теоритические основы электротехники

НОВОСИБИРСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ
УНИВЕРСИТЕТ
“ УТВЕРЖДАЮ”
Декан ______
Профессор _________________
“____” _______________ 2010г.
Р А Б О Ч А Я П Р О Г РА М М А
по дисциплине
" ТЕОРИТИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ ЭЛЕКТРОТЕХНИКИ"
для студентов, обучающихся по направлению подготовки 200300
Факультет: РЭФ
Кафедра: Общей электротехники
Курс : __
Семестр: __
Зачёт
Лекции
_ час(ов)
Лабораторные занятия
_ час(ов)
Всего аудиторных занятий
_ час(ов)
Индивидуальная работа
_ час(ов)
КР
_ час(ов)
Всего часов работы студента
_ час(ов)
2010 г.
I.ПРОГРАММА ДИСЦИПЛИНЫ
1. ОСНОВНЫЕ ПОНЯТИЯ ТЕОРИИ ЦЕПЕЙ
1.1. Определение электрической цепи. Источники и потребители (приемники) электрической
энергии. Единицы измерения. Положительные направления тока и напряжения. Понятия о
пассивных и активных элементах и участках цепей.
1.2. Идеализированные пассивные элементы электрических цепей. Определения сопротивления,
проводимости, емкости и индуктивности. Единицы измерения. Зависимости между током,
напряжением, мощностью и энергией для идеализированных пассивных элементов.
Линейные и нелинейные идеализированные пассивные элементы. Понятия о дуальности.
Схемы замещения реальных источников. Автономные (неуправляемые) и неавтономные
(управляемые) источники.
1.3. Понятия о схемах электрических цепей. Структурные, функциональные, принципиальные и
эквивалентные (расчетные) электрические схемы. Разновидности эквивалентных
электрических схем. Последовательное и параллельное соединение двухполюсных
элементов. Ветвь, узел и контур электрической схемы.
1.4. Законы Кирхгофа для мгновенных значений токов и напряжений. Физическое содержание
законов Кирхгофа. Понятие об уравнениях электрического равновесия электрической цепи.
Топологические и компонентные уравнения. Дифференциальные уравнения цепи.
1.5. Классификация цепей. Линейные, нелинейные и параметрические цепи; цепи с
сосредоточенными и распределенными параметрами. Формулировка задач анализа и синтеза
электрических цепей.
2. ЛИНЕЙНЫЕ ЦЕПИ ПРИ ГАРМОНИЧЕСКОМ ВОЗДЕЙСТВИИ
2.1. Понятие о периодических процессах. Период, частота. Гармонические колебания. Мгновенное
значение, текущая и начальная фазы, амплитуда, частота и угловая частота гармонического
колебания. Среднее и среднеквадратическое (действующее) значения периодической
функции.
2.2. Дифференциальные уравнения цепи при гармоническом воздействии. Векторное
отображение гармонических функций. Комплексная амплитуда, комплексное действующее
значение гармонических тока и напряжения. Понятие о комплексном методе. Комплексные
входное сопротивление и проводимость.
2.3. Идеализированные двухполюсные элементы при гармоническом воздействии. Временные
диаграммы для тока, напряжения, мощности и энергии. Простейшие линейные цепи при
гармоническом воздействии.
2.4. Энергетические соотношения в простейших цепях при гармоническом воздействии.
Мгновенная, средняя (активная), реактивная, полная и комплексная мощности. Техникоэкономические значения повышения коэффициента мощности. Баланс мощностей.
Согласование источника энергии с нагрузкой по критериям максимума передаваемой средней
мощности и максимума коэффициента полезного действия.
3. МЕТОДЫ АНАЛИЗА ЛИНЕЙНЫХ ЦЕПЕЙ ПРИ ГАРМОНИЧЕСКОМ ВОЗДЕЙСТВИИ
3.1. Применение законов Кирхгофа для анализа сложных цепей. Использование топологических
представлений для определения числа независимых уравнений, составленных по первому и
второму законам Кирхгофа. Метод контурных токов и узловых напряжений. Матричная форма
записи узловых и контурных уравнений.
