МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ РЕСПУБЛИКИ КАЗАХСТАН КАЗАХСКИЙ НАЦИОНАЛЬНЫЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ ИМ. К.И. САТПАЕВА Институт информационных и телекоммуникационных технологий Кафедра электротехники ПРОГРАММА КУРСА (SYLLABUS) По дисциплине « Электротехника » для специальности 5В072400 «Технологические машины и оборудование нефтяной и газовой промышленности» Форма обучения - дневная Всего 3 кредита Курс 2 Семестр 3 Лекций 30 часов Лабораторные занятия 15 часов Рубежный контроль 2 (количество) СРС 45 часов СРСП в аудитории 15 часов СРСП в офисе 30 часов Всего аудиторных часов 60 Всего внеаудиторных 75 часов Трудоемкость 135 Экзамен 3 семестр АЛМАТЫ 2014 1 Программа курса составлена Мещеряковой Т.Ю.- доцентом, к.т.н, на основании Госстандарта ГОСО РК 3.08.082 -2004 и приказа министерства образования и науки Республики Казахстан от 7.08.04 №671 Сведения о преподавателе: Мещерякова Татьяна Юрьевна, к.т.н., доцент, окончила физический факультет Казахского национального университета, общий стаж составляет 38 лет, из них 19 лет в КазНТУ, опубликовала свыше 50 трудов Офис: кафедра Электротехники Адрес: 480013, г. Алматы, Сатпаева 22, ГМК, ком. 152 Тел.: 92-48-04 2 1 Цели и задачи дисциплины, ее место в учебном процессе 1.1 Цель преподавания дисциплины Курс «Электротехника» занимает важное место среди общетехнических дисциплин, определяющих теоретический уровень профессиональной подготовки специалистов в современной системе обучения. Главной целью преподавания дисциплины «Электротехника» является овладение студентами знаний об электрических и магнитных явлениях и их использовании для практических целей. Данная дисциплина является базовой для понимания процессов автоматизации различного производственного оборудования, в которых широко используются электротехнические и электронные устройства. Курс «Электротехника» обеспечивает комплексную подготовку будущих специалистов: высокий профессиональный уровень, развитие творческих способностей, умение формулировать и решать на высоком научном уровне проблемы изучаемой специальности, умение творчески применять и самостоятельно повышать свои знания. 1.2 Задачи изучения дисциплины. Задачи изучения дисциплины вытекают из требования к знаниям и умениям будущих специалистов в соответствии с государственным стандартом высшего базового образования (бакалавриат). В результате изучения дисциплины «Электротехника» студенты должны знать: - основные понятия и определения, фундаментальные законы, используемые в электротехнике, свойства и характеристики электрических и магнитных цепей; -методы расчета трехфазных цепей; - устройство, принцип работы, характеристики и методы исследования трансформаторов; -устройство, принцип работы и характеристики электрических машин в качестве генератора и двигателя; уметь: - уметь рассчитывать электрические цепи аналитическим и численным методами, выбирать наилучший оптимальный метод расчета, определять основные характеристики электрической цепи и давать физическое обоснование полученным результатам; - включать электротехнические приборы, аппараты и машины, управлять ими и контролировать их эффективную и безопасную работу; -применять знания, полученные по данной дисциплине на практике для успешного решения задач будущей специальности; -применять современные программные средства и компьютерные технологии. Изучению дисциплины «Электротехника» предшествуют курсы таких и фундаментальных наук, как физика и математика. Из курса математики студенты должны усвоить следующие разделы: решение систем линейных 3 алгебраических уравнений, теория комплексных чисел, основы дифференциального интегрального исчисления, векторная алгебра. Из курса физики – электростатическое поле, постоянный электрический ток, магнитное поле, электромагнитная индукция, магнитные свойства вещества. 1.3 Пререквизиты: физика, математика. 