Главная Учебники - Разные Лекции (разные) - часть 14
МИНИСТЕРСТВО ТРАНСПОРТА РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ МОСКОВСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ ГРАЖДАНСКОЙ АВИАЦИИ ________________________________________________________________ В.И. Кривенцев МЕТОДИЧЕСКИЕ УКАЗАНИЯ к изучению дисциплины «ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ ЭЛЕКТРОТЕХНИКИ» для студентов II курса специальности 201300 заочного обучения Москва - 2002 МИНИСТЕРСТВО ТРАНСПОРТА РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ МОСКОВСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ ГРАЖДАНСКОЙ АВИАЦИИ _______________________________________________________________ Кафедра электротехники и авиационного электрооборудования В.И. Кривенцев МЕТОДИЧЕСКИЕ УКАЗАНИЯ к изучению дисциплины «ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ ЭЛЕКТРОТЕХНИКИ» для студентов II курса специальности 201300 заочного обучения Москва - 2002 ББК 621.30 С19 Кривенцев В.И. Методические указания к изучению дисциплины «Теоретические основы электротехники» для студентов II курса специальности 201300 заочного обучения -М.: МГТУ ГА 2002 - 15 с. Данные методические указания издаются в соответствии с учебной программой для студентов II курса специальности 201300 заочного обучения. Рассмотрены и одобрены на заседаниях кафедры ЭТ и АЭО 2002 г. и методической комиссии факультета 2002 г. 1. УЧЕБНЫЙ ПЛАН ДИСЦИПЛИНЫ Дисциплина ТОЭ изучается на II курсе. Семестр III и IV Распределение учебных часов. Объем в часах работы с преподавателем: Всего часов : 22 часа ЛК - 10 ЛР - 12 Экзамен выполняется самостоятельно. 2. ЦЕЛИ И ЗАДАЧИ ДИСЦИПЛИНЫ ТОЭ 2.1. Цель преподавания дисциплины ТОЭ Цель дисциплины ТОЭ - дать студентам знания по теории электрических и магнитных цепей постоянного и переменного тока в установившихся и переходных режимах, привить навыки по проведению экспериментальных исследований и использованию методов расчета электрических цепей, заложить основы понимания электромагнитных явлений, наблюдаемых в процессе эксплуатации транспортного радиооборудования. «Теоретические основы электротехники» для радиоспециалистов являются базовой общетехнической (общепрофессиональной) дисциплиной, формирующей их электротехническое образование. Дисциплина основывается на знании студентами «Высшей математики» и «Физики». Знания в области «Теоретических основ электротехники» предопределяют уровень подготовки инженера в дисциплинах «Электроника», «Схемотехника», «Системы автоматического управления», «Радиотехнические цепи и сигналы», «Электродинамика и устройства СВЧ» и др., а также в таких специальных дисциплинах как «Электроприборное оборудование л.а.» и «Энергосиловое оборудование аэропортов» и др. 2.2. Задачи изучения дисциплины В результате изучения дисциплины студент должен знать : -методы анализа установившихся режимов в электрических цепях постоянного тока и магнитных цепях ; -методы анализа установившихся режимов в электрических цепях переменного синусоидального и несинусоидального тока ; -методы анализа переходных процессов в линейных электрических цепях ; -методы анализа цепей с распределенными параметрами. уметь : -производить расчет установившегося режима в линейных и нелинейных электрических цепях ; -производить расчет переходного процесса в линейных электрических цепях ; -использовать современные прикладные программы для расчета и моделирования электрических цепей. иметь представления : -о переходных процессах с распределенными параметрами ; -о цифровых (дискретных) цепях ; -о синтезе цепей. 2.3. Перечень дисциплин и разделов, усвоение которых необходимо студентам для изучения курса ТОЭ. Математика : -Векторная и линейная алгебра. -Дифференциальное исчисление. -Интегральное исчисление. -Ряды Фурье. Преобразование Фурье. -Преобразование Лапласа. Физика : -Электромагнитные свойства вещества. -Электромагнитные волны. Электропроводность. Информатика : -Составление алгоритмов. -Навыки использования прикладных программ на персональном компьютере. 