Міністерство освіти і науки України
ОДЕСЬКА ДЕРЖАВНА АКАДЕМІЯ ХОЛОДУ
Байдак Ю.В.
ОСНОВИ ТЕОРІЇ КІЛ
Посібник з організації практичних та семінарських занять
Одеса 2008
Посібник з організації практичних та семінарських занять з дисципліни « Основи теорії кіл ».
Укладач:
Байдак Ю.В.
Рецензент:
доцент кафедри електроприводу ОНПУ, к.т.н. Чайковський В.П..
Для студентів спеціальності 6.092501 «Автоматизоване управління технологічними процесами » денної форми навчання
Розглянуто і рекомендовано до видання на засіданні кафедри електротехніки
та електронних пристроїв ОДАХ
Зав. кафедрою к.т.н. Байдак Ю. В.
Схвалено методичною радою інституту низькотемпературної техніки і технології
Голова методичної комісії
факультету інформаційних технологій д.т.н. Денисенко В. А
Вступ
Посібник з організації практичних та семінарських занять складено згідно до робочої навчальної програми з дисципліни - основи теорії кіл (ОТК) і призначено для студентів електротехнічних спеціальностей. Вказівки вмістять стислі теоретичні відомості про перелік питань для самостійного опрацювання фахової літератури, завдання до практичних робіт, необхідні довідкові данні та рекомендації щодо їх виконання.
З дисципліни ОТК студенти самостійно виконують семестрові завдання, які включають п’ять завдань. Перше завдання - з теорії лінійних електричних кіл постійного струму, друге - з теорії лінійних електричних кіл однофазного синусоїдного струму, а трете – з теорії нелінійних електричних кіл постійного струму та електромагнетизму, четверте - з теорії лінійних електричних кіл періодичного не синусоїдного струму і п’яте - з теорії перехідних процесів у лінійних електричних колах з зосередженими параметрами.
Навчальною програмою дисципліни передбачена самостійна робота над навчальним матеріалом з тем та питань, які визначаються програмою. Ця робота може здійснюватись на основі:
застосування електронних підручників та віртуальних засобів навчання;
вивчення матеріалу по підручникам чи методичним розробкам;
виконання контрольних завдань;
вивчення додаткової фахової літератури.
Вивчення тем дисципліни, запропонованих для самостійного опрацювання, обов’язково повинно супроводжуватись рішенням задач та веденням опорного конспекту.
На початок поточного модуля за пройденим матеріалом студент повинен знати і вміти:
основні фізичні поняття електромагнітних явищ;
процеси в електромагнітних полях;
методи розрахунку та аналізу електричних кіл;
методи експериментальних досліджень режимів роботи електричних кіл.
виконувати розрахунки електричних та магнітних кіл;
складати електричні кола за їх принциповими чи монтажними схемами;
аналізувати режими роботи схем в усталеному та динамічному режимах;
- використовувати основні методи аналізу та синтезу електричних кіл при розробці систем контролю, керування типовими процесами та обладнанням галузі;
розробляти математичні моделі електричних кіл пристроїв, які є складовими системи автоматизованого керування;
використовувати ефективні методи розрахунку електричних кіл пристроїв при розробці автоматизованих систем контролю та керування;
- застосовувати одержані навички для конструювання та проектування нестандартних технічних засобів автоматизації.
Для контролю знань з дисципліни ОТК (за професійним спрямуванням) передбачено:
виконання самостійної роботи згідно варіанту завдання;
захист виконаної роботи на співбесіді;
проведення модулів або підсумкового іспиту.
Перелік питань для самостійного вивчення програми дисципліни
В с т у п. Загальні задачі дисципліни. Історичний огляд основних етапів розвитку науки про електрику. ОТК – наука про аналіз та синтез електричних кіл. Об’єкт дослідження та засоби його вивчення.
Розділ 1 Лінійні електричні кола постійного струму.
Ідеалізовані елементи електричних кіл і електричні схеми. Джерело напруги, електрорушійної сили (ЕРС), струму. Прості лінійні електричні кола і основні співвідношення в них. Закон Ома. Режими роботи електричних кіл. Графік потенціалу. Потенційна діаграма. Поняття електричного потенціалу. Енергетичні співвідношення у колах постійного струму. Умови одержання максимальної потужності у колі навантаження . Закони Кірхгофа. Закон Ленца-Джоуля. Рівняння балансу потужностей. Розрахунок лінійного електричного кола методом перетворення. Триполюсник. Умови і рівняння перетворення трипроменевої зірки опорів у еквівалентний трикутник та навпаки. Заміна джерела ЕРС еквівалентним джерелом струму. Втрати потужності у джерелі. Класичний метод розрахунку лінійних електричних кіл постійного струму. Метод контурних струмів. Метод
вузлових потенціалів. Метод суперпозиції. Метод двох вузлів. Метод еквівалентного генератора.