3.2. Математические модели электрических цепей и их элементов. Топологическое описание
электрических цепей. Матрица инциденций. Матрица сечений. Матрица контуров. Матричная
запись уравнений, составленных по законам Кирхгофа. Компонентные уравнения
двухполюсных элементов. Компонентное уравнение цепи.
3.3. Методы формирования уравнений электрического равновесия, ориентированных на
применение ЭВМ. Методы узловых напряжений и контурных токов.
3.4. Основные теоремы теории цепей и их применение для анализа электрических схем. Принцип
наложения. Теорема компенсаций. Теорема взаимности. Теоремы об эквивалентных
источниках тока и напряжения.
3.5. Преобразования электрических цепей. Понятия об эквивалентных преобразованиях
электрических цепей. Преобразования электрических цепей с последовательным,
параллельным и смешанным соединением элементов. Преобразование треугольника
сопротивлений в звезду и обратное преобразование. Перенос источников.
3.6. Индуктивно связанные цепи при гармоническом воздействии. Понятие о взаимной
индуктивности. Соотношения между мгновенными значениями тока и напряжения в
связанных индуктивностях. Согласное и встречное включения. Применение комплексного
метода для анализа индуктивно-связанных цепей. Схема замещения связанных
индуктивностей. Последовательное и параллельное включение связанных индуктивностей.
Линейный трансформатор.
4. МЕТОДЫ АНАЛИЗА ПЕРЕХОДНЫХ ПРОЦЕССОВ В ЛИНЕЙНЫХ ЦЕПЯХ
4.1. Понятие об установившихся, неустановившихся и переходных процессах. Возникновение
переходных процессов. Непрерывность изменения энергии электрического и магнитного
полей. Законы коммутации. Общий подход к анализу переходных процессов. Порядок
сложности цепи. Начальные условия.
4.2. Классический метод анализа переходных процессов. Свободные и принужденные
составляющие токов и напряжений. Определение постоянных интегрирования. Общая схема
применения метода. Переходные процессы в цепях первого и второго порядков при
скачкообразном и гармоническом воздействии.
4.3. Переходные и установившиеся процессы в колебательном контуре при гармоническом
периодическом воздействии. Резонансное состояние колебательной цепи.
4.4. Операторный метод анализа переходных процессов. Прямое и обратное преобразования
Лапласа. Операторные сопротивления и проводимости. Законы Ома и Кирхгофа в
операторной форме. Общая схема применения метода.
4.5. Применение принципа наложения для анализа неустановившихся и переходных процессов в
линейных цепях. Применение переходной и импульсной характеристик для анализа
неустановившихся и переходных процессов. Различные формы интеграла Дюамеля.
4.6. Дифференцирующие и интегрирующие цепи.
5. ЧАСТОТНЫЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ ПРОСТЕЙШИХ ЦЕПЕЙ
5.1. Понятие о комплексном коэффициенте передачи цепи. Входные и передаточные амплитуднои фазочастотные характеристики цепей. Комплексные частотные характеристики
идеализированных пассивных элементов и простейших цепей с одним накопителем энергии.
Физические явления, происходящие в LC-цепях. Колебательный контур. Способы подключения
контуров к внешнему источнику. Состояние резонанса колебательного контура. Резонансная
частота, характеристическое сопротивление, добротность колебательного контура. Резонанс
напряжений. Электрическое соотношение при резонансе. Входные и передаточные
характеристики нагруженного и ненагруженного последовательного колебательного контура.
Избирательность и полоса пропускания.
5.2. Параллельный колебательный контур. Резонанс токов. Входные и передаточные свойства
контуров, питаемых идеальными источниками напряжения, тока и реальными источниками.
Влияние сопротивления нагрузки и внутреннего сопротивления источника на избирательные
свойства контуров.
5.3. Связанные колебательные контуры. Виды связи, сопротивление связи, коэффициент связи.
