Методические указания и контрольные задания для студентов
Заочной формы обучения
По дисциплине «Электротехника и электроника»
для специальностей:
13.02.11 Техническая эксплуатация и обслуживание электрического и электромеханического оборудования (по отраслям)
22.02.06 Сварочное производство
15.02.08 Технология машиностроения
Нижний Тагил 2014
Методические указания и контрольные задания для студентов заочной формы обучения по дисциплине «Электротехника и электроника» для специальностей: 13.02.11 Техническая эксплуатация и обслуживание электрического и электромеханического оборудования (по отраслям), 22.02.06 Сварочное производство, 15.02.08 Технология машиностроения разработаны на основе Федеральных государственных образовательных стандартов по специальностям.
Организация-разработчик: Государственное автономное образовательное учреждение Свердловской области «Нижнетагильский техникум металлообрабатывающих производств и сервиса», 622018, г. Нижний Тагил, улица Юности 9, телефон: 8(34-35)-33-06-29
Разработчики: Титов Анатолий Константинович, преподаватель специальных дисциплин высшей категории
| Рассмотрено на заседании Методического совета Протокол № _____ от _____________ 20 ___г. | Рассмотрено на заседании МО Протокол № _____ от _____________ 20 ___г. Председатель___________ |
Пояснительная записка
Методические рекомендации по дисциплине «Электротехника и электроника» для студентов заочного отделения, обучающихся по специальностям 13.02.11 Техническая эксплуатация и обслуживание электрического и электромеханического оборудования (по отраслям), 22.02.06 Сварочное производство, 15.02.08 Технология машиностроения разработаны на основе «Федерального Государственного образовательного стандарта СПО по подготовке специалистов среднего звена, в соответствии с учебным планом и рабочей учебной программой с учётом рекомендаций специалистов предприятия ОАО «НПК «Уралвагонзавод» - социального партнёра техникума.
Курс «Электротехника и электроника» предполагает ознакомление студентов с основами теории линейных электрических цепей с сосредоточенными параметрами, теории электромагнитного поля, освоение ими основных методов расчета установившихся и переходных процессов в электрических цепях.
Существенная часть курса посвящена методам расчета линейных электрических цепей с сосредоточенными параметрами в установившемся режиме при воздействии постоянного и синусоидального сигналов. Студенты получат представление и практические навыки в использовании методов, основанных на составлении и решении узловых и контурных уравнений цепи, их алгебраизации. Предусмотрено знакомство студентов с принципами построения и применением многофазных систем.
Часть курса, посвященная изучению магнитных цепей, включает в себя общее знакомство с такими цепями и методами их расчета (преимущественно графическими).
В заключение курса предусмотрено знакомство студентов с теорией цепей, на которые воздействуют несинусоидальные периодические сигналы, а также с теорией и методами расчета переходных процессов в линейных электрических цепях.
Требования к освоению содержания дисциплины.
Студент должен знать:
- знать свойства электрических и магнитных полей;
- методы расчета электрических цепей и электромагнитных полей.
Студент должен уметь:
-проводить анализ и расчет электрических цепей с использованием средств и методов вычислительной техники
Студент должен владеть:
-методами выполнения простейших расчетов электрических цепей;
-навыками построения простейших принципиальных, эквивалентных и блок – схем электротехнических устройств;
-навыками изучения методической и научно-популярной литературы в области ТОЭ в объеме, достаточном для ее использования при изучении соответствующих разделов электротехники и проведения внеаудиторных мероприятий.
Изучение дисциплины основывается на знаниях студентов полученных при изучении дисциплин “Математика”, “Общая физика” и «Электротехника» на ступени НПО и, в свою очередь, является базой для специальных дисциплин и производственного обучения.
Дисциплина «Электротехника и электроника» изучается на протяжении 1 года обучения и входит в общепрофессиональный цикл по специальностям.
Обучение теоретическим основам электротехники осуществляется в форме лекционных и практических лабораторных занятий, а так же внеаудиторной самостоятельной работы. Важнейшим средством обучения и развития студентов является решение электротехнических задач, т.к. это, являясь способом формирования умений применения электротехнических понятий и законов при решении конкретных практических задач, с одной стороны, способствует более глубокому усвоению и закреплению теоретических сведений, с другой.
При изучении курса электротехники предусмотрены следующие виды контроля:
текущий -
проверка выполнения отчётов по лабораторным работам.
Промежуточный –
-выполнение домашней контрольной работы по темам №1.1 - №1.1.3;
- экзамен..
Содержание учебной дисциплины
Тема 1.1 Электрическое поле
Понятие об электрическом поле. Основные характеристики электрического поля: напряжённость, электрическое напряжение, потенциал, единицы их измерения. Влияние электрического поля на проводники и диэлектрики.
