Электротехника и электроника (Часть 1. Электротехника)

Цель курса – обеспечение базовой (общепрофессиональной) подготовки в области электротехники и электроники в профессиональных образовательных программах по техническим направлениям бакалавриата на уровне понимания физических процессов и функциональных свойств основных типов элементов и устройств для их обоснованного выбора и квалифицированного применения в повседневной жизни, окружающей среде и в профессиональной деятельности.

Теоретическая составляющая курса расширена по сравнению с классической вузовской дисциплиной «Электротехника и электроника» с учетом достижений современной электроники, интегрированной в электротехнические устройства.

Практическая составляющая курса включает множество примеров, в том числе расчетных, иллюстрирующих применение методов и средств для анализа электротехнических и электронных устройств.

Курс направлен на базовую общеинженерную подготовку бакалавров с проектно-ориентированным обучением, когда во главу угла ставится умение решать профессиональные задачи в области электротехники и электроники.

Курс направлен на формирование системного мышления обучающихся и излагается с позиций методологии инженерной практики. Любое электротехническое или электронное устройство и объект представляются системой взаимосвязанных элементов в виде физической и математической моделей. Изучаются методы анализа таких систем и происходящих в них физических процессов с целью определения функциональных (эксплуатационных) свойств.

Классическое содержание дисциплины Электротехника и электроника дополнено модулями: четырехполюсники; электрические сигналы; переходные процессы в линейных цепях.

Включены вопросы, связанные с электрическими цепями в электронных устройствах: невзаимные цепи, зависимые источники, анализ цепей с четырехполюсниками, виртуальный осциллограф и измерения параметров сигналов.

 В рамках курса рассматриваются общие сведения по однофазным электрическим сетям, в том числе и бытовым в системе “умный дом”, а также вопросы электробезопасности.

В курсе приводятся примеры имитационного моделирования электрических цепей.

Присоединяйтесь к Telegram-каналу Онлайн-курсы НИТУ МИСИС или пишите на openedu@misis.ru. Мы ответим на все ваши вопросы.

В состав курса входят видеолекции продолжительностью 6-10 минут, включающие 2–3 вопроса на самопроверку усвоения теоретического материала;

материалы для самостоятельного изучения пользователями, анимационные ролики с инфографикой.

Модули завершаются тестами на проверку понимания материала (10-15 вопросов).

1) Марченко А.Л., Опадчий Ю.Ф. Электротехника и электроника /Учебник в 2-х томах,  https://znanium.com/catalog/document?id=368982

2) Лунин, В. П.  Электротехника и электроника в 3 т. Том 1. Электрические и магнитные цепи: Том 2 Электромагнитные устройства и электрические машины: Том 3 Основы электроники и электрические измерения:  учебник и практикум для вузов / В. П. Лунин, Э. В. Кузнецов ; под общей редакцией  В. П. Лунина. — 2-е изд., перераб. и доп. — Москва : Издательство Юрайт, 2020.  Текст : электронный // ЭБС Юрайт [сайт]. — URL: https://urait.ru/bcode/450570

3) Бабичев Ю.Е. Электротехника и электроника. Том 1. Электрические, электронные и магнитные цепи М.: Мир горной книги, МГГУ, Горная книга, 2007. - 599с.

Для успешного освоения курса слушателю нужно владеть знаниями по физике (раздел «Электричество»), высшей математике и информатике в объеме вузовских рабочих программ указанных дисциплин.