3. ЛИТЕРАТУРА Основная литература 1. Бессонов Л.А. Теоретические основы электротехники ч. I и II- М.: Высшая школа , 1984 (1978). 2. Нейман Л.Р., Демирчян К.С. Теоретические основы электротехники. - Л.: Энергия, 1981. Дополнительная литература. 3. Шебес М.Р. Теория линейных электрических цепей в упражнениях и задачах.- М.: Высшая школа, 1982. 4. Сборник задач по ТОЭ. /Под редакцией Бессонова Л.А.- М.: Высшая школа, 1989. 5. Кривенцев В.И. Авиационная электротехника. Вып.1,2,3- М.: МИИГА, 1984,1986. 6. Кривенцев В.И. Бортовые электрические сети и цепи многофазного гармо-нического тока. Четырехполюсники и сигнальные графы -М.: МИИГА, 1987. 7. Кривенцев В.И. Анализ переходных процессов операторным методом. Расчет на ЭВМ.- М.: МИИГА, 1989. 8. Кривенцев В.И. Авиационная электротехника - М.: МИИГА, 1990,1991. 9. Кривенцев В.И., Артеменко Ю.П. Практимум по ТОЭ ч. I, ч. II, ч . III- М.: МИИГА, 1991,1992,1993. 4. ПРОГРАММА ДИСЦИПЛИНЫ ТОЭ И МЕТОДИЧЕСКИЕ УКАЗАНИЯ К ИЗУЧЕНИЮ РАЗДЕЛОВ ПРОГРАММЫ РАЗДЕЛ 1. ЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ И МАГНИТНЫЕ ЦЕПИ ПОСТОЯННОГО ТОКА Основные понятия, используемые в электрических цепях: ток, потенциал, напряжение - определения, единицы измерения. Основные элементы. Элемен-ты электрических цепей и их вольт-амперные характеристики, пассивные и ак-тивные элементы: сопротивление резистора, источники э.д.с. и тока. Законы Ома , Кирхгофа. Расчет цепей по законам Кирхгофа. Электрическая мощность. Закон Джоуля -Ленца. Условия отдачи в цепь максимальной мощности. Расчет цепей методом контурных токов и узловых потенциалов. Принцип и метод наложения в линейных цепях. Теорема взаимности. Преобразование цепей: последовательное, параллельное соединение резисторов. Соединение их звездой и треугольником и их взаимное преобразование. Теорема об эквива-лентном источнике электрической энергии. Топология цепей. Матричная фор-ма записи уравнений цепи. Линейные электрические цепи, содержащие кон-денсаторы. Нелинейные цепи постоянного тока. Примеры нелинейных элемен-тов и их вольт-амперных характеристик. Метод линеаризации ВАХ. Графоана-литический метод анализа нелинейных цепей. Преобразование ВАХ при по-следовательном и параллельном соединении нелинейных элементов. Метод зеркальных отображений. Магнитные цепи. Напряженность и индукция маг-нитного поля. Единицы измерения. Магнитные свойства вещества, кривая на-магничивания ферромагнитных материалов. Магнитный поток и магнитное на-пряжение. Магнито-движущая сила (м.д.с.) Законы для магнитных цепей. Ана-логия магнитных и электрических цепей. Методы анализа магнитных цепей. Методические указания к изучению раздела 1
Литература :[ I ] с. 5...42, [ 3 ] с. 8...67, [ I ] с. 330...345 и с. 345...367, [ 4 ] с. 380...399 и с. 406...407. Основные вопросы раздела: основные понятия, характеристики линейных и нелинейных резисторов их вольт-амперные характеристики (ВАХ). Закон Ома для резистора и для участка цепи с двумя элементами пассивным и активным. Законы Кирхгофа и его формы выражения. Мощность и баланс мощностей, методы расчета цепей по законам Кирхгофа, методы контурных токов, наложения и узловых потенциалов. Основы преобразования линейных цепей: способы соединения резисторов, метод двух узлов, преобразование треугольника резисторов в звезду и обратное преобразование. Метод эквивалентного источника электрической энергии. Следует уделить внимание решению задач по всем изучаемым методам анализа цепей. По нелинейным цепям: значения ВАХ нелинейных цепей в целях применения их к анализу цепей. По теме магнитных цепей: свойства ферромагнитных сред, их характеристики, единицы измерения магнитных величин, методы анализа магнитных цепей по законам Ома и Кирхгофа на основе принципа аналогии нелинейных электрических и магнитных цепей. Цепи с постоянными магнитами. Примеры применения магнитных цепей с постоянными магнитами в авиационной технике. Вопросы по разделу 1
