Электротехника и промышленная электроника

УТВЕРЖДАЮ
Директор института
природных ресурсов
Дмитриев А.Ю.
«____»_______________2014 г.
РАБОЧАЯ ПРОГРАММА ДИСЦИПЛИНЫ
ЭЛЕКТРОТЕХНИКА И ПРОМЫШЛЕННАЯ ЭЛЕКТРОНИКА
НА 2014/2015 УЧЕБНЫЙ ГОД
Направление OOП 241000 «Энерго- и ресурсосберегающие процессы в
химической технологии, нефтехимии и биотехнологии»
Квалификация (степень) «Бакалавр»
Базовый учебный план набора 2012 года
Курс: 3; cеместр: 5
Количество кредитов 3
Код дисциплины Б3.В9
Виды учебной деятельности
Лекции
Лабораторные занятия
Аудиторные занятия
Самостоятельная работа
ИТОГО
Вид промежуточной аттестации: зачет
Временной ресурс
16часов
24 часов
40часов
48 часов
88 часов
Обеспечивающая
кафедра:
Электрических
сетей
электротехники (ЭСиЭ)
Заведующий кафедрой ЭСиЭ_____________________ Прохоров А.В.
и
Руководитель ООП _____________________________ Ушева Н.В.
Преподаватель _________________________________ Каталевская А.В.
2014
1. ЦЕЛИ ОСВОЕНИЯ ДИСЦИПЛИНЫ
В условиях практической деятельности специалисту в области энерго- и
ресурсосберегающих процессов в химической технологии, нефтехимии и
биотехнологии предстоит на конкурентноспособном уровне решать вопросы,
связанные с организацией производственно-технологическогого процесса (Ц4),
проектированием (Ц2), эксплуатацией и модернизацией (Ц1) специального
оборудования, проведением научных исследований (Ц3) для разработки
инновационных методов создания химико-технологических процессов, веществ и
материалов, оборудования. В высокотехнологичных процессах весьма широко
используются электротехнические устройства и установки, обеспечивающие
электропривод разнообразных механизмов, управление, регулирование и контроль.
Cпециалист в области энерго- и ресурсосберегающих процессов в химической
технологии, нефтехимии и биотехнологии должен иметь определенный уровень
электротехнических знаний, позволяющий ему достаточно четко представлять
физические процессы, происходящие в электрических и магнитных цепях, понимать
назначение, выполняемые функции и возможности электрооборудования и
электронной техники, знать свойства электроизмерительных приборов, кроме того,
уметь разбираться в электрических схемах, представленных в инструкциях и
технических паспортах.
Целями изучения дисциплины студентами являются теоретическая и
практическая
подготовка
по
расчету
электрических
цепей,
выбор
электрооборудования
и
электронных
приборов
для
осуществления
технологического процесса.
2. МЕСТО УЧЕБНОЙ ДИСЦИПЛИНЫ В СТРУКТУРЕ ООП
Дисциплина «Электротехника и промышленная электроника» относится к
вариативной части «Профессионального цикла» дисциплин ООП 241000 «Энерго- и
ресурсосберегающие процессы в химической технологии, нефтехимии и
биотехнологии».
. Изучение курса «Электротехника и промышленная электроника» базируется
на знаниях и умениях, обретенных студентами при изучении курсов физики и
математики. Из курса физики [Б2.2Б1] базовыми являются разделы «Электричество
и магнетизм» и «Колебания и волны». Из курса математики [Б2.1Б1] студенты
должны знать: тригонометрические функции и операции с ними, решение системы
линейных алгебраических уравнений, иметь понятие о векторной алгебре, функции
комплексного переменного, рядах Фурье.