ВВЕДЕНИЕ

Место электротехники и электроники в подготовке студентов

Неделя 1

Раздел 1. Введение. Общие сведения по электротехнике

1.1. Введение в онлайн-курс. Электротехника - техника электрических токов и напряжений. Краткая характеристика-обзор курса
1.2. Основные понятия теории электромагнитного поля и электрических цепей. Общие законы электрических цепей
1.3. Электромагнитное и электромеханическое преобразование энергии. Источники, проводники и приемники в электрических цепях
1.4. Декомпозиция электрических цепей. Элементы электрических цепей. Их физические свойства. Суть идеализации элементов. Характеристики и параметры моделей идеальных и идеализированных элементов
1.5. Принципиальные схемы электрических цепей. Схемы замещения. Способы соединения (последовательное, параллельное и мостовое). Топологические понятия теории цепей и законы Кирхгофа
1.6. Основные свойства электрических цепей с сосредоточенными параметрами. Линейные и нелинейные цепи. Физические электрические величины электрических цепей. Буквенные обозначения и единицы электрических величин. Общее понятие об электрических измерениях
1.7. Диоды и транзисторы - нелинейные элементы электрических цепей. Идеальные и идеализированные модели нелинейных элементов. Понятие о зависимых источниках

Модуль 1. Электрические цепи постоянного тока. Общие свойства линейных цепей

Неделя 2

Раздел 2. Цепи постоянного тока

2.1. Электрические цепи постоянного тока. Источники постоянного напряжения.  Вольтамперные характеристики. Источники тока. Линейные и нелинейные элементы электрических цепей постоянного тока
2.2. Задачи анализа и расчета линейных электрических цепей с одним источником постоянного напряжения. Метод «свертывания цепи» (алгоритмы «прямого» и «обратного» хода). Примеры расчета (урок с практической частью)
2.3. Пример расчета методом "свертывания цепи" (урок с практической частью)
2.4. Анализ и расчет разветвленных цепей постоянного тока с несколькими источниками, основанный на законах Кирхгофа
2.5. Баланс мощностей. Общие свойства линейных цепей (линейности, взаимности)
2.6. Пример расчета цепи на основании законов Кирхгофа и Ома (урок с практической частью)
2.7. Эквивалентные преобразования в линейных электрических цепях. Теорема о компенсации, теорема об эквивалентном генераторе. Эквивалентные активные и пассивные двухполюсники
2.8. Пример расчета цепей с использованием эквивалентных преобразований (урок с практической частью)
2.9. Задачи анализа и расчета нелинейных электрических цепей с одним источником постоянного напряжения. Метод пересечения характеристик.  Примеры расчета (урок с практической частью)
2.10. Нелинейные цепи постоянного тока. Графоаналитический метод определения рабочих точек. Кусочно-линейная аппроксимация ВАХ. Схемная и математическая модели (урок с практической частью)

Неделя 3

Раздел 3. Методы расчета цепей постоянного тока

3.1. Общие методы расчета линейных электрических цепей. Метод контурных токов.
3.2. Метод контурных токов. Примеры расчетов в математических программах (урок с практической частью)
3.3. Общие методы расчета линейных электрических цепей. Метод узловых напряжений.
3.4. Метод узловых напряжений. Примеры расчетов в математических программах (урок с практической частью)
3.5. Общие методы расчета линейных электрических цепей. Метод эквивалентного генератора
3.6. Метод эквивалентного генератора. Примеры расчетов в математических программах (урок с практической частью)
3.7. Особенности расчета цепей постоянного тока с транзисторами (зависимыми источниками) в линейных режимах работы
3.8. Примеры расчета цепей с транзисторами (зависимыми источниками) при постоянных токах (урок с практической частью)
3.9. Приближенные методы расчета нелинейных цепей постоянного тока. Примеры расчетов в математических программах (урок с практической частью)
3.10. Имитационное моделирование цепей постоянного тока

Модуль 2. Электрические цепи синусоидального тока. Измерения электрических величин

