, измерение активных и реактивных мощностей, энергии
6.9. Использование осциллографа для анализа цепей с синусоидальными токами. Понятие о виртуальном осциллографе. Измерение параметров токов и напряжений с помощью осциллографа

7. Измерения электрических величин. Четырехполюсники
7.1. Четырехполюсники (ЧП). Уравнения ЧП и их параметры. Связь между параметрами ЧП
7.2. Входные и выходные сопротивления четырехполюсников
7.3. Определение параметров ЧП опытным путем (урок с практической частью)
7.4. Коэффициенты передачи
7.5. Т- и П-образная схемные модели взаимных ЧП (урок с практической частью)
7.6. Невзаимные ЧП. Т- и П-образная схемные модели невзаимных ЧП
7.7. Схемные модели транзисторов как четырехполюсников (урок с практической частью)
7.8. Схемные модели усилителей как четырехполюсников. Коэффициенты усиления каскадного соединения невзаимных ЧП (урок с практической частью)
7.9. Особенности расчета линейных цепей с четырехполюсниками (урок с практической частью)

8. Цепи с магнитной связью
8.1. Электрические цепи с магнитной связью. Понятия согласного и встречного магнитных соединений
8.2. Схемные модели магнитно-связанных элементов и параметры их элементов (урок с практической частью)
8.3. Воздушный трансформатор. Уравнения и параметры идеализированного воздушного трансформатора ("трансформаторная" ЭДС)
8.4. Схемная модель приведенного идеализированного трансформатора (урок с практической частью)
8.5. Режимы работы идеализированного трансформатора
8.6. Опытное определение параметров идеализированного трансформатора из опытов холостого хода и короткого замыкания (урок с практической частью)
8.7. Трансформаторы как преобразователи сопротивлений, токов и напряжений. Измерительные трансформаторы напряжения и тока. Понятие о согласовании источников и приемников электрических цепей. Понятие "гальваническая развязка"
8.8. Расчет электрических цепей с трансформаторами. Пример расчета

9. Трехфазные электрические цепи. Основы электробезопасности
9.1. Получение, передача, распределение электрической энергии. Понятие о трехфазных электрических цепях. Трехфазные источники, приемники и линии передачи (кабели)
9.2. Трехфазные цепи. Схемные модели источника, приемников и линий передачи (кабелей). Трех- и четырехпроводные цепи. Понятие о режимах работы нейтрали (урок с практической частью)
9.3. Симметричная и несимметричная трехфазная нагрузка в четырехпроводной цепи. Расчет токов и напряжений (урок с практической частью)
9.4. Симметричная и несимметричная трехфазная нагрузка в трехпроводных цепях. Расчет токов и напряжений (урок с практической частью)
9.5. Трехфазные электрические распределительные сети напряжением до 1000 вольт. Понятие об электроснабжении
9.6. Устройство электрических проводок. Определение токовых нагрузок. Осветительная и силовая нагрузка. Выбор кабелей и проводов по допустимым токам (урок с практической частью)
9.7. Коммутационные устройства, устройства защитного отключения и их выбор (урок с практической частью)
9.8. Основы электробезопасности
9.9. Имитационное моделирование трехфазной цепи

10. Электрические сигналы
10.1. Электрические сигналы и их временные параметры. Спектральное представление сигналов. Модуляция сигналов
10.2. Периодические и непериодические сигналы. Аналоговые и цифровые сигналы. Импульсные сигналы. Дифференцирующие и интегрирующие цепи
10.3. Электрические сигналы. Искажения сигналов. Помехи. Условие неискаженной передачи сигналов (урок с практической частью)
10.4. Параметры сигналов. Измерения электрических и временных параметров сигналов с помощью осциллографа (урок с практической частью)
10.5. Коммутации в электрических цепях. Импульсные сигналы и понятия переходных процессов в цепях. Законы коммутации. Заряд и разряд конденсатора. Постоянная времени и длительность заряда
10.6. Анализ процессов подключения RC-цепи к источнику постоянного напряжения /практические примеры (урок с практической частью)
10.7. Анализ искажений сигнала в R-L-цепи /практические примеры (урок с практической частью)
10.8. Анализ искажений сигналов в RLC- цепи при апериодическом процессе (урок с практической частью)
10.9. Анализ искажений сигналов в RLC- цепи при колебательном процессе (урок с практической частью)
10.10. Анализ искажении сигналов частотными методами (общие сведения)