3. РЕЗУЛЬТАТЫ ОСВОЕНИЯ ДИСЦИПЛИНЫ
В соответствии с требованиями ООП освоение дисциплины направлено на
формирование у студентов следующих компетенций, в том числе, в соответствии с
ФГОС:
2
Таблица 1
Составляющие результатов обучения, которые будут получены при изучении
дисциплины «Электротехника и промышленная электроника»
Результаты
обучения
Составляющие результатов обучения
Р1
Код
З1.1
Основные законы
электрических и
магнитных цепей
З4.1
Методы анализа
цепей постоянного
и переменного
токов
Р4
Р6
Знания
З6.1
Принципы работы
электротехн.
оборудования
Р8
Код
У4.1
У6.1
У8.1
У10.1
Р10
У10.2
Умения
Выбирать
необходимые эл.
устройства и машины
к конкретной задаче
Код
Владение
опытом
В1.1
Проведения
электрических
измерений
В4.1
Расчета
электрических
цепей
В4.2
Методами
проведения
электрических
измерений
Эксплуатировать
электрооборудование,
соблюдая правила
безопасности труда
Самостоятельно
учиться и непрерывно
повышать
квалификацию
Демонстрировать
ответственность за
инженерную
деятельность
Эффективно работать
ундивидуально и в
коллективе
Расшифровка кодов результатов обучения представлена в ООП подготовки
бакалавров по направлению «Энерго- и ресурсосберегающие процессы в
химической технологии, нефтехимии и биотехнологии».
В результате освоения дисциплины «Электротехника и промышленная
электроника» студентом должны быть достигнуты следующие результаты:
Таблица 2
Планируемые результаты освоения дисциплины
№ п/п
Результат
студент должен знать:
РД1
основные законы электрических и магнитных цепей
РД2
РД3
методы анализа цепей постоянного и переменного токов;
принципы работы электротехническогооборудования;
студент должен уметь:
выбирать необходимые электрические устройства и машины применительно к конкретной
РД4
3
№ п/п
РД8
РД12
РД13
РД14
РД15
РД16
Результат
задаче;
проводить элекрические измерения;
студент должен владеть:
методами расчета электрических цепей
методами проведения электрических измерений
навыками работы в команде
навыками проведения теоретических и экспериментальных исследований, обработки
полученных результатов и представления их в форме, адекватной задаче.
приемами техники безопасности
В результате освоения дисциплины у студентов развиваются следующие
компетенции:
способность участвовать в совершенствовании технологических процессов с
позиций энерго-и ресурсосбережения, минимизации воздействия на окружающую
среду;
готовность обосновывать конкретные технические решения при разработке
технологических процессов;
способность использовать основные естественнонаучные законы для
понимания окружающего мира и явлений природы;
способность работать с информацией в глобальных компьютерных сетях;
умение логически верно, аргументированно и ясно строить устную и
письменную речь.
4. СТРУКТУРА И СОДЕРЖАНИЕ ДИСЦИПЛИНЫ
4.1. Электрические цепи постоянного тока
4.1.1. Аннотированное содержание раздела. Источники и приемники
электрической энергии, их схемы замещения. Основные элементы электрических
цепей, их свойства, условные графические обозначения. Понятие электрической
цепи, узла, контура. Законы Ома и Кирхгофа. Условные положительные
направления электрических величин на схемах электрических цепей. Пассивные и
активные двухполюсники. Анализ электрических цепей с одним источником
энергии методом эквивалентных преобразований. Энергетические соотношения в
электрических цепях. Анализ электрического состояния электрических цепей с
несколькими источниками электрической энергии методом применения законов
Кирхгофа, методами контурных токов, двух узлов и эквивалентного генератора.
Понятие нелинейной цепи. Расчет цепи с одним нелинейным элементом
аналитически и графически. Графический метод расчета цепи с последовательно и
параллельно соединенными нелинейными элементами.
4.1.2. Лекции:
Основные элементы и законы электрических цепей.
Методы расчета электрических цепей
4.1.3. Лабораторные работы:
Электроизмерительные приборы. Инструктаж по технике безопасности.
Исследование линейной разветвленной цепи постоянного тока.
Исследование цепи методом эквивалентного генератора.
