Теоретичні основи електротехніки

Дисципліна «Теоретичні основи електротехніки» посідає головне місце серед загальноінженерних дисциплін, що визначають наукову основу підготовки фахівців за напрямами „Електроніка”, „Електромеханіка”, „Електротехніка”, „Інформаційна безпека”, „Системна інженерія”, а також створюють умови для викладання наступних профілюючих дисциплін на сучасному науковому рівні.

Метою даної дисципліни є опанування фундаментальними поняттями, теорією та методологією сучасної теоретичної електротехніки, формування наукового кругозору та електротехнічної культури, одержання теоретичних та практичних знань законів електричних кіл, методів їх аналізу і синтезу для використання при проектуванні електротехнічних і електронних пристроїв і систем.

Задачі вивчення:

Студент повинен знати:

визначення та розуміння понять і категорій лінійних та нелінійних електричних, магнітних та електронних кіл;
основні структурні елементи, фізичні величини та топологічні поняття кіл;
основні рівняння та методи аналізу усталених режимів кіл;
теорію електромагнітної енергії та її потужності;
однофазні та трифазні кола синусоїдального струму та методи їх аналізу;
теорії та методи аналізу кіл несинусоїдального струму;
теорію двополюсників та чотириполюсників;
теорію та методи аналізу перехідних режимів кіл з зосередженими параметрами;
основи синтезу електричних кіл;
принципи побудови та функціонування нелінійних електромагнітних апаратів та пристроїв стабілізації напруг і струмів, помноження частоти, посилення потужностей, фізичні та математичні моделі напівпровідникових елементів і побудованих на їх основі перетворювальних пристроїв і систем, методи аналізу таких пристроїв та систем.

Студент повинен вміти:

формувати еквівалентні схеми і топологічні структури електротехнічних та електронних об’єктів;
обчислювати відповідні параметри та координати усталених та перехідних режимів електричних і електронних кіл на підставі різних методів аналізу, електромагнітну енергію і потужність таких об’єктів;
методами математичного аналізу та фізичного експерименту досліджувати явище резонансу, усталені режими однофазних та трифазних кіл, кіл несинусоїдального струму, перехідні процеси в колах з зосередженими параметрами,  процеси в електромагнітних та напівпровідникових пристроях та системах на їх основі.

Перелік дисциплін, на базі яких викладається дана дисципліна:

вища математика;
фізика.
Мета циклу лабораторних робіт – наочне ознайомлення студентів з основними законами та методами розрахунку режимів кіл, придбання навичок експериментального дослідження характеристик кіл постійного, синусоїдального та несинусоїдального періодичного струмів. Практичне закріплення теоретичних знань з теорії кіл в усталених та перехідних режимах.

ПРОГРАМА КУРСУ

(І семестр)

1. Електричні кола постійного струму.

Елементарні електричні заряди і електромагнітне поле як особливий вид матерії.
Електростатичне поле. Напруженість поля.
Зв’язок зарядів тіл з їх електричним полем. Теорема Гаусса. Постулат Максвелла.
Електрична напруга. Потенціал, різниця потенціалів. Електрорушійна сила.
Електричний струм і принцип його неперервності.
Опір провідника. Питомий опір. Провідність. Питома провідність.
Енергія та потужність в електричному колі.
Провідники, напівпровідники та діелектрики.
Елементи електричних кіл.
Основні закони електричних кіл.
Еквівалентне перетворення опорів. Послідовне, паралельне та змішане сполучення резисторів.
Взаємне еквівалентне перетворення резистивних ділянок, сполучених трикутником та зіркою.
Методи розрахунку кіл постійного струму. Методи рівнянь Кірхгофа, контурних струмів, вузлових напруг, накладення, еквівалентного генератора. Еквівалентні перетворення активних ділянок кіл.
Пересилання електроенергії постійного струму по двопровідній лінії.
Нелінійні кола постійного струму. Загальні визначення. Статичний та динамічний опори нелінійних елементів. Графоаналітичний метод розрахунку нелінійних кіл. Аналітичний метод розрахунку нелінійних кіл.