11. Переходные процессы в линейных цепях
11.1. Классический метод расчета переходных процессов в линейных цепях
11.2. Примеры расчета переходных процессов в линейных электрических цепях классическим методом. Примеры расчетов (урок с практической частью)
11.3. Заряд и разряд индуктивной катушки. Особенности отключения индуктивной катушки (разрыв цепи). Перенапряжения и электродуговой процесс
11.4. Операторный метод анализа линейных электрических цепей
11.5. Определение оригиналов по изображениям токов и напряжений. Примеры расчетов (урок с практической частью)
11.6. Операторные функции передачи цепи. Понятие об импульсной и переходной характеристиках
11.7. Определение реакции линейной цепи на входные сигналы с помощью импульсной и переходной характеристики
11.8. Расчет реакции линейной цепи на входные сигналы с помощью импульсной и переходной характеристики. Примеры расчетов (урок с практической частью)
11.9. Заряд и разряд индуктивной катушки. Примеры расчетов (урок с практической частью)

12. Электромагнитные устройства
12.1. Основные магнитные величины и свойства ферромагнитных материалов
12.2. Однофазные трансформаторы. Режимы работы. Эксплуатационные параметры трансформаторов (урок с практической частью)
12.3. Виды и типы трехфазных трансформаторов. Конструкция и эксплуатационные параметры трехфазных трансформаторов. Уравнения токов и напряжений трансформатора
12.4. Каталожные данные трехфазных трансформаторов. Выбор трансформаторов по каталожным данным (урок с практической частью)
12.5. Электромагнитные устройства: электрические аппараты, электромагнитные реле, дроссели, реакторы, электромагниты

13. Электрические машины переменного тока
13.1. Электрические машины переменного тока. Конструкция, принцип действия. Электрические генераторы, электрические двигатели. Энергетическая диаграмма генераторов и двигателей. Номинальные параметры электрических машин переменного тока
13.2. Вращающееся магнитное поле и конструкция статора электрических машин переменного тока. Связь скорости вращения и числа пар полюсов. Схемы соединения обмоток
13.3. Трехфазный асинхронный электродвигатель с короткозамкнутым ротором (АДК). Конструкция и принцип действия. Скольжение, ЭДС, сопротивления и ток ротора
13.4. Трехфазный АДК. Уравнения электрических цепей статора и ротора. Схема замещения АДК (урок с практической частью)
13.5. Трехфазный АДК. Электромагнитный момент и механическая характеристика. Пусковой момент (урок с практической частью)
13.6. Трехфазный АДК. Каталожные данные АДК. Формула Клосса и определение параметров АДК по каталожным данным (урок с практической частью)

14. Основы электропривода. Синхронные машины
14.1. Специальные конструкции асинхронных двигателей: с фазным ротором, с глубокопазным ротором, с массивным ротором. Взрывозащищенные двигатели
14.2. Уравнение динамического равновесия моментов. Механическая характеристика асинхронного двигателя. Пуск в ход и регулирование скорости асинхронных двигателей (урок с практической частью)
14.3. Понятие об электроприводе с асинхронными двигателями. Общие сведения о комплектном электроприводе
14.4. Трехфазные синхронные машины. Конструкция и принцип действия. Режимы работы. Уравнения электрического равновесия фаз статора синхронного генератора. Векторная диаграмма (урок с практической частью)
14.5. Основные свойства синхронного генератора при работе в электрической системе. Понятия о регулировочных характеристиках синхронного генератора
14.6. Трёхфазные синхронные двигатели. Уравнения электрического равновесия фаз статора. Электромагнитный момент и угловые характеристики
14.7. Трёхфазные синхронные двигатели. Пуск в ход и регулирование скорости. Вентильные двигатели

15. Коллекторные машины. Шаговые и вентильные двигатели
15.1. Конструкция и принцип действия коллекторных электрических машин. Режимы работы. Коллекторно-щеточный аппарат. Обмотка якоря
15.2. ЭДС и электромагнитный момент. Способы возбуждения машин постоянного тока. Свойство саморегулирования
15.3. Характеристика холостого хода генератора постоянного тока. Самовозбуждение генератора параллельного возбуждения. Внешние характеристики (урок с практической частью)
15.4. Механическая характеристика. Способы регулирования скорости вращения двигателя постоянного тока (урок с практической частью)
15.5. Шаговые и вентильные электрические двигатели. Конструкция и принцип действия
15.6. Электрические приводы с шаговыми и вентильными двигателями
15.7. Коллекторные машины переменного тока. Электроинструмент
15.8. Связь электротехники и электроники
15.9. Заключение по курсу «Практическая электротехника и её связь с онлайн-курсом»

ИСТОЧНИК

СКАЧАТЬ