Предисловие. 
Основы электротехники, микроэлектроники и управления

Бурное развитие новейшей техники и всё большее развитие современных методов математического моделирования, оптимизации и системного анализа повысили требования к подготовке студентов при изучении основ электроники и электротехники.

На кафедре электротехники и электроники Российского химико-технологического университета им. Д. И. Менделеева О. Г. Дружининым разработано математическое, информационное и программное обеспечение для лабораторных работ, контрольных задач и курсовых работ по электротехнике и электронике.

Программное обеспечение для контрольных задач позволяет студентам полностью их рассчитать и проверить на компьютере. Для работы с комплексными числами предусмотрена встроенная программа «Калькулятор комплексных чисел», с помощью которой можно производить все необходимые арифметические операции с комплексными числами. В состав программного обеспечения также включена программа «Решение линейных алгебраических уравнений для комплексных чисел». Располагая этими программами, студенты освобождаются от сложных рутинных математических расчётов, сосредотачивая свои усилия на анализе и преобразовании электрических цепей. Для каждой контрольной задачи приведён пример, где поэтапно в динамике на экране монитора показывается, как необходимо решать задачу данного типа.

Студент должен ввести в компьютер промежуточные и конечные результаты расчёта. Если допущена ошибка, то компьютер указывает на характер допущенной ошибки, например, «произведено неправильно преобразование параметра», «неправильно применён закон Ома» и т. д. Задача считается решённой, если ошибка в расчётах не превышает 0,5% (от вычислений компьютера). Накопление ошибок приводит к снижению итоговой оценки, которая отражается на экране монитора.

ю После выполнения четырёх курсовых работ студент может обратиться к соответствующей программе, позволяющей:

• — вычислить контурные токи при условии правильно составленной исходной матрицы. Программа указывает на ошибки, допущенные при составлении исходной матрицы. Если ошибки не могут быть исправлены в исходной матрице, то программой предусмотрен поэтапный контроль за преобразованиями электрических параметров в комплексные числа и контроль за составлением комплексных сопротивлений;
• — определить минимумы и максимумы в амплитудночастотной и в фазо-частотной характеристиках. Студенту в динамике демонстрируется, как составлять уравнения, связывающие амплитуду и угол сдвига фазы с частотой. После окончания процедуры составления уравнений студенту предлагается проанализировать формулы и выбрать вид графика из восьми вариантов. После трёх неудачных попыток задача считается нерешённой;
• — произвести для трёхфазных потребителей контроль конечных и промежуточных расчётов;
• — проверить при построении векторных диаграмм трёхфазной цепи правильность расчётов векторных диаграмм. Если расчёты выполнены правильно, то на экране монитора изображены векторные диаграммы до включения (или выключения) участков цепи.

При выполнении лабораторных работ студенты имеют возможность выполнить до 11 различных работ, в том числе работы по неразветвлённым и разветвлённым однофазным электрическим сетям, изучить явления резонанса напряжения и токов, исследовать различного вида соединения в трёхфазных электрических сетях, изучить работу трансформатора и электродвигателя, изучить переходные процессы в сетях постоянного тока, исследовать работу различных схем выпрямителей, изучить работу диодов и триодов в различных электрических схемах, изучить работу операционных усилителей, логических и цифровых схем.

При вызове исполнительной программы на экране монитора изображается подробная схема электрической цепи с встроенными измерительными приборами и источниками питания. На экране монитора выделено окно, в котором, как на экране осциллографа, изображаются стационарные и переходные процессы, протекающие в электрических цепях. В выделенном окне изображены задатчики, с помошью которых можно изменять параметры электрической цепи. При изменении положения какого-либо задатчика производится математическая обработка этого изменения, а результаты расчётов выводятся на экран в виде цифровой информации, в виде отклонённой стрелки измерительных приборов или как изменения векторных диаграмм.