1. Сформулируйте закон Ома для резистора и для участка цепи, содержащей резистор и активный элемент источника э.д.с. и тока. 2. Сформулируйте закон Кирхгофа первый и второй ( две формы). Порядок расчета цепей по законам Кирхгофа. 3. Составьте уравнения по методам контурных токов наложения и узловых потенциалов. 4. Особенности составления уравнений по методам контурных токов и узловых потенциалов с источниками токов. 5. Получите формулу по методу двух узлов. 6. Правила расчета эквивалентного сопротивления при соединении резисторов последовательным, параллельным и смешанным способами. 7. Каково условие отдачи максимальной мощности от источника электрической энергии. 8. Определение параметров эквивалентного источника электрической энергии, исходя из метода холостого хода и короткого замыкания. 9. Что такое статическое и дифференциальное сопротивление. 10. Способ линеаризации ВАХ НЭ и в каком случае он применим. 11. Построение результирующих ВАХ НЦ при последовательном, параллельном и смешанном соединении НЭ в цепи. 12. Преобразование НЭ и активного элемента в одно эквивалентное соединение. 13. Связь между индукцией и напряженностью магнитного поля. 14. Магнитная проницаемость среды. 15. Описать магнитное поле, создаваемое линейным проводником с током и тором. 16. Изобразите петлю гистерезиса для ферромагнитного материала, отметьте начальную и основную кривые намагничивания, восходящую и нисходящую ветви петли, остаточную индукцию и коэрцетивную силу. 17. Спинка петли гистерезиса, частный цикл и прямая возврата на примере петли магнитотвердого материала. 18. Что такое магнитное напряжение, магнитный поток и магнитное сопротивление ? 19. В чем состоит аналогия между магнитной и электрической цепями? 20. Сформулируйте законы Кирхгофа для магнитных цепей. 21. Как определить магнитный поток в простой и разветвленной магнитной цепи при заданных МДС и свойствах материала магнитных сердечников ? 22. В чем состоит особенность расчета цепей с постоянными магнитами? РАЗДЕЛ 2. ЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ ЦЕПИ ПЕРЕМЕНОГО СИНУСОИДАЛЬНОГО И НЕСИНУСОИДАЛЬ- НОГО ТОКА Параметры синусоидального процесса: амплитуда, угловая частота, начальная фаза. Мгновенное, действующее и среднее значение переменного тока. Элементы электрических цепей переменного тока: активное сопротивление, катушка индуктивности, конденсатор, соотношение между мгновенным током и напряжением самоиндукции, ее учет при появлении напряжения на индуктивной катушке. Активное, реактивное и полное сопротивление цепи синусоидальному току. Мгновенная мощность в цепи переменного тока. Активная, реактивная и полная мощность. Треугольник сопротивлений и мощностей. Измерение мощности при помощи ваттметра. Расчет простых цепей синусоидального тока по действующим значениям. Изображение синусоидального процесса комплексным вращающимся вектором. Комплексное сопротивление и проводимость. Законы Кирхгофа в символической форме. Символический метод анализа разветвленных цепей синусоидального тока. Особенности применения символического метода в индуктивно-связанных цепях. Векторные и топографические диаграммы. Понятие о трехфазных цепях. Резонансные явления: резонанс напряжений в последовательном LC- контуре , условия резонанса, векторная диаграмма. Резонанс токов в параллельном LC- контуре , условия резонанса и векторная диаграмма. Понятие резонансной частоты, добротности и волнового сопротивления контура. Частотные свойства цепей. Четырехполюсники. Разложение периодической кривой в ряд Фурье. Разложение функции, заданной непрерывно и конечным количеством отсчетов: дискретное преобразование Фурье. Расчет цепей при несинусоидальных токах. Понятие об электрических фильтрах. Методические указания к разделу 2