Неделя 4

Раздел 4. Электрические цепи синусоидального тока

4.1. Переменный и синусоидальный ток. Синусоидальные напряжения и токи, их параметры (амплитуда, частота, начальная фаза, действующее и среднее значения). Свойства идеализированных элементов при переменных и синусоидальных токах, их математические модели. Границы применимости идеализированных моделей
4.2. Синусоидальные токи в электрических цепях с RL-элементами. Математическая модель, полное, активное и индуктивное сопротивления, векторные и временные диаграммы токов и напряжений (урок с практической частью)
4.3. Синусоидальные токи в цепях с RC-элементами. Математическая модель, полное, активное и емкостное сопротивления, векторные и временные диаграммы токов и напряжений
4.4. Последовательный колебательный контур. Полное, активное и реактивное сопротивление. Векторная диаграмма тока и напряжений, треугольник сопротивлений  (урок с практической частью)
4.5. Параллельный колебательный контур. Полная, активная и реактивная проводимость. Векторная диаграмма токов и напряжений, треугольник проводимостей  (урок с практической частью)
4.6. Мощности синусоидального тока. Коэффициент мощности и КПД. Мощность и энергия. Баланс мощностей
4.7. Определение сопротивлений элементов и участков цепей /примеры расчета (урок с практической частью)
4.8. Однофазные электрические цепи. Схемы замещения источников, приемников, проводов и кабелей с учетом несовершенной изоляции в однофазной цепи
4.9. Однофазные электрические цепи и потребители однофазного тока - электрические приборы. Векторные и временные диаграммы токов и напряжений. Параметры потребителей  (урок с практической частью)
4.10. Пример однофазной электрической цепи - квартирная проводка с подключенными потребителями - электрическими приборами. Устройства коммутации (урок с практической частью)

Неделя 5

Раздел 5. Методы анализа цепей синусоидального тока

5.1. Задача анализа цепей с синусоидальными токами. Классификация методов анализа электрических цепей синусоидального тока и их характеристика
5.2. Методы анализа. Эквивалентные преобразования. Взаимные преобразования последовательной и параллельной схем двухполюсника. Метод проводимостей для расчета токов и напряжений разветвленной цепи
5.3. Пример расчета цепи методом проводимостей (урок с практической частью)
5.4. Методы анализа. Символический метод. Общие положения. Комплексные токи и напряжения
5.5. Законы Кирхгофа для комплексных токов и напряжений. Закон Ома, комплексные сопротивления и проводимости
5.6. Методы анализа. Расчет токов и напряжений символическим методом в простых RL- и RC-цепях. Комплексные сопротивления и проводимости двухполюсников (урок с практической частью).
5.7. Расчет токов и напряжений символическим методом в простых RL- и RC-цепях. Примеры расчетов в математических программах(урок с практической частью)
5.8. Расчет комплексных токов и напряжений общими методами. Метод эквивалентных преобразований сопротивлений (урок с практической частью)
5.9. Расчет комплексных токов и напряжений методом эквивалентных преобразований сопротивлений в математических программах (урок с практической частью)
5.10. Расчет комплексных токов и напряжений общими методами. Метод двух узлов и узловых напряжений  (урок с практической частью)

Неделя 6

Раздел 6. Режимы работы цепей синусоидального тока

6.1. Резонансные явления. Резонанс напряжений. Перенапряжения
6.2. Резонансные явления. Резонанс токов. Компенсация реактивной мощности (урок с практической частью)
6.3. Частотные характеристики электрических цепей. АЧХ и ФЧХ  (урок с практической частью)
6.4. Периодические сигналы. Математическая модель периодических сигналов. Спектры
6.5. Частотный (спектральный) метод расчета выходных напряжений и токов  (урок с практической частью)
6.6. Электрические фильтры
6.7. Имитационное моделирование линейных электрических цепей синусоидального тока в программах имитационного моделирования 
6.8. Измерения синусоидальных токов и напряжений, измерение активных и реактивных мощностей, энергии
6.9. Использование осциллографа для анализа цепей с синусоидальными токами. Понятие о виртуальном осциллографе. Измерение параметров токов и напряжений с помощью осциллографа