4.2. Однофазные синусоидальные электрические цепи
4.2.1. Аннотированное содержание раздела. Основные величины,
характеризующие синусоидальные функции времени. Способы представления
4
электрических
величин
тригонометрическими
функциями,
временными
диаграммами, векторами, комплексными числами. Элементы схем замещения:
резистивный, индуктивный, емкостный. Уравнения электрического состояния цепей
синусоидального тока для мгновенных и комплексных значений. Синусоидальная
электрическая цепь с последовательным соединением элементов. Активное,
реактивное и полное сопротивления и их соотношения. Векторные диаграммы на
комплексной плоскости. Фазовые соотношения между токами и напряжениями.
Резонанс напряжений, условия возникновения и практическое применение.
Синусоидальная электрическая цепь с параллельным соединением элементов.
Активная, реактивная и полная проводимости. Анализ электрического состояния
разветвленных синусоидальных цепей с одним источником питания. Колебания
энергии и мощности в цепях синусоидального тока. Активная, реактивная и полная
мощности. Коэффициент мощности.
4.2.2. Лекции:
Комплексный метод расчета
4.2.3. Лабораторные работы:
Резонанс напряжений
4.3. Трехфазные электрические цепи
4.3.1. Аннотированное содержание раздела. Получение симметричной
системы ЭДС в трехфазном синхронном генераторе. Устройство трехфазной
синхронной машины. Принцип действия генератора. Элементы трехфазных цепей.
Способы соединения фаз обмотки генератора и включения приемников в
трехфазную цепь. Трехпроводные и четырехпроводные электрические цепи. Фазные
и линейные напряжения, их соотношения. Соотношение между фазными и
линейными напряжениями и токами при симметричных нагрузках. Анализ
трехфазных цепей при симметричной и несимметричной нагрузках.
4.3.2. Лекции:
Расчет трехфазных цепей
4.3.3. Лабораторные работы:
Исследование трехфазной цепи, соединенной звездой
Исследование трехфазной цепи, соединенной треугольником
4.4. Магнитные цепи постоянного тока. Трансформаторы
4.4.1. Аннотированное содержание раздела. Магнитные цепи постоянных
магнитных потоков. Применение закона полного тока и принципа непрерывности
магнитного потока для анализа магнитных цепей. Магнитные цепи с воздушным
зазором в магнитопроводе. Схемы замещения магнитных цепей. Аналогия методов
анализа электрических и магнитных цепей. Магнитные цепи переменных
магнитных потоков.
Назначение и области применения трансформаторов. Устройство и принцип
действия
однофазного
двухобмоточного
трансформатора.
Уравнения
электрического и магнитного состояний трансформатора.
4.4.2. Лекции:
Магнитные цепи
4.5. Электрические машины
4.5.1. Аннотированное содержание раздела. Асинхронные машины
Устройство и области применения трехфазных асинхронных машин. Получение
вращающегося магнитного поля. Режимы работы трехфазной асинхронной машины.
5
Принцип действия двигателя. Скольжение. Уравнение электрического и магнитного
состояний трехфазного двигателя. Электромагнитный момент и механические
характеристики асинхронного двигателя. Способы пуска асинхронных двигателей.
Регулирование частоты вращения асинхронных двигателей. Работа трехфазного
асинхронного двигателя от однофазной сети.
Области применения и устройство машин постоянного тока. Условные
обозначения в электрических схемах, классификация машин постоянного тока по
способу возбуждения. Режимы работ машин постоянного тока. Принцип действия
генератора постоянного тока. Принцип действия двигателя постоянного тока.
Основные характеристики генераторов постоянного тока. Двигатели постоянного
тока. Уравнение электрического состояния. Пуск двигателей постоянного тока и
проблемы, возникающие при этом. Способы пуска. Механические характеристики.
Способы регулирования частоты вращения.