1.4 Постреквизиты: электрические и магнитные устройства, охрана труда и техника безопасности на предприятиях, стандартизация, сертификация и измерительная техника. 2 Система оценки знаний студентов По кредитной технологии обучения для всех курсов и по всем дисциплинам Казахского национального технического университета имени К.И.Сатпаева применяется рейтинговый контроль знаний студентов. Сведения об оценке знаний осуществляются по балльно-рейтинговой системе в виде шкалы, где указываются все виды контроля Распределение рейтинговых % по видам контроля Таблица 1 № 1. Вид итогового контроля Экзамен Виды контроля Итоговыйконтроль Рубежныйконтроль Текущий контроль % 100 100 100 Сроки сдачи результатов текущего контроля определяются календарным графиком учебного процесса по дисциплине (таблица 2) Календарный график сдачи всех видов контроля по дисциплине «Электротехника» Таблица 2 Недели 1 2 3 4 ТК Л1 Л2 Л3 Виды контроля Нед.кол.контр. 1 1 1 1 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 Л4 СР №1 ТК РК ТК Л5 ТК Л6 Л7 СР №2 РК 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 Виды контроля:, Л – лабораторная работа, СР- семестровая работа, РКрубежный контроль, ТК- текущий контроль. Студент допускается к сдаче итогового контроля при наличии суммарного рейтингового % >50. Итоговый контроль считается сданным в случае набора >50%. Итоговая оценка по дисциплине определяется по шкале (таблица 3). 4 Оценка знаний студентов Таблица 3 Оценка Отлично Хорошо Удовлетворительно Неудовлетворительно Буквенный эквивалент А АВ+ В ВС+ С СD+ D F В процентах, % В баллах 95-100 90-94 85-89 80-84 75-79 70-74 65-69 60-64 55-59 50-54 0-49 4 3.67 3,33 3 2,67 2,33 2 1,67 1,33 1 0 3. Содержание дисциплины 3.1 Распределений часов по видам занятий Таблица 4. № 1 2 3 4 5 6 Наименование темы Количество академических часов Лекция Лаб. СРСП СРС заняти я Линейные электрические цепи постоянного тока 2 3 3 3 Основные понятия и определения. Законы Ома и Кирхгофа. Эквивалентные преобразования электрических 2 3 3 цепей. Потенциальная диаграмма. Баланс мощностей. Режимы работы источников питания. Применение законов Ома и Кирхгофа для расчета электрических цепей. Методы расчета сложных электрических цепей: метод контурных токов, метод наложения, метод эквивалентного генератора, метод узлового напряжения. Получение синусоидального тока. Основные характеристики синусоидального тока. Элементы электрической цепи синусоидального тока. Цепь с резистивным, индуктивным и емкостным элементами. 2 Законы Ома и Кирхгофа для цепи синусоидального тока. Мощности в цепи переменного синусоидального тока Резонанс напряжений, условие его возникновения и практическое значение. Представление синусоидальных величин в 2 5 2 2 2 2 3 3 3 3 3 3 3 3 7 8 9 10 11 12 13 14 15 комплексной форме. Законы Ома и Кирхгофа в комплексной форме. Комплекс полной мощности Параллельное соединение потребителей. Проводимости в цепи переменного тока. Закон Ома через проводимости. Резонанс токов. Получение трехфазной системы ЭДС. Основные понятия и определения трехфазных цепей. Расчет трехфазных потребителей, собранных по схеме «звезда» и «треугольник». Мощности в трехфазной цепи. Устройство и принцип работы трансформатора. Электрические уравнения трансформатора. Векторная диаграмма трансформатора Приведенный трансформатор. Схема замещения трансформатора. Режимы работы трансформатора Мощность потерь и КПД трансформатора. Автотрансформатор. Трехфазный трансформатор. Трехфазный асинхронный двигатель Механическая и рабочие характеристики асинхронного двигателя Электрические машины постоянного тока Всего: 2 2 3 2 3 3 3 2 2 3 3 2 2 3 33 2 3 3 2 3 3 3 3 3 3 3 3 2 2 2 2 30 15 45 45 3.2 Содержание лекций Лекция 1. Линейные электрические цепи постоянного тока. Основные понятия и определения. Законы Ома и Кирхгофа. Введение. Определение элементов электрической цепи. Условные изображения элементов и классификация