Неделя 7

Раздел 7. Четырехполюсники

7.1. Четырехполюсники (ЧП). Уравнения ЧП и их параметры. Связь между параметрами ЧП
7.2. Входные и выходные сопротивления четырехполюсников
7.3. Определение параметров ЧП опытным путем (урок с практической частью)
7.4. Коэффициенты передачи
7.5. Т- и П-образная схемные модели взаимных ЧП  (урок с практической частью)
7.6. Невзаимные ЧП. Т- и П-образная схемные модели невзаимных ЧП
7.7. Схемные модели транзисторов как четырехполюсников  (урок с практической частью)
7.8. Схемные модели усилителей как четырехполюсников. Коэффициенты усиления каскадного соединения невзаимных ЧП (урок с практической частью)
7.9. Особенности расчета линейных цепей с четырехполюсниками (урок с практической частью)

Неделя 8

Раздел 8. Цепи с магнитной связью

8.1. Электрические цепи с магнитной связью. Понятия согласного и встречного магнитных соединений
8.2. Схемные модели магнитно-связанных элементов и параметры их элементов (урок с практической частью)
8.3. Воздушный трансформатор. Уравнения и параметры идеализированного воздушного трансформатора ("трансформаторная" ЭДС)
8.4. Схемная модель приведенного идеализированного трансформатора (урок с практической частью)
8.5. Режимы работы идеализированного трансформатора
8.6. Опытное определение параметров идеализированного трансформатора из опытов холостого хода и короткого замыкания (урок с практической частью)
8.7. Трансформаторы как преобразователи сопротивлений, токов и напряжений. Измерительные трансформаторы напряжения и тока. Понятие о согласовании источников и приемников электрических цепей. Понятие "гальваническая развязка"
8.8. Расчет электрических цепей с трансформаторами. Пример расчета

Модуль 3. Трехфазные электрические цепи. Основы электробезопасности

Неделя 9

Раздел 9. Трехфазные цепи

9.1. Получение, передача, распределение электрической энергии. Понятие о трехфазных электрических цепях. Трехфазные источники, приемники и линии передачи (кабели)
9.2. Трехфазные цепи. Схемные модели источника, приемников и линий передачи (кабелей). Трех- и четырехпроводные цепи. Понятие о режимах работы нейтрали (урок с практической частью)
9.3. Симметричная и несимметричная трехфазная нагрузка в четырехпроводной цепи. Расчет токов и напряжений (урок с практической частью)
9.4. Симметричная и несимметричная трехфазная нагрузка в трехпроводных цепях. Расчет токов и напряжений (урок с практической частью)
9.5. Трехфазные электрические распределительные сети напряжением до 1000 вольт. Понятие об электроснабжении
9.6. Устройство электрических проводок. Определение токовых нагрузок. Осветительная и силовая нагрузка. Выбор кабелей и проводов по допустимым токам  (урок с практической частью)
9.7. Коммутационные устройства, устройства защитного отключения и их выбор  (урок с практической частью)
9.8. Основы электробезопасности
9.9. Имитационное моделирование трехфазной цепи

Модуль 4. Электрические сигналы. Переходные процессы в линейных электрических цепях

Неделя 10

Раздел 10. Электрические сигналы

10.1. Электрические сигналы и их временные параметры. Спектральное представление сигналов. Модуляция сигналов
10.2. Периодические и непериодические сигналы. Аналоговые и цифровые сигналы. Импульсные сигналы. Дифференцирующие и интегрирующие цепи
10.3. Электрические сигналы. Искажения сигналов. Помехи. Условие неискаженной передачи сигналов  (урок с практической частью)
10.4. Параметры сигналов. Измерения электрических и временных параметров сигналов с помощью осциллографа  (урок с практической частью)
10.5. Коммутации в электрических цепях. Импульсные сигналы и понятия переходных процессов в цепях. Законы коммутации. Заряд и разряд конденсатора. Постоянная времени и длительность заряда
10.6. Анализ процессов подключения RC-цепи к источнику постоянного напряжения /практические примеры  (урок с практической частью)
10.7. Анализ искажений сигнала в R-L-цепи /практические примеры (урок с практической частью)
10.8. Анализ искажений сигналов в RLC- цепи при апериодическом процессе (урок с практической частью)
10.9. Анализ искажений сигналов в RLC- цепи при колебательном процессе (урок с практической частью)
10.10. Анализ искажении сигналов частотными методами (общие сведения)