4.5.1. Лабораторные работы:
Трехфазный асинхронный двигатель с фазным ротором
Двигатель постоянного тока параллельного возбуждения
4.6. Промышленная электроника
4.6.1. Аннотированное содержание раздела. Классификация основных
устройств современной электроники. Понятие электронной и дырочной
проводимостей. Устройство и принцип действия полупроводниковых приборов:
диодов, транзисторов, тиристоров. Выпрямители. Электрические схемы и принцип
работы неуправляемых и управляемых однофазных и трехфазных выпрямителей.
Пульсации выпрямленного напряжения. Электрические фильтры для сглаживания
пульсаций. Биполярные и полевые транзисторы. Основные характеристики,
параметры, расчетные уравнения. Схемы включения транзисторов. Усилительные
каскады на биполярных транзисторах. Коэффициент усиления.
4.6.2. Лекции:
Диоды. Схемы однофазных и трехфазных выпрямителей
Биполярные транзисторы. Усилительные каскады
4.6.3. Лабораторные работы:
Неуправляемые выпрямители
Характеристики биполярных транзисторов
4. 7. Электрические измерения
4.7.1. Аннотированное содержание раздела. Классификация и преимущества
электрических методов измерения физических величин. Виды погрешностей:
систематическая, случайная. Электромеханические преобразователи и приборы на
их основе. Понятие об измерении неэлектрических величин электрическими
методами.
4.7.2. Лекции:
Электрические измерения
5. ОБРАЗОВАТЕЛЬНЫЕ ТЕХНОЛОГИИ
В процессе обучения для достижения планируемых результатов освоения
дисциплины используются следующие методы образовательных технологий:
опережающая самостоятельная работа; методы IT (Internet-ресурсов);
междисциплинарное обучение; проблемное обучение; обучение на основе опыта;
исследовательский метод.
6
Для изучении дисциплины предусмотрены следующие формы организации
учебного процесса: лекции, лабораторные работы, домашние задания,
самостоятельная работа студентов, индивидуальные и групповые консультации.
Специфика сочетания перечисленных методов и форм организации обучения
отражена в таблице 3.
Таблица 3
Методы и формы организации обучения (ФОО)
ФОО
Лекц.
Лаб.
СРС
ИДЗ
х
х
х
х
х
х
х
х
х
х
х
х
х
х
х
Методы
Опережающая самостоятельная работа
Работа в команде
Методы IT
Междисциплинарное обучение
Проблемное обучение
Обучение на основе опыта
Исследовательский метод
х
х
х
х
6. ОРГАНИЗАЦИЯ И УЧЕБНО-МЕТОДИЧЕСКОЕ ОБЕСПЕЧЕНИЕ
САМОСТОЯТЕЛЬНОЙ РАБОТЫ СТУДЕНТОВ
Самостоятельная работа студентов включает текущую и творческую
проблемно-ориентированную самостоятельную работу (ТСР).
6.1. Текущая СРС направлена на углубление и закрепление знаний студента,
развитие практических умений и включает следующие виды работ:
 работа с лекционным материалом
а) для решения индивидуальных домашних задач;
б)для выполнения лабораторных работ;
 изучение тем вынесенных на самостоятельную проработку;
 подготовка и выполнение отчетов к лабораторным работам;
 подготовка к контрольной работе, к зачету
 поиск и обзор литературы для написания реферата по темам, вынесенным на
самостоятельную работу.
6.2. Творческая самостоятельная работа включает:
 поиск, анализ, структурирование информации при написании реферата по
темам, связывающим будующую специальность студента с электрическими
измерениями, электрическими устройствами и т.п.;
 презентацию информации для участия в научной студенческой конференции
студентов младших курсов;
 участие в олимпиадах.
6.3 Контроль самостоятельной работы
Оценка результатов самостоятельной работы организуется следующим образом:
 проверка и зашита индивидуальных задач
 допуск к лабораторной работе
 проверка отчета по лабораторной работе
 защита отчета
 проверка реферата
 написание контрольной работы
7
 написание зачетной работы.