Литература : [ 1 ] с. 58...108, с. 141-159, с. 159...180; [ 3 ] с. 70...202, с. 425...466, с. 213...221, с. 230...253. В теории цепей переменного тока основным является следующее: законы Кирхгофа, поведение пассивных элементов r, L и C в цепи с идеальным источником э.д.с. Явление взаимной индукции. Важным является освоение символического (комплексного) метода расчета цепей синусоидального тока. Построение векторных и топографических диаграмм. Особое значение имеет понимание возникновения резонансных явлений в последовательном и параллельном LC контурах. Следует изучить теорию и методы расчета цепей посредством четырехполюсников. Многофазные цепи -суть их образования. Соотношение в трехфазных цепях. Мощность трехфазной нагрузки. Соединение обмоток источника многофазных э.д.с. и нагрузок звездой и треугольником. Для расчета цепи с несинусоидальными источниками э.д.с. и тока важным является разложение периодической э.д.с. в ряд Фурье дискретным методом. Важно представлять, что при расчете линейных цепей с несинусоидальным источником э.д.с используется метод наложения: токи определяются от каждой гармоники э.д.с. отдельно символическим методом, затем от символического изображения тока переходят к мгновенным значениям, затем токи складываются алгебраически и решение получают в форме гармонического ряда Фурье. Контрольные вопросы по разделу 2
1. Сформулируйте закон электромагнитной индукции. 2. Каковы соотношения между амплитудным, действующим и средним значением синусоидального тока или напряжения? 3. Как определить сдвиг по фазе между напряжением и током для активного, реактивно-индуктивного и реактивно-емкостного сопротивлений? 4. Порядок составления уравнений по законам Кирхгофа для цепей с индуктивными связями, как осуществляется развязка индуктивных связей, как учитывается мощность, переносимая через индуктивные связи? 5. Что такое треугольник сопротивлений и мощностей, как изобразить их? 6. Как изобразить вращающимся комплексным вектором синусоидальный ток? 7. Как осуществляется переход от синусоидального тока или напряжения к комплексным изображениям? Как осуществляется переход от комплексных действующих значений тока и напряжения к их мгновенным значениям. 8. Как определить разность начальных фаз для тока и напряжения для элемента цепи? 9. Что такое векторная и топографическая диаграмма? Каково их значение? 10. Поясните правило развязки индуктивных связей. 11. Как учесть в уравнении баланса мощностей переносимые мощности за счет индуктивной связи ветвей цепи? 12. Дайте определение и граничные условия резонанса в последовательном и параллельном LC- контурах? 13. Что такое собственная резонансная частота и добротность контура, полоса пропускания LC -контура, его частотная характеристика? 14. Запишите уравнения пассивного четырехполюсника в Z- форме, А- форме, Y- форме и в гибридной форме. 15. Что такое входные и характеристические сопротивления четырехполюсника? 16. Что такое коэффициент передачи четырехполюсника, какими составляющими он характеризуется и в каких единицах они измеряются? 17. Каскадное, последовательное и параллельное включение четырехполюсников. 18. Как определить коэффициенты четырехполюсника для Т- образной и П- образной схем замещения? 19. Что называется симметричной многофазной системой э.д.с.? 20. Каковы соотношения между фазными и линейными напряжениями и токами при соединении фаз Y и D? 21. Как определить напряжение смещения нейтрали нагрузки при соединении обмотки генератора и нагрузки в Y? РАЗДЕЛ 3. ПЕРЕХОДНЫЕ ПРОЦЕССЫ В ЛИНЕЙНЫХ ЦЕПЯХ Законы коммутации, начальные условия, порядок определения независимых и зависимых начальных условий. Принужденные и свободные составляющие переходного процесса. Классический метод анализа переходных процессов в цепях с одним реактивным элементом. Постоянная времени. Классический метод анализа переходных процессов в цепях с двумя реактивными элементами: случай апериодического и колебательного процессов. Порядок составления характеристического уравнения и определения постоянных интегрирования в задачах второго порядка. Особенности применения классического метода в цепях более высокого порядка. Преобразования Лапласа. Операторные сопротивления и внутренние э.