Неделя 11

Раздел 11. Переходные процессы в линейных цепях

11.1. Классический метод расчета переходных процессов в линейных цепях
11.2. Примеры расчета переходных процессов в линейных электрических цепях классическим методом. Примеры расчетов (урок с практической частью)
11.3. Заряд и разряд индуктивной катушки. Особенности отключения индуктивной катушки (разрыв цепи). Перенапряжения и электродуговой процесс
11.4. Операторный метод анализа линейных электрических цепей
11.5. Определение оригиналов по изображениям токов и напряжений. Примеры расчетов (урок с практической частью)
11.6. Операторные функции передачи цепи. Понятие об импульсной и переходной характеристиках
11.7. Определение реакции линейной цепи на входные сигналы с помощью импульсной и переходной характеристики
11.8. Расчет реакции линейной цепи на входные сигналы с помощью импульсной и переходной характеристики. Примеры расчетов (урок с практической частью)
11.9. Заряд и разряд индуктивной катушки. Примеры расчетов (урок с практической частью)

Модуль 5. Электромагнитные и электромеханические устройства. Основы электропривода

Неделя 12

Раздел 12. Электромагнитные устройства

12.1. Основные магнитные величины и свойства ферромагнитных материалов
12.2. Однофазные трансформаторы. Режимы работы. Эксплуатационные параметры трансформаторов  (урок с практической частью)
12.3. Виды и типы трехфазных трансформаторов. Конструкция и эксплуатационные параметры трехфазных трансформаторов. Уравнения токов и напряжений трансформатора
12.4. Каталожные данные трехфазных трансформаторов. Выбор трансформаторов по каталожным данным (урок с практической частью)
12.5. Электромагнитные устройства: электрические аппараты, электромагнитные реле, дроссели, реакторы, электромагниты

Неделя 13

Раздел 13. Электрические машины переменного тока

13.1. Электрические машины переменного тока. Конструкция, принцип действия. Электрические генераторы, электрические двигатели. Энергетическая диаграмма генераторов и двигателей. Номинальные параметры электрических машин переменного тока
13.2. Вращающееся магнитное поле и конструкция статора электрических машин переменного тока. Связь скорости вращения и числа пар полюсов. Схемы соединения обмоток
13.3. Трехфазный асинхронный электродвигатель с короткозамкнутым ротором (АДК). Конструкция и принцип действия. Скольжение, ЭДС, сопротивления и ток ротора
13.4. Трехфазный АДК. Уравнения электрических цепей статора и ротора. Схема замещения АДК  (урок с практической частью)
13.5. Трехфазный АДК. Электромагнитный момент и механическая характеристика. Пусковой момент  (урок с практической частью)
13.6. Трехфазный АДК. Каталожные данные АДК. Формула Клосса и определение параметров АДК по каталожным данным (урок с практической частью)

Неделя 14

Раздел 14. Основы электропривода. Синхронные машины

14.1. Специальные конструкции асинхронных двигателей: с фазным ротором, с глубокопазным ротором, с массивным ротором. Взрывозащищенные двигатели
14.2. Уравнение динамического равновесия моментов. Механическая характеристика асинхронного двигателя. Пуск в ход и регулирование скорости асинхронных двигателей  (урок с практической частью)
14.3. Понятие об электроприводе с асинхронными двигателями. Общие сведения о комплектном электроприводе
14.4. Трехфазные синхронные машины. Конструкция и принцип действия. Режимы работы. Уравнения электрического равновесия фаз статора синхронного генератора. Векторная диаграмма (урок с практической частью)
14.5. Основные свойства синхронного генератора при работе в электрической системе. Понятия о регулировочных характеристиках синхронного генератора
14.6. Трёхфазные синхронные двигатели. Уравнения электрического равновесия фаз статора. Электромагнитный момент и угловые характеристики
14.7. Трёхфазные синхронные двигатели. Пуск в ход и регулирование скорости. Вентильные двигатели