7. СРЕДСТВА ТЕКУЩЕЙ И ПРОМЕЖУТОЧНОЙ ОЦЕНКИ КАЧЕСТВА
ОСВОЕНИЯ ДИСЦИПЛИНЫ
Оценка качества освоения дисциплины производится по результатам
контролирующих мероприятий, представленных в таблице 4.
Таблица 4
Контролирующие мероприятия и результаты обучения
Контролирующие мероприятия
Лабораторные работы
Защита индивидуальных заданий
Контрольная работа
Реферат
Результаты обучения по дисциплине
РД1–РД16
РД1–РД2, РД4, РД12
РД1–РД2, РД12
РД15
Для оценки качества освоения дисциплины при проведении контролирующих
мероприятий предусмотрены следующие средства:
7.1. Примеры вопросов для защиты лабораторных работ
1.
2.
3.
4.
5.
6.
Как определить по электрической схеме параметры эквивалентного
генератора? Привести формулы для схемы лабораторной работы №2.
Как по внешней характеристике эквивалентного источника определить
величины RЭ и ЕЭ?
Как при заданном сопротивлении RН по внешней характеристике
эквивалентного источника определить ток в нагрузке?
Что такое согласованный режим?
При каких условиях в нагрузке выделяется максимальная мощность?
Чему равен коэффициент полезного действия (η) в согласованном режиме?
7.2. Пример билета для итогового контроля
БИЛЕТ № __2_
по дисциплине Электротехника и промышленная электроника
институт_ПР________________________________
курс____3_____________________________________
1. Неуправляемые трехфазные выпрямители
2. Задача. Метод контурных токов.
Составил: ст. преподаватель ______
Утверждаю: зав.кафедрой_ЭСиЭ______
«_______»__________________2014г.
8
Каталевская А.В.
_Прохоров А.В.
7. 3.Примеры задач для контрольной работы
РАСЧЕТ ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ ЦЕПЕЙ
1
1.
R1
R2
А
R3
R
Методом эквивалентного генератора определить
показание амперметра, если E=60 В, R1= R2=10 Ом, R3=6
Ом, R4=4 Ом.
E
2.
В режиме резонанса входное напряжение 80 В, а на
конденсаторе 100 В.
Определите напряжение на катушке (R, L).
3.
Симметричная трехфазная цепь с сопротивлениями
фаз Z  (8  j 6) Ом подключена к симметричной сети.
Определите показание амперметра, если вольтметр
показывает 380 В.
8. РЕЙТИНГ КАЧЕСТВА ОСВОЕНИЯ ДИСЦИПЛИНЫ
Оценка качества осушествляется в соответствии с «Руководящими
материалами по текущему контролю успеваемости, промежуточной и итоговой
аттестации студентов Томского политехнического университета», утвержденными
приказом ректора №77/од от 29.11.2011 г.
9
9. УЧЕБНО–МЕТОДИЧЕСКОЕ И ИНФОРМАЦИОННОЕ
ОБЕСПЕЧЕНИЕ ДИСЦИПЛИНЫ
9.1. Основная литература
1. Электротехника и электроника: учебник для вузов в 3 кн. / Под ред. В.Г.
Герасимова – М.: АЙРИС, 2010
Кн.1, Электрические и магнитные цепи. – 288с.
Кн.2, Электромагнитные устройства и электрические машины. –272 с.
Кн.3, Электрические измерения и основы электроники. – 432 с.
2. Сборник задач по электротехнике и основам электроники / Под ред. В.Г.
Герасимова – Москва: Айрис, 2011. – 288 с.
3. Курс электротехники: учебник / А.С. Касаткин, М.В. Немцов. - 10–е изд.,
стер. - М.: Высшая школа, 2009. - 542 с.: ил. - Библиогр.: с. 530.
4. Электротехника : учебное пособие для вузов / Ю. М. Борисов, Д. Н. Липатов,
Ю. Н. Зорин. — 4-е изд., перераб. и доп. — Минск: Высшая школа А, 2008.