электрических цепей. Топологическая структура электрической цепи. Законы Ома и Кирхгофа. Лекция 2. Баланс мощностей Потенциальная диаграмма. Эквивалентные преобразования электрических цепей. Режимы работы источников питания. Применение законов Ома и Кирхгофа для расчета электрических цепей. Определение мощности источника и мощности потребителя. Уравнение баланса мощностей электрической цепи. Распределение потенциала в неразветвленной электрической цепи. График зависимости распределения потенциала электрической цепи от сопротивления участков этой цепи. Эквивалентные преобразования участков с последовательным, параллельным и смешанным соединением сопротивлений. Эквивалентные преобразования соединения элементов «звездой» в «треугольник». Режимы работы источников питания: режим холостого хода, режим короткого замыкания, самосогласованный и номинальный режим. График внешней характеристики. 6 Применение закона Ома и законов Кирхгофа для расчета электрических токов. Лекция 3.Методы расчета сложных электрических цепей: метод контурных токов, метод наложения, метод эквивалентного генератора, метод узлового напряжения. Определение контурных токов. Составление и решение системы уравнений по второму закону Кирхгофа для контурных токов. Принцип наложения. Определение расчетных схем и частичных токов. Расчет токов методом наложения. Активный двухполюсник, напряжение холостого хода, входное сопротивление. Расчет тока в исследуемой ветви методом эквивалентного генератора. Особенности применения метода узлового напряжения. Расчет токов в электрических цепях методом узлового напряжения. Лекция 4. Получение синусоидального тока. Основные характеристики синусоидального тока. Элементы электрической цепи синусоидального тока. Цепь с резистивным, индуктивным, емкостным элементами. Определение переменного тока. Внедрение переменного тока в практику. Получение переменного синусоидального тока. Мгновенное, амплитудное и действующее значение переменного тока. Основные характеристики синусоидального тока: амплитуда, частота, угловая частота, период. Построение векторной диаграммы. Цепь синусоидального тока с резистивным, индуктивным, емкостным элементом. Схемы замещения, временные графики напряжения и тока, векторные диаграммы, сопротивления. Закон Ома для каждого элемента R, L, C в отдельности. Лекция 5. Законы Ома и Кирхгофа для цепи синусоидального тока. Мощности в цепи переменного синусоидального тока Резонанс напряжений, условие его возникновения и практическое значение. Анализ электрического состояния цепи с последовательным соединением элементов R, L, C .Активное, реактивное и полное сопротивления цепи синусоидального тока. Векторные диаграммы. Сложение и вычитание векторов. Фазовые соотношения между токами и напряжениями. Треугольник напряжений и сопротивлений. Мощности в цепи переменного тока. Активная, реактивная, полная мощности в цепи синусоидального тока. Единицы измерений мощностей. Треугольник мощностей. Коэффициент мощности и его практическое значение. Уравнения баланса мощностей. Резонанс напряжений, условие его возникновения и практическое применение. Лекция 6. Представление синусоидальных величин в комплексной форме. Законы Ома и Кирхгофа в комплексной форме. Комплекс полной мощности. Изображение векторных величин аналитически: в виде комплексных чисел, в тригонометрической и показательной форме. Закон Ома в комплексной 7 форме для резистора, катушки индуктивности и конденсатора. Комплекс полного сопротивления. Закон Ома в комплексной форме для электрической цепи с последовательным соединением резистора, катушки индуктивности и конденсатора. Комплекс полной мощности. Законы Кирхгофа в комплексной форме. Лекция 7. Параллельное соединение потребителей. Проводимости в цепи переменного тока. Закон Ома через проводимости. Резонанс токов. Расчет электрической цепи переменного тока с параллельным соединением потребителей графоаналитическим методом. Активная и реактивная составляющие тока.. Определение и вывод формул активной, реактивной и полной проводимостей в цепи переменного синусоидального тока. Треугольник проводимостей. Закон Ома через проводимости Резонанс токов, условие его возникновения и практическое применение. Лекция 8.