Після вивчення тем розділу 1 ( л. 2, с.11 – 41, л. 3, с. 11 – 39, л. 4, с. 21 – 102, л. 5, с. 45 – 144, л. 6, с. 131 – 242) студент повинен:
знати: складові електричного кола, їх характеристики та вплив на роботу кола; основні режими роботи електричних кіл; основні закони, які діють у електричному колі; методи розрахунку електричних кіл.
вміти: визначати потенціал у будь-якому місці електричного кола; складати і вирішувати рівняння електричного кола згідно з обраним методом.
Розділ 2 Електричні кола однофазного синусоїдного струму.
Одержання та означення синусоїдних ЕРС, напруги та струму. Діюче та середнє значення синусоїдних величин. Векторне зображення синусоїдних величин. Часова та векторна діаграми. Комплексна форма запису синусоїдних величин. Алгебраїчна, показна і тригонометрична форми запису комплексної величини. Коло синусоїдного току з активним, індуктивним або ємнісним опором. Активна, реактивна потужність у колі. Закони Кірхгофа для кола синусоїдного струму. Послідовне з’єднання ідеальних елементів у колі синусоїдного струму. Повний опір. Трикутник опорів. Паралельне з’єднання ідеальних
елементів. Повна провідність. Трикутник провідностей. Потужність та енергетичні процеси в електричних колах з послідовним та паралельним з’єднанням елементів. Діаграма потужностей. Коефіцієнт потужності електричного кола. Вплив співвідношення індуктивності та ємності на процеси у електричному колі. Резонанс струму та напруги. Еквівалентні перетворення у колі синусоїдного струму. Режими роботи та розрахунок кола синусоїдного струму зі змішаним навантаженням. Баланс потужностей. Символічний метод розрахунку. Реактивний струм у колі синусоїдного струму. Підвищення коефіцієнту потужності.
Після вивчення тем розділу 2(л. 1, с. 9 – 59, л. 2, с 105 - 170, л. 3, с. 58 - 128, л. 4, с. 106 – 212, л. 5, с. 149 – 211, л. 6, с. 163 – 206) студент повинен:
знати: основні визначення; основні закони, які діють у колах змінного струму та фізичні явища, що супроводжують процеси перетворення енергії джерела у теплову енергію, магнітне та електричне поле, засоби підвищення коефіцієнту потужності навантаження.
вміти: здійснювати розрахунки електричних кіл з різним характером навантаження, забезпечувати потрібні значення величин – напруги, струму у електричному колі завдяки відповідному вибору параметрів навантаження.
Розділ 3. Нелінійні електричні кола постійного струму. Електромагнетизм.
Нелінійні електричні елементи, їх характеристики та особливості розрахунку нелінійних кіл. Розрахунок електричного кола з послідовним з’єднанім нелінійних, нелінійного та лінійного елементів. Вольт амперні характеристики електричного кола з джерелом ЕРС і нелінійним опором. Розрахунок електричного кола зі змішаним з’єднанням нелінійних елементів. Розрахунок розгалуженого нелінійного кола методом двох вузлів. Заміна паралельних гілок, до складу яких входять нелінійні опори та джерела ЕРС, однією гілкою їм еквівалентною. Статичний та диференційний опір нелінійного елементу електричного кола. Заміна нелінійного опору лінійним. Стабілізація напруги живлення за допомогою нелінійного елемента. Найпростіші схеми стабілізаторів напруги живлення.
Магнітне поле електричного струму. Магнітна індукція і магнітний потік. Взаємодія паралельних провідників зі струмом. Електромагнітна сила. Магнітна проникність середовища. Напруженість магнітного поля. Магнітна напруга, намагнічуюча сила. Закон повного струму. Магнітне поле кільцевої котушки. Магнітний момент. Намагніченість. Намагнічування феромагнітних матеріалів. Циклічне перемагнічування. Магнітний гістерезис. Магнітне коло. Закони Ома і Кірхгофа для магнітного кола. Розрахунок магнітного кола. Пряма та зворотна задачі.
Розділ 4. Лінійні електричні кола не синусоїдного струму
Загальні відомості. Періодичні не синусоїдні величини і розклад їх на гармонічні складові. Ряд Ейлера - Фур’є. Умови симетрії не синусоїдних величин та їх вплив при розкладі на гармонічні складові. Аналітичний та графоаналітичний методи визначення гармонік ряду Фур’є. Діюче та середнє значення не синусоїдних величин. Потужність у колі не синусоїдного струму і напруги. Вплив параметрів елементів кола на форму струму при не синусоїдній напрузі. Послідовність розрахунку кола, яке знаходиться під впливом не синусоїдних джерел живлення. Метод суперпозиції. Промислове використання властивостей не синусоїдного струму. Фільтри гармонічних складових.