— 543 с.
9.2. Дополнительная литература
1. Рекус Г.Г. Основы электротехники и электроники в задачах с решениями :
учебное пособие / Г.Г. Рекус. – Москва: Директ-Медиа, 2014. – 343 с.
2. Рекус Г.Г. Общая электротехника и основы промышленной электроники :
учебное пособие / Г.Г. Рекус. – Москва: Высшая школа, 2008. – 654 с.
3. Электроника : учебное пособие для вузов / В.И. Лачин, Н.С. Савёлов. – 7–
е изд. – Ростов-на-Дону: Феникс, 2009. – 704 с.
4. Аристова Л.И. и др. Сборник задач по электротехнике. Учебное пособие. –
Томск.: Издательство ТПУ, 2010.
9.3. Методические указания
1. Аристова Л.И., Малышенко Н.М. Методические указания к выполнению
лабораторных работ по курсу «Электротехника и электроника», часть 1
«Электрические
цепи»
для
студентов
неэлектротехнических
специальностей. – Томск.: Изд-во ТПУ, 2007.
2. Аристова Л.И., Курец В.И., Хохлова Т.Е., Лукутин А.В. Методические
указания к выполнению лабораторных работ по курсу «Электротехника и
электроника», часть 2 «Электрические машины» для студентов
неэлектротехнических специальностей. - Томск.: Изд-во ТПУ, 2010.
3. Носов Г.В., Пустынников С.В., Хохлова Т.Е. Электроника. Методические
указания к выполнению лабораторных работ для студентов
электротехнических и неэлектротехнических специальностей. – Томск.:
Изд-во ТПУ, 2009.
4. Аристова Л.И., Малышенко Н.М. Основы электроники: Варианты заданий
и методические указания к выполнению индивидуальной работы по курсу
«Электротехника и электроника» для студентов неэлектротехнических
специальностей. - Томск.: Изд-во ТПУ, 2006.
10
10. МАТЕРИАЛЬНО–ТЕХНИЧЕСКОЕ ОБЕСПЕЧЕНИЕ
ДИСЦИПЛИНЫ
№
п/п
1
2
Наименование оборудованных
учебных кабинетов, с перечнем
основного оборудования
«Лаборатория по теории электрических
цепей»
Комплекты типового лабораторного
оборудования
«Теория электрических цепей и основы
электроники» ТЭЦОЭ2-Н-Р (10 шт.)
«Лаборатория по теории электрических
цепей»
Комплекты типового лабораторного
оборудования
«Теория электрических цепей и основы
электроники» ТЭЦОЭ2-Н-Р (10 шт.)
«Лаборатория электрических машин»
Учебный стенд ЭМА УСЭМ (6 шт.),
Комплект лабораторного оборудования
«Эл. машины» ЭМ-ПО (3 шт.)
Лекционные аудитории
Местоположение учебных
кабинетов
8 к. ауд. №103
8 к. ауд. №106
8 к. ауд. №105
8 корпус,
101, 201, 301, 306-345 ауд.
специализированных учебных
– лабораторные работы проводятся в
лабораториях;
– компьютеры подключены к сети учебного корпуса ЭНИН с выходом в
Internet;
– лекции читаются в учебных аудиториях с использованием технических
средств; лекционный материал представлен в виде презентаций в Power Point.
Программа составлена на основе Стандарта ООП ТПУ в соответствии с
требованиями ФГОС по направлению 240100 «Энерго- и ресурсосберегающие
процессы в химической технологии, нефтехимии и биотехнологии» для подготовки
бакалавров.
Программа одобрена на заседании
кафедры «Электрических сетей и электротехники»
(протокол № 24 от 30 июня 2014г.).
Автор: ст. пр. кафедры ЭСиЭ
Каталевская А.В.
Рецензент: д.ф.-м.н., профессор кафедры ЭСиЭ
11
Исаев Ю.Н.