Основные понятия и определения трехфазных цепей. Схемы соединения трехфазных цепей. Соотношения между линейными и фазными напряжениями и токами. Получение трехфазной системы ЭДС. Несвязанная трехфазная система электрических цепей. Соединение обмоток генератора по схеме «звезда» и «треугольник». Фазные и линейные напряжения, связь между ними. Векторные диаграммы фазных и линейных напряжений. Топографическая диаграмма. Лекция 9.Расчет трехфазных потребителей, собранных по схеме «звезда» и «треугольник». Мощности в трехфазной цепи Соединение элементов трехфазной цепи звездой. Соотношения между фазными и линейными напряжениями при симметричной нагрузке. Векторная диаграмма токов и напряжений в цепи. Расчет трехфазной цепи с несимметричной нагрузкой элементов, соединенных звездой. Векторная диаграмма цепи, назначение нейтрального провода. Расчет трехфазных потребителей, собранных по схеме «треугольник». Активная, реактивная и полная мощности трехфазной симметричной системы. Измерение активной мощности трехфазной системы. Лекция 10. Трансформатор. Устройство и принцип работы трансформатора. Электрические уравнения трансформатора. Векторная диаграмма трансформатора. Лекция 11.Приведенный трансформатор. Схема замещения трансформатора. Режимы работы трансформатора Лекция 12. Потери энергии и КПД трансформатора. Автотрансформатор. Трехфазный трансформатор. Технические данные трансформатора. Трехфазный трансформатор: схемы и группы соединения обмоток трехфазного трансформатора, технические данные трансформатора Лекция 13.Трехфазный асинхронный двигатель. Устройство и принцип работы трехфазного асинхронного двигателя. Вращающееся магнитное поле. Скольжение. Частота тока ротора, реверсация. 8 Лекция 14. Механическая и рабочие характеристики асинхронного двигателя. Потери энергии и КПД асинхронного двигателя. Пуск двигателя. Регулировка частоты вращения асинхронного двигателя. Лекция 15. Машины постоянного тока. Устройство и принцип работы машин постоянного тока. Работа машины в режиме генератора. Способы возбуждения генераторов. Характеристики генераторов. Двигатель постоянного тока. Пуск двигателя. Характеристики двигателей. Регулировка частоты вращения. 3.3 Содержание лабораторных занятий № 1 2 3 4. 5. Название лабораторной работы и ее содержание Кол-во акад. часов Исследование цепи постоянного тока с применением законов 3 Кирхгофа. Цель работы: провести опытную проверку законов Ома и Кирхгофа в линейных электрических цепях постоянного тока, приобрести навыки экспериментального определения значений токов и напряжений, научиться строить и анализировать графики потенциальных диаграмм. Исследование электрической цепи постоянного тока методом 2 наложения. Цель работы: исследовать сложную электрическую цепь с двумя источниками энергии, опытным и расчетным путем проверить справедливость метода наложений, научиться составлять уравнения энергетического баланса. Исследование неразветвленной цепи синусоидального тока. 2 Резонанс напряжений. Цель работы: исследование электрической цепи синусоидального тока при последовательном соединении индуктивной катушки и конденсатора, научиться по опытным данным строить векторные диаграммы токов и напряжений, определять параметры электрической цепи, уметь устанавливать резонанс напряжений. Исследование разветвленной цепи синусоидального тока. Резонанс 2 токов Цель работы: исследование электрической цепи синусоидального тока при параллельном соединении реальной индуктивной катушки и конденсатора. Научиться по опытным данным строить векторные диаграммы токов и напряжений, определять электрические параметры цепи. Понимать и уметь устанавливать резонанс токов в рассматриваемой цепи. Исследование трехфазных потребителей, соединенных звездой и 2 треугольником. Цель работы: исследование трехпроводной и четырехпроводной трехфазной электрической цепи при соединении симметричных и несимметричных потребителей звездой и треугольником, научиться строить векторные и топографические диаграммы по экспериментальным данным при различных режимах работы трехфазной цепи. 9 6. 