Обобщенная схема замещения связанных контуров. Схема замещения первичного и
вторичного контуров. Настройка связанных контуров. Амплитудно- и фазочастотные
характеристики системы связанных контуров. Полоса пропускания, избирательность системы
связанных контуров.
6. ОСНОВЫ ТЕОРИИ ЧЕТЫРЕХПОЛЮСНИКОВ
6.1. Классификация четырехполюсников. Основные уравнения и системы первичных параметров
четырехполюсников. Физический смысл и основные свойства первичных параметров. Методы
определения первичных параметров. Канонические схемы замещения неавтономных
четырехполюсников.
6.2. Характеристические параметры четырехполюсников. Входное сопротивление нагруженного
четырехполюсника.
Характеристические
сопротивления
четырехполюсника.
Характеристическая постоянная передачи взаимного симметричного четырехполюсника.
Коэффициент затухания и коэффициент фазы, физический смысл и единицы измерения.
Характеристическая
постоянная
передачи
цепочки
согласованно
включенных
четырехполюсников.
6.3. Электрические фильтры. Классификация. Условия прозрачности фильтра. Фильтры типов "К" и
"М".
7. ЦЕПИ С РАСПРЕДЕЛЕННЫМИ ЭЛЕМЕНТАМИ
7.1. Понятия о цепях с распределенными параметрами. Длинные линии. Погонные параметры
длинных линий. Классификация. Дифференциальные уравнения цепей с распределенными
параметрами.
7.2. Однородная длинная линия при гармоническом воздействии. Решение дифференциальных
уравнений линии. Понятие о падающей и отраженной волнах, фазовая скорость. Длинная
линия как четырехполюсник. Характеристические параметры длинной линии. Коэффициент
отражения.
7.3. Линия без потерь. Режимы бегущих, стоячих и смешанных волн. Коэффициент бегущей волны.
Зависимость входного сопротивления отрезка линии без потерь от длины линии и частоты
колебаний.
7.4. Колебательные системы на отрезках длинных линий. Согласование линии с нагрузкой.
Четвертьволновые трансформаторы. Реактивные шлейфы. Линии задержки. Реактивноемкостные линии. Трансформирующие свойства отрезков неоднородных линий.
Формирование импульсов с помощью длинных линий.
8. СИНТЕЗ ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ ЦЕПЕЙ
8.1. Формулировка задачи синтеза линейных электрических цепей. Синтез в частотной и
временной областях. Понятие о физической реализуемости функций. Основные этапы синтеза.
8.2. Свойства операторных входных функций. Понятие о положительных вещественных функциях.
Условия физической реализуемости двухполюсника по известной операторной входной
функции. Реактивные функции. Свойства входных функций реактивных двухполюсников.
8.3. Реализация реактивных двухполюсников по заданной операторной входной функции. Метод
последовательного выделения простейших составляющих (метод Фостера). Метод
разложения в цепную дробь (метод Кауэра). Канонические схемы реактивных
двухполюсников.
ЛИТЕРАТУРА
Основная
1. Попов В.Т. Основы теории цепей: Учебник для вузов. - М.: Высшая школа, 1985.
2. Бирюков В.Н., Попов В.П., Семенцов В.И. Сборник задач по теории цепей: Учебное пособие
для вузов. - М.: Высшая школа, 1985.
3. Шебес М.Р. Задачник по теории линейных электрических цепей: Учебное пособие. 4-е изд.,
перераб. и доп. - М.: Высшая школа, 1990.
4. Основы теории цепей: Методическое руководство к лабораторным работам; Отв. ред. А.В.
Сапсалев / НГТУ, 2006.
Дополнительная
1. Веселовский О.Н., Браславский Л.М. Основы электротехники и электротехнические
устройства радиоэлектронной аппаратуры: Учеб. Пособие для вузов. - М.: Высшая школа, 1977.
2. Лосев А.К. Теория линейных электрических цепей. - М.: Высшая школа, 1987.
3. Основы теории цепей: Курс лекций / А.В. Сапсалев. - Новосибирск: Изд-во НГТУ, 2007. - 116
с.