Определение и назначение конденсатора, его ёмкость. Соединение конденсаторов.
Тема 1.2 Электрические цепи постоянного тока.
Приёмники электрической энергии и их вольтамперные характеристики. Источники электрической энергии: источники тока и напряжения (ЭДС). Режимы работы источника.
Основные законы электрической цепи. Законы Кирхгофа в цепях постоянного тока.
Способы соединения приёмников электрической энергии.
Способы соединения источников электрической энергии.
Методы расчёта сложных электрических цепей: на основе законов Кирхгофа, методами контурных токов, узловых напряжений, наложения, эквивалентного источника.
Работа и мощность электрического тока, электрическая энергия. Тепловое действие тока. Закон Джоуля-Ленца.
Лабораторные работы
1. Закон Ома. Последовательное, параллельное и смешанное соединение резисторов.
2. Делитель напряжения при работе на холостом ходу и под нагрузкой.
3. Эквивалентный источник напряжения (ЭДС), последовательное и параллельное соединение источников.
Тема 1.3 Электромагнетизм.
Магнитное поле. Способы получения и усиления магнитных полей. Основные магнитные величины.
Магнитные материалы. Намагничивание и перемагничивание ферромагнитных материалов. Явление гистерезиса. Магнито-мягкие и магнито-твёрдые материалы. Применение ферромагнитных материалов.
Магнитная цепь и её элементы. Закон полного тока. Расчёт магнитной цепи.
Механические силы, создаваемые магнитным полем. Электродинамические силы. Электромагниты и их применение.
Электромагнитная индукция. Правило Ленца. Понятие о потокосцеплении. Принципы преобразования механической энергии в электрическую и электрической энергии в механическую.
Индуктивность и явление самоиндукции. Взаимная индукция. Использование закона электромагнитной индукции в электротехнических устройствах.
Тема 1.4 Электрические цепи однофазного переменного тока.
Переменный синусоидальный ток и его определение. Параметры и формы представления синусоидальных переменных величин. Получение переменной ЭДС.
Особенности электрических процессов в электрических цепях с активным, индуктивным и емкостным элементами.
Векторные диаграммы напряжений и токов.
Неразветвлённые цепи переменного тока с активным, индуктивным и емкостным элементами. Условия возникновения и особенности резонанса напряжения.
Разветвлённые цепи переменного тока с активным, индуктивным и емкостным элементами. Условия возникновения и особенности резонанса токов.
Активная, реактивная и полная мощность в цепи переменного тока. Коэффициент мощности и способы его повышения.
Лабораторные работы
1. Переменный электрический ток. Параметры синусоидального напряжения (тока). Цепь синусоидального тока с активным сопротивлением.
2. Исследование цепи переменного тока с конденсатором и активным сопротивлением.
3. Исследование цепи переменного тока с катушкой индуктивности, и активным сопротивлением.
4. Изучение цепей синусоидального тока при последовательном соединение катушки индуктивности, конденсатора и активного сопротивления. Резонанс напряжений.
5. Изучение цепей синусоидального тока при параллельном соединение конденсатора, катушки индуктивности и активного сопротивления. Резонанс токов.
Тема 1.5 Электрические цепи трёхфазного переменного тока
Понятие о трёхфазных электрических сетях и их сравнение с однофазными. Получение трёхфазной ЭДС.
Соединение обмоток генератора и потребителя трёхфазного тока «звездой». Соотношения между фазными и линейными величинами. Векторные диаграммы напряжений и токов. Симметричная и несимметричная нагрузка. Нейтральный провод и его значение.
Соединение обмоток генератора и потребителя трёхфазного тока «треугольником». Соотношения между фазными и линейными величинами. Векторные диаграммы напряжений и токов.
Мощность трёхфазной системы.
Питание приёмников электрической энергии трёхфазным током.
Основы расчёта трёхфазной цепи при симметричной нагрузке.
Лабораторные работы
1. Исследование соединения “звездой” в цепи трёхфазного тока при активной нагрузке.
2. Исследование соединения “треугольником” в цепи трёхфазного тока при активной нагрузки.
Тема 1.6 Электрические измерения и измерительные приборы
Общие сведения об электрических измерениях и электроизмерительных приборах. Прямые и косвенные измерения. Классификация электроизмерительных приборов. Условные обозначения на шкалах электроизмерительных приборов. Погрешности измерений. Класс точности электроизмерительных приборов.
Измерение напряжения и тока. Магнитоэлектрический и электромагнитный измерительные механизмы. Расширение пределов измерения вольтметров и амперметров.