7. Испытание однофазного трансформатора Цель работы: Изучить устройство и принцип действия трансформатора. Уметь по опытным данным определять необходимые технические параметры трансформатора. Исследование трехфазного асинхронного двигателя с короткозамкнутым ротором. Цель работы: Изучить устройство и принцип работы трехфазного асинхронного двигателя с короткозамкнутым ротором. Уметь по опытным данным определить необходимые технические параметры асинхронного двигателя. 2 2 3.4 Планы занятий в рамках самостоятельной работы студентов под руководством преподавателя (СРСП). 1. Расчет линейных электрических цепей с применением законов Ома и Кирхгофа 2. Расчет линейных электрических цепей методом контурных токов 3. Расчет линейных электрических цепей методом эквивалентного генератора. 4.Составление уравнения баланса мощностей. 5.Построение графика потенциальной диаграммы. 6. Подготовка РГР№1 к сдаче и защите. 7. Сдача и защита РГР№1. 8. Основные понятия и определения электрических цепей синусоидального тока. Закон Ома для цепи переменного тока. Закон Ома в комплексной форме. 9. Расчет однофазных потребителей. 10. Расчет трехфазных потребителей, соединенных звездой. 11.Расчет трехфазных потребителей, соединенных треугольником. 12.Определение токов в линейных проводах. Построение общей диаграммы токов и напряжений. 13.Определение показаний ваттметров и составление баланса активных мощностей. 14.Подготовка РГР№2 к сдаче и защите. 15.Сдача и защита РГР21. 3.5 Планы занятий в рамках самостоятельной работы студентов (СРС). 1. Изучение источников и потребителей электрической энергии постоянного тока. Расчет простейших электрических цепей с одним источником 2. Изучение режимов работы источников питания. 3. Расчет электрической цепи методом наложения и узлового напряжения. 4. Анализ электрической цепи синусоидального тока с индуктивным, резистивным или емкостным элементом Расчет цепи синусоидального тока с реальной катушкой индуктивности. 10 5. Расчет цепи синусоидального тока при последовательном соединении элементов 6. Расчет комплекса полной мощности. 7. Расчет электрической цепи при параллельном соединении приемников. 8. Изучение особенностей резонансов в электрических цепях. 9.Расчет трехфазных потребителей с симметричной нагрузкой. 10.Исследование аварийных режимов в трехфазных цепях. 11. Расчет и измерение мощностей в трехфазных цепях 12. Электрические измерения и приборы. 13. Трансформаторы специального назначения. 14.Двигатель постоянного тока. 15.Пуск двигателя. Регулировка частоты вращения. 4 График проведения занятий Таблица 6 № Дата Время Наименование тем Лекции 1. 2. 3. 4. 5. 6. Линейные электрические цепи постоянного тока Основные понятия и определения. Законы Ома и Кирхгофа. Эквивалентные преобразования электрических цепей. Потенциальная диаграмма. Баланс мощностей. Режимы работы источников питания. Применение законов Ома и Кирхгофа для расчета электрических цепей. Методы расчета сложных электрических цепей: метод контурных токов, метод наложения, метод эквивалентного генератора, метод узлового напряжения. Получение синусоидального тока. Основные характеристики синусоидального тока. Элементы электрической цепи синусоидального тока. Цепь с резистивным, индуктивным и емкостным элементами Законы Ома и Кирхгофа для цепи синусоидального тока. Мощности в цепи переменного синусоидального тока Резонанс напряжений, условие его возникновения и практическое значение. Представление синусоидальных величин в комплексной форме. Законы Ома и Кирхгофа в 11 7. 