д.с. Переход от операторного изображения к оригиналу. Законы Кирхгофа в операторной форме. Операторный метод анализа переходных процессов в разветвленных цепях. Понятие передаточной функции цепи. Типовые воздействия на цепь: единичная ступенчатая функция и импульсная б- функция. Реакция цепи на типовые воздействия : переходная и импульсная переходные функции. Интеграл Дюамеля. Анализ реакции цепи на произвольное воздействие с помощью Дюамеля. Связь между переходными и передаточными функциями. Интеграл Фурье. Частотный метод анализа переходных процессов. Понятие о дискретных цепях, Z - преобразование. Методические указания к разделу 3
Литература : [ 1 ] с. 180...266 , [ 3 ] с. 268...362. К основным вопросам раздела относятся следующие: классический метод анализа переходных процессов и операторный. Общими положениями этих методов являются: законы коммутации и начальные условия. Важно освоить алгоритмы анализа классическим и операторным методом переходных процессов в линейных цепях. В классическом методе последовательность анализа следующая : определение начальных независимых условий до коммутации, нахождение установившихся переменных, составление характеристического уравнения, определение зависимых начальных условий, вычисление постоянных интегрирования. В операторном методе - составление эквивалентной операторной схемы с учетом внутренних э.д.с., составление уравнений для операторных токов по законам Кирхгофа в операторной форме, решение этих уравнений относитель-но искомых операторных переменных , приведение решения к рациональной дроби вида N(р)/M(р). Переход от операторного выражения переменной к ее оригиналу по формуле разложения или по таблицам соответствия. Анализ переходных процессов в цепи при подаче импульса напряжения в произвольной форме в классическом методе реализуется посредством применения интеграла Дюамеля. Иметь представление о частотном методе анализа переходных процессов через связь между преобразованием по Лапласу и Фурье. Контрольные вопросы по разделу 3
1. Сформулируйте законы коммутации. 2. Что такое независимые и зависимые начальные условия и как их определить? 3. Последовательность расчета переходных процессов классическим методом. 4. Как определить характер переходного процесса по корням характеристического уравнения: апериодический или колебательный? 5. Как определить принужденные и свободные составляющие переменные переходного процесса? 6. Как определить постоянные интегрирования? 7. В каком случае можно получить характеристические уравнения по входному сопротивлению цепи? 8. Последовательность анализа переходного процесса при подаче в цепь импульса сложной формы. 9. Последовательность анализа переходных процессов операторным методом. 10. Правила перехода от операторного изображения переменной к ее оригиналу. 11. Особенности анализа п.п. операторным методом в случае действия в цепи синусоидальной э.д.с. 12. Что такое спектральная плотность функции и как ее получить по ее операторному изображению? 13. Как получить амплитудно-фазовые частотные характеристики функции? РАЗДЕЛ 4. ЦЕПИ С РАСПРЕДЕЛЕННЫМИ ПАРАМЕТРАМИ Однородная линия с распределенными параметрами, первичные параметры линии. Дифференциальные уравнения для мгновенных значений и в символической форме. Решения для гармонических сигналов: падающие и отраженные волны. Волновое сопротивление и постоянная распространения. Уравнения линии как четырехполюсника. Линии без потерь. Входное сопротивление линии в режимах к.з. и х.х., согласованной и несогласованной нагрузки. Способы согласования линии и нагрузки: согласование с помощью четвертьволнового трансформатора, согласование линии с помощью шлейфа. Методические указания к изучению раздела 4