Измерение мощности и энергии. Электродинамический и ферродинамический измерительные механизмы. Схемы включения ваттметров. Индукционные счётчики.
Измерение электрического сопротивления постоянному току: методы вольтметра-амперметра, мостовой.
Использование электрических методов для измерения неэлектрических величин.
Лабораторная работа.
Измерение сопротивления методом вольтметра-амперметра.
Тема 1.7 Трансформаторы
Назначение трансформаторов, их классификация, применение. Устройство и принцип действия однофазного трансформатора. Элементы конструкции. Основные параметры. Электрическая схема однофазного трансформатора.
Режимы работы трансформатора: холостого хода, короткого замыкания, нагрузочный. Потери энергии и КПД трансформатора.
Понятие о трёхфазных трансформаторах, схемы и группы соединения трёхфазных трансформаторов. Понятие о трансформаторах специального назначения (сварочных, измерительных, автотрансформаторах), особенности конструкции и применения.
Лабораторная работа
Исследование режимов работы однофазного трансформатора.
Тема 1.8 Электрические машины переменного тока
Назначение, классификация и область применения машин переменного тока. Получение вращающегося электромагнитного поля.
Устройство и принцип действия трёхфазного асинхронного электродвигателя. Понятие о скольжении. ЭДС, сопротивление и токи в обмотках статора и ротора.
Вращающий момент асинхронного электродвигателя. Пуск в ход, регулирование частоты вращения и реверс асинхронного электродвигателя. Механическая характеристика. Потери энергии и КПД асинхронного электродвигателя.
Однофазные асинхронные электродвигатели, их устройство, принцип действия и область применения.
Понятие о синхронном электродвигателе.
Лабораторная работа
Исследование работы трёхфазного асинхронного электродвигателя. Пуск в ход и снятие рабочих характеристик.
Тема 1.9 Электрические машины постоянного тока
Назначение, область применения, устройство и принцип действия машин постоянного тока. Принцип обратимости. ЭДС и реакция якоря.
Генераторы постоянного тока: классификация, схемы включения обмотки возбуждения, внешняя и регулировочная характеристики, эксплуатационные свойства.
Электродвигатели постоянного тока: классификация, схемы включения обмотки возбуждения, механические и рабочие характеристики. Пуск в ход, регулирование частоты вращения, реверсирование и торможение.
Потери энергии и КПД машин постоянного тока.
Применение машин постоянного тока в сварочном производстве.
Лабораторная работа
Испытание электродвигателей постоянного тока с параллельным или смешанным возбуждением.
Тема 1.10 Основы электропривода
Классификация электроприводов. Классификация режимов работы электропривода. Выбор типа и мощности электродвигателей, применяемых в электроприводе. Определение мощности при продолжительном и повторно-кратковременном режимах работы.
Пускорегулирующая и защитная аппаратура: классификация, устройство, принцип действия, область применения.
Релейно-контакторные системы управления электродвигателями.
Тема 1.11 Передача и распределение электрической энергии
Современные схемы электроснабжения промышленных предприятий от энергетической системы. Назначение и устройство трансформаторных подстанций и распределительных пунктов. Электрические сети промышленных предприятий, воздушные, кабельные, внутренние.
Наиболее распространённые марки проводов и кабелей. Защитное заземление, его назначение и устройство. Способы учёта и контроля потребления электроэнергии. Компенсация реактивной мощности. Экономия электроэнергии. Контроль электроизоляции.
Электробезопасность при производстве сварочных работ.
Раздел 2. Электроника
Тема 2.1 Физические основы электроники
Электропроводность полупроводников, образование и свойства p-n перехода, вольтамперная характеристика p-n перехода, виды пробоя.
Тема 2.2 Полупроводниковые приборы
Выпрямительные диоды и стабилитроны: условные обозначения, устройство, принцип действия, вольтамперные характеристики, параметры, маркировка и применение.
Биполярные и полевые транзисторы: условные обозначения, устройство, принцип действия, схемы включения, характеристики, параметры, маркировка. Область применения.
Тиристоры: устройство, принцип действия, область применения.
Лабораторные работы
Снятие вольтамперной характеристики полупроводникового диода.
Снятие входных и выходных характеристик биполярного транзистора.
Тема 2.3 Интегральные схемы микроэлектроники
Общие сведения об интегральных схемах микроэлектроники. Понятие о гибридных, тонкоплёночных, полупроводниковых интегральных микросхемах. Технология изготовления микросхем. Соединение элементов и оформление микросхем.
Классификация, маркировка и применение микросхем.