2. Електрична ємність.

Електрична ємність тіл.
Конденсатори. Струм конденсатора. Енергія електричного поля.
Послідовне і паралельне з’єднання конденсаторів.

3. Магнітні кола. Індуктивність. Взаємна індуктивність.

Основні фізичні величини магнітного поля. Магнітна індукція (В). Магнітний потік (Ф).
Намагніченість речовини (J). Напруженість магнітного поля (Н). Магнітна проникність (μ).
Закон повного струму.
Феромагнітні матеріали. Деякі властивості феромагнітних матеріалів. Класифікація феромагнітних матеріалів.
Основні закони магнітних кіл. Розрахунок магнітного кола.
Закон електромагнітної індукції. Правило Ленца.
Котушка індуктивності. Потокозчеплення. ЕРС самоіндукції.
Індуктивно зв’язані котушки.

4. Електричні кола змінного синусоїдального струму.

Генерування синусоїдальної ЕРС. Миттєві, амплітудні, діючі та середні значення ЕРС, напруг та струмів.
Векторне зображення синусоїдальних величин. Векторні діаграми.
Резистивний, індуктивний та ємнісний опори в колі синусоїдального струму.
Послідовне з’єднання резистивного, індуктивного та ємнісного опорів в колі синусоїдального струму. Закон Ома в класичній формі. Трикутник опорів. Коефіцієнт потужності .
Потужність в колі послідовного з’єднання резистивного і реактивного опорів.
Паралельне з’єднання приймачів у колі змінного струму.
Мішане сполучення приймачів.
Резонанс в електричних колах. Резонанс напруг. Резонанс струмів.
Символічний метод розрахунку синусоїдального струму. Деякі положення комплексного обчислення. Символічне (комплексне) відображення синусоїдних величин. Закони Ома та Кірхгофа в комплексній формі. Комплексні опори та провідності. Методи розрахунку електричних кіл змінного струму. Кола з взаємоіндуктивно зв’язаними котушками.

(ІІ семестр)

1. Трифазні кола.

Генерування трифазної системи ЕРС.
Незв’язні трифазні системи.
Сполучення фаз джерела й приймача зіркою.
Симетричне навантаження фаз приймача, сполученого зіркою.
Несиметричне навантаження фаз приймача, сполученого зіркою за наявності та відсутності нульового провідника.
Сполучення фаз джерела й приймача трикутником.
Потужність в трифазних колах.
Коефіцієнт потужності cos φ та способи його підвищення.

2. Електричні кола несинусоїдного струму.

Визначення періодичних несинусоїдних струмів та напруг.
Розкладення періодичних функцій в ряд Фур’є.
Деякі властивості періодичних кривих, які мають симетрію.
Розкладення в ряд Фур’є кривих геометрично правильної й неправильної форми.
Діюче значення періодичних несинусоїдних величин струму та напруги.
Значення, на які реагують амперметри та вольтметри при несинусоїдних струмах.
Потужність в колах періодичного несинусоїдного струму.
Розрахунок кіл несинусоїдного струму.
Заміна несинусоїдного струму і напруги еквівалентними синусоїдами.

3. Перехідні процеси лінійних електричних кіл.

Визначення перехідних процесів.
Закони комутації.
Класичний метод аналізу перехідних процесів.
Перехідні процеси при послідовному сполученні резистивно-індуктивних елементів.
Перехідний процес в колі r – L під час короткого замикання.
Перехідний процес під час вимкнення кола r – L.
Вмикання кола r – L до джерела постійного ЕРС.
Перехідні процеси при послідовному сполученні резистивно-ємнісних елементів.
Перехідний процес під час вмикання зарядженого конденсатора на резистивний опір.
Вмикання кола r – С на сталу ЕРС.
Перехідний процес кола, в якому діє вимушуюча синусоїдна ЕРС.