Литература: [ 1 ] с. 289...314, [ 3 ] c. 363...402. Основные вопросы по каждому разделу: однородная линия с распределенными параметрами и ее дифференциальные уравнения, волновое сопротивление, постоянная распространения, прямая и отраженная волны тока и напряжения, коэффициент отражения, фазовая скорость, длины волны, линия без искажений, линия без потерь и ее уравнения, входное сопротивление, стоячие волны при х.х. и к.з. Согласование линии с нагрузкой. Контрольные вопросы по разделу 4
1. Что такое продольные и поперечные удельные параметры линии? 2. Получите дифференциальные уравнения однородной линии с распределенными параметрами. 3. Что такое постоянная распространения и ее составляющие коэффициента ослабления и фазы? 4. Прямая и отраженные волны напряжения и тока и их уравнения. 5. Как получить линию без искажения? 6. Линия с согласованной нагрузкой. 7. Линия без потерь и ее уравнения. 8. Входное сопротивление линии без потерь. 9. Режим х.х. и к.з. линии без потерь, уравнения стоячих волн. 5. Лабораторные занятия
Перечень лабораторных работ. 5.1. Исследование установившихся процессов в цепи синусоидального тока - - 4 часа (Раздел 2) Цель работы : экспериментально проверить законы Ома и Кирхгофа: по приборам, включенным в электрическую цепь, рассчитать параметры цепи, построить векторные диаграммы для последовательного и параллельного соединения, исследовать резонансные явления ( последовательный и параллельный резонансы). 5.2. Исследование явления взаимоиндукции - 2 часа Цель работы: экспериментальное исследование явления взаимоиндукции в цепи переменного тока, определение коэффициента взаимной индукции для двух индуктивно-связанных катушек. 5.3. Исследование переходных процессов при разряде конденсатора - 4 часа (Раздел 4) Цель работы : ознакомление с иллюстрацией переходного процесса в лабораторных условиях и установление факторов, определяющих характер и продолжительность переходного процесса. 5.4. Исследование линии с распределенными параметрами - 2 часа (Раздел 5) Цель работы: по распределению напряжения вдоль линии экспериментально определить распределенные параметры линии. 6.
выполняется по разделам 1,2,3 и включает три задания: -расчет цепей постоянного тока; -расчет цепей переменного синусоидального тока; -расчет переходного процесса. Методические указания к выполнению курсовой работы
оформляется на стандартных листах, рисунки для электрических схем, графиков и диаграмм выполняются в соответствии с требованиями ЕСКД. В конце работы приводится список использованной литературы, ссылки на который выполняются в соответствии с требованиями ЕСКД. При составлении настоящих методических указаний использованы следующие материалы: Ю.П. Артеменко Рабочая программа дисциплины. Теоретические основы электротехники по специальности 201300-М.: 2001. Е.Ж. Сапожникова , Г.И. Мачуло ТОЭ МУ к изучению дисциплины для студентов II и III курсов спец. 19.04 заочного обучения-М.: МИИГА, 1993. СОДЕРЖАНИЕ 1. Учебный план дисциплины...............................................…................................ 3 2. Цели и задачи дисциплины ТОЭ.....................................................................….. 3 2.1. Цель преподавания дисциплины ТОЭ..................................................... 3 2.2. Задачи изучения дисциплины..............................................................… 3 2.3. Перечень дисциплин и разделов, усвоение которых необходимо студентам для изучения курса ТОЭ....................................................…. 4 3. Литература..........................................................................………………....……. 4 4. Программа дисциплины ТОЭ и методические указания к изучению разде- лов программы...................................................................................................……. 5 5. Лабораторные занятия.......................................................................................... 12 6. .................................................................................................... 13
|