Тема 2.4 Электронные выпрямители и стабилизаторы
Основные сведения о выпрямителях: их назначение, классификация, обобщённая структурная схема. Однофазные и трёхфазные выпрямители: схемы, принцип действия, графическая иллюстрация работы, основные соотношения между электрическими величинами.
Сглаживающие фильтры, их назначение, виды.
Стабилизаторы напряжения и тока, их назначение, простейшие принципиальные схемы, принцип действия, коэффициент стабилизации.
Тема 2.5 Электронные усилители
Назначение и классификация электронных усилителей. Схема и принцип действия полупроводникового усилительного каскада с биполярным транзистором по схеме с ОЭ.
Динамические характеристики усилительного элемента. Определение рабочей точки на линии нагрузки, построение графиков напряжения и токов цепи нагрузки. Многокаскадные транзисторные усилители и связь между каскадами.
Понятие об усилителях постоянного тока, импульсных и избирательных усилителях.
Тема 2.6 Электронные генераторы и измерительные приборы
Основные понятия об электронном генераторе, условия возникновения незатухающих колебаний в электрической цепи. Электронные генераторы синусоидальных колебаний типа RC и LC (электрическая схема, принцип работы). Импульсные генераторы.
Общие сведения об электронных измерительных приборах. Электронно-лучевая трубка, её устройство, принцип действия. Электронный осциллограф, его назначение, структурная схема, принцип действия.
Электронный вольтметр, его назначение, структурная схема, принцип измерения напряжения.
Тема 2.7 Электронные устройства автоматики и вычислительной техники
Общие сведения об электронных устройствах автоматики и вычислительной техники. Принцип действия, особенности и функциональные возможности электронных реле, основных логических элементов, регистров, дешифраторов, сумматоров.
Тема 2.8 Микропроцессоры и микро-ЭВМ
Микропроцессоры и микро-ЭВМ, их место в структуре вычислительной техники. Применение микропроцессоров и микро-ЭВМ для комплексной автоматизации управления производством, в информационно-измерительных системах, в технологическом оборудовании.
Архитектура и функции микропроцессоров.
Общие указания по изучению дисциплины
Приступая к изучению определенного раздела дисциплины, прежде всего, следует ознакомиться с содержанием программы по данному разделу, а затем записать в тетрадь названия тем. Внимательно прочитав содержание первой темы, записать на полях тетради номера параграфов из учебника, которые относятся к данной теме и указаны в настоящем пособии; затем записать номера задач из задачника, рекомендованных для решения по данной теме.
Начиная изучать материал какого-либо параграфа, необходимо прочитать весь параграф, не задерживаясь на трудном материале. При повторном чтении следует обдумывать смысл каждой фразы, а вывод формул, определения электротехнических величин, их единицы и формулировки законов записывать в тетрадь. Изучение закончить повторением материала и ответами на вопросы для самопроверки. Материал можно считать усвоенным, если при его повторении не возникает необходимость заглянуть в книгу или конспект.
По мере ознакомления с новыми величинами необходимо научиться получать из формул единицы этих величин. Например, используя формулу для вычисления работы электрического тока А = IUt и полагая в ней I = 1 A, U =1 В, t= 1 с, можно вывести единицу работы – джоуль: 1 Дж=1 А·1 В·1 с.
Если при изучении теоретического материала студент встречает затруднения, которые он не может устранить самостоятельно, повторно изучая основную и дополнительную литературу, необходимо обратитьсяк преподавателю для получения устной или письменной консультации. Хорошее усвоение теоретического материала невозможно без решения задач. Многочисленные формулы запомнить трудно, в процессе же решения задач они запоминаются легче. Приступая к решению задачи, необходимо внимательно прочесть условие и, уяснив смысл, переписать в тетрадь без сокращений. Используя общепринятые буквенные обозначения электротехнических величин, выписать в тетрадь заданные величины, выражая их в СИ.
Табличные данные, необходимые для решения задачи, рекомендуется брать из того же учебного пособия, что и сама задача. Затем записывают величины, которые требуется определить. Используя физические закономерности, применимые к данной задаче, следует выписать необходимые формулы, с помощью которых можно выразить искомую величину, т.е. решить задачу в общем виде, используя буквенные обозначения. Числовые данные при подстановке в полученное выражение следует записывать с единицами величин. Вначале выполняют действия над единицами величин, а затем над числами. Сравнивая, где это возможно, полученный результат с реальными значениями определяемых величин, можно убедиться в правильности решения задачи.
Часто для решения задачи целесообразно сделать рисунок или электрическую схему, схематический чертеж или график. Обязательным условием при решении задач является выполнение правил действия с приближенными числами, использование во всех случаях, когда это возможно, различных математических таблиц. Все вычисления рекомендуется выполнять с помощью микрокалькулятора.