8. 9. 10. 11. 12. 13. 14. 15. комплексной форме. Комплекс полной мощности Параллельное соединение потребителей. Проводимости в цепи переменного тока. Закон Ома через проводимости. Резонанс токов. Основные понятия и определения трехфазных цепей. Схемы соединения трехфазных цепей. Соотношения между линейными фазными напряжениями и токами. Расчет трехфазных потребителей, собранных по схеме «звезда» и «треугольник». Мощности в трехфазной цепи. Устройство и принцип работы трансформатора. Электрические уравнения трансформатора. Векторная диаграмма трансформатора. Приведенный трансформатор. Схема замещения трансформатора. Режимы работы трансформатора. Потери энергии и КПД трансформатора. Автотрансформатор. Трехфазный трансформатор Трехфазный асинхронный двигатель.Устройство и принцип работы трехфазного асинхронного двигателя. Вращающееся магнитное поле. Скольжение. Частота тока ротора, реверсирование. Механическая и рабочие характеристики асинхронного двигателя Потери энергии и КПД асинхронного двигателя. Пуск двигателя. Регулировка частоты вращения асинхронных двигателей Машины постоянного тока. Устройство и принцип работы машин постоянного тока. Работа машины в режиме генератора. Способы возбуждения генераторов. Характеристики генераторов. Двигатель постоянного тока. Пуск двигателя. Характеристики двигателей. Регулировка частоты вращения. Лабораторные занятия 1 2 3 Исследование цепи постоянного тока с применением законов Кирхгофа. Исследование электрической цепи постоянного тока методом наложения Исследование неразветвленной цепи 12 4 5 6 7 синусоидального тока. Резонанс напряжений Исследование разветвленной цеписинусоидального тока.Резонанс токов Исследование трехфазных потребителей, соединенных звездой Испытание однофазного трансформатора Исследование трехфазного асинхронного двигателя с короткозамкнутым ротором. Список литературы Основная литература 1. Электротехника/Под ред. В.Г. Герасимова.-М: Высшая школа, 1985. 2. Касаткин А.С., Немцов М.В. Электротехника.- М: Энергоатомиздат, 2003. 3. Борисов.Ю.М., Липатов Д.Н., Зорин Ю.Н. Электротехника. – М: Энергоатомиздат, 1985. 4. Волынский Б.А., Зейн Е.Н., Шатерников В.Е. Электротехника.- М: Энергоатомиздат, 1987 5. Электротехника / Под ред. Пантюшина В.С. -М., 1976. Дополнительная литература 6. Морозов А.Г. Электротехника,электроника и импульсная техника.-М., Высшая школа,1987. 7. Рекус Г.Г. Сборник задач поэлектротехнике и основам электроники.-М: Высшая школа, 1991. 8. Электротехника. Пантюшин В.С. -М., Высшая школа, 1976. 9. Березкина Т.Ф. и др. Задачник по общей электротехнике и основам электроники. -М., Высшая школа,1987. 10. Кожаспаев Н.К., Боканова А.А., Иченец В.М. Электротехника. Электрические цепи.-Алматы: КазНТУ, 2001. 11. Боканова А.А., Джаймурзина Г.А., Шульга В.В.Электротехника. Трансформаторы и электрические машины.- Алматы: КазНТУ,1995. Справочная литература 10. Мещерякова Т.Ю. Исследование линейных электрических цепей постоянного тока. Методические указания к лабораторным работам для студентов неэлектротехнических специальностей. КазНТУ, Алматы, 1997. 11. Кожаспаев Н.К., Иченец В.М. Анализ одно- и трехфазных потребителей, включенных в трехфазную цепь. Методические указания к выполнению семестровой работы. КазПТИ, Алматы, 1993. 13 Содержание Цели и задачи дисциплины, ее место в учебном процессе………..……… .... 3 Система оценки знаний студентов………………………………..…….………4 Содержание дисциплины………………………..……………..….…………. ...5 Содержание лекций……………………………………………………..........….6 Содержание лабораторных работ…………………………………………….....9 Планы занятий в рамках самостоятельной работы студентов под руководством преподавателя (СРСП)……………………………..……….. ..10 Планы занятий в рамках самостоятельной работы студентов (СРС) ……....11 Список литературы…………………………………………………………..... 13 14