Неделя 15

Раздел 15. Коллекторные машины. Шаговые и вентильные двигатели

15.1. Конструкция и принцип действия коллекторных электрических машин.  Режимы работы. Коллекторно-щеточный аппарат. Обмотка якоря
15.2. ЭДС и электромагнитный момент. Способы возбуждения машин постоянного тока. Свойство саморегулирования
15.3. Характеристика холостого хода генератора постоянного тока. Самовозбуждение генератора параллельного возбуждения. Внешние характеристики (урок с практической частью)
15.4. Механическая характеристика. Способы регулирования скорости вращения двигателя постоянного тока  (урок с практической частью)
15.5. Шаговые и вентильные электрические двигатели. Конструкция и принцип действия
15.6. Электрические приводы с шаговыми и вентильными двигателями
15.7. Коллекторные машины переменного тока. Электроинструмент
15.8. Связь электротехники и электроники
15.9. Заключение по курсу «Практическая электротехника и её связь с онлайн-курсом»

В результате освоения курса 

обучающиеся будут знать:

1) классификацию и функциональные [эксплуатационные]*) свойства электротехнических и электронных устройств [используемых в повседневной жизни, окружающей среде и в профессиональной деятельности – «вокруг нас»] (далее – устройств);

2) принципы действия и основные количественные и качественные методы анализа;

3) способы и средства измерения электрических параметров устройств;

4) основы электробезопасности и основные средства ее обеспечения;

5) теоретические основы и технические средства управления [в т.ч. настройки] электрическими параметрами устройств различных систем [например, «умного дома»].

обучающиеся будут уметь:

1) выбирать устройства по техническим параметрам и их функциональным [эксплуатационным] свойствам;

2)  квалифицированно пользоваться устройствами различных систем [например, «умного дома»];

3) применять [обоснованно выбирать] устройства в своей профессиональной деятельности.

*)  В квадратных скобках приводятся разъяснения или уточнения

Освоение курса направлено на получение [базового уровня]*) следующих универсальных (УК) и общепрофессиональных (ОПК) компетенций.

УК:
[в области электротехники и электроники]

● способность осуществлять поиск и критический анализ информации применять системный подход для решения поставленных задач, используя стандарты, регламенты и другие источники

● способность определять круг задач в рамках поставленной цели, проекта и выбирать оптимальные способы их решения, исходя из имеющихся ресурсов и ограничений

ОПК
[знания и умения для решения типовых задач из предметной области]:

● способность применять общеинженерные знания, методы математического анализа, моделирования и теоретического исследования [электротехнического оборудования и электронных устройств] в профессиональной деятельности

*  В квадратных скобках приводятся разъяснения или уточнения.

08.00.00 Техника и технологии строительства
09.03.01 Информатика и вычислительная техника
15.03.01 Машиностроение
18.03.01 Химическая технология
21.00.00 Прикладная геология, горное дело, нефтегазовое дело и геодезия
22.00.00 Технологии материалов
23.00.00 Техника и технологии наземного транспорта
25.00.00 Аэронавигация и эксплуатация авиационной и ракетно-космической техники
28.00.00 Нанотехнологии и наноматериалы
29.00.00 Технологии легкой промышленности
35.00.00 Сельское, лесное и рыбное хозяйство
– курс может быть включен в бакалаврскую профессиональную образовательную программу подготовки в качестве компонента (элемента) рабочей учебной программы дисциплин электротехнического профиля (с получением сертификата); – курс может быть включен в бакалаврскую профессиональную образовательную программу подготовки в качестве факультатива (с получением сертификата); – курс может быть использован целиком или отдельными разделами в качестве электронного образовательного ресурса для реализации образовательных программ высшего образования (с получением или без получения сертификата освоения курса целиком или его отдельных разделов); – курс может быть использован для самообразования целиком или по его отдельным разделам в области электротехники и электроники.