Після вивчення тем розділу 3 (л. 1, с. 165 – 175, л. 2, с. 225 – 286, л. 3, с. 159 – 176, л. 4, с. 297 – 323, л. 5, с. 370 – 379, л. 6, с. 299 – 308) студент повинен:
знати: відзнаки не синусоїдних величин, умови симетрії, методи визначення гармонік ряду Фур’є, послідовність розрахунку електричних кіл з не синусоїдним джерелом живлення.
вміти: здійснювати розрахунки електричних кіл з не синусоїдними струмом або напругою, визначати потужність у колі та запропонувати найпростіші фільтри гармонічних складових.
Розділ 5. Перехідні процеси у лінійних електричних колах із зосередженими параметрами
Закони комутації. Незалежні початкові умови. Аналіз перехідних процесів у нерозгалуженому електричному колі другого порядку. Визначення сталої інтегрування. Примусова та вільна складові струму, напруги. Аналіз перехідного процесу при включенні R-L навантаження на постійну напругу. Аналіз перехідного процесу при замиканні R-L навантаження з ненульовими початковими умовами. Аналіз перехідного процесу при включенні R-L навантаження на синусоїдну напругу. Ударний струм короткого замикання. Стала часу R-L кола. Перехідний процес в R-C колі з ненульовими початковими умовами та постійною ЕРС. Коротке замикання R-C кола з ненульовими початковими умовами. Часова діаграма. Включення R-C кола на синусоїдну напругу. Аналіз перехідного процесу при включенні R-L-C кола. Характеристичне рівняння кола. Корні рівняння та їх фізична інтерпретація. Залежні початкові умови та їх роль при визначенні сталих інтегрування. Аперіодичний характер перехідного процесу в електричному колі другого порядку. Вплив співвідношення L та С елементів на характер перехідного процесу. Аналіз впливу коренів характеристичного рівняння на характер перехідного процесу у колі другого порядку. Розрахунок струмів та напруги у колі класичним методом. Операторний метод розрахунку перехідних процесів. Пряме перетворення за Лапласом або Карсоном- Хевісайдом. Алгебраїзація інтегро-диференційних рівнянь електричного кола. Операторна схема заміщення кола . Операторний опір. Зворотне перетворення. Теорема розкладу.
Після вивчення тем розділу 4 ( л. 1, с. 199 – 238, л. 2, с. 324 – 382, л. 3, с. 180 – 234, л. 4, с. 327 - 360, л. 5, с. 408 – 480, л. 6, с. 319- 383) студент повинен:
знати: основні визначення; електричні явища, що супроводжують перехідні процеси в електричному колі при різноманітних елементах навантаження; послідовність розрахунку електричних кіл класичним та операторним методами;
вміти: складати інтегро-диференційні рівняння складного електричного кола та визначати характер зміни напруги та току на елементах електричного кола і сталу часу.
Література
1. Атабеков Г.И. Основы теории цепей.- М.: Энергия, 1969.- 424 с.
2. Бессонов Л.А. Теоретические основы электротехники.- М.: Висш. шк., 1978. – 750 с.
3. Бессонов Л.А. Теоретические основы электротехники. Электрические цепи.- М.: Высш. шк., 1984. – 559 с.
4. Зевеке Г.В. и др. Основы теории цепей.- М.: Энергия, 1975.- 752 с.
5. Ионкин П.А. и др.Теоретические основы электротехники.Ч.I.– М.: Высш. шк., 1976.–544 с.
6. Нейман Л.Р., Демирчан К.С. Теоретические основы электротехники. Ч.1. – М.-Л.: Энергия, 1980. – 533 с.
7. Бессонов Л.А. и др. Сборник задач по теоретическим основам электротехники.- М.: Высш. шк., 1980. – 472 с.
8. Поливанов К.М. и др. Задачник по теоретическим основам электротехники.- М.: Энергия, 1973. – 303 с.
9. Максимович И.Г. и др. Сборник программированных задач по теоретическим основам электротехники.- М.: Высш. шк. , 1976. – 571 с.
10. Шебес М.Р. Теория линейных электрических цепей в упражнениях и задачах.- М.: Высш. шк., 1967. – 480 с.
11. Байдак Ю.В. Основи теорії кіл, Одеса, ОГАХ, 2008. – 430 с.