Десятилетний опыт проведения лабораторных работ на компьютере показал ряд преимуществ по сравнению с работами на стендах, которые заключаются в следующем:

• — студенты получают возможность более углубленно заниматься исследованием электрических цепей, гак как на физических стендах более половины времени занимает сборка электрической цепи с помощью коммутационных шнуров и поиски потерь в контактах. За время лабораторных работ появляется возможность изучить и проанализировать значительно больше ситуаций и режимов, которые могут возникнуть в электрических цепях;
• — компьютер позволяет моделировать и предупреждать возникновение предаварийных и аварийных ситуаций. «Короткое замыкание» или значительное «зашкаливание» приборов вследствие ошибок, допущенных студентами, не приводит к выходу из строя физических приборов. О неправильных действиях студенты предупреждаются звуковым сигналом и мигающими рамками в изображении приборов;
• — в электрическую цепь всегда можно включить «идеальные» элементы, например, катушку, обладающую нулевым активным сопротивлением, диод, не имеющий внутреннего сопротивления, и т. п.;
• — при работе на компьютере можно в режиме реального времени изучить, например, изменение векторов напряжений, токов или мощностей при любом изменении параметров электрической цепи;
• — компьютер позволяет «организовать» приборы, измеряющие какие-либо параметры цепи, например, реактивную мощность, со."р, эквивалентную ёмкость или индуктивность в схемах замещения и т. п.

Проведение лабораторных работ по электротехнике и электронике на компьютере является перспективным направлением и, безусловно, не исключает физические стенды для приобретения у студентов навыков работы с реальными измерительными приборами и другими устройствами. Так как в основу электронных моделей положены реальные элементы физических стендов, поэтому особенно эффективна параллельная работа на компьютере и физических стендах. При этом студент предварительно производит все необходимые действия на компьютере, получает представление об изменениях параметров электрической цепи, а затем переходит к действиям на физическом стенде.

Наиболее сложную часть программного обеспечения представляют программы, связанные с анализом электрических схем, собранных студентами на компьютере из отдельных элементов. На этом этапе предлагается разместить на экране монитора набор из источников питания, активнореактивных сопротивлений, отдельных электротехнических устройств и измерительных приборов, а затем соединить эти элементы в замкнутую электрическую цепь для исследования переходных и стационарных электрических процессов. Компьютер проверяет правильность подключения всего этого набора к источнику питания, наличие в опытах всех необходимых измерительных приборов и правильность их подсоединения и в случае обнаружения ошибок указывает на них сигналом.

Лабораторные работы по электронике желательно полностью проводить на компьютере, который позволяет изучать не только отдельные электронные приборы, но и интегрированные аналоговые и цифровые микросхемы.

Использование информационной базы математических моделей аппаратов химической технологии делает более предметным курс электротехники. В этом случае на экране монитора одновременно отображаются как технологические процессы, протекающие в аппаратах, так и процессы, протекающие в электрических цепях, образуемые электрооборудованием (приводами насосов, нагревателями и т. п.).

Применение компьютеров существенно смещает акценты преподавания, настраивая студентов на самостоятельное выполнение задания и самооценку результатов расчётов. Преподаватель в определённой мере освобождается от контроля промежуточных математических расчётов, произведённых студентами, сосредотачивая своё внимание на объяснении принципиальных ошибок, допущенных при анализе или преобразовании электрических цепей или в применении законов электротехники, что особенно важно при больших потоках студентов. Относительная лёгкость изменения вариантов начальных условий позволяет существенно разнообразить задачи, не допуская их повторения.

В учебном пособии изложены основные теоретические положения электротехники, микроэлектроники и автоматики, изучение которых необходимо для выполнения расчётных, курсовых и лабораторных работ.

Учебное пособие состоит из двух томов. В первом томе приведен основной материал об источниках электрической энергии, резистивном элементе. Даны методы анализа и расчета электрических цепей постоянного тока и примеры такого расчета на компьютере.

Во втором томе рассмотрены принципы действия, основные свойства и характеристики полупроводниковых приборов-диодов, биполярных и полевых транзисторов, даны схемы их включения и управления, продемонстрированы возможности управления электроприводом с помощью полупроводниковых приборов.

В результате изучения материалов учебного пособия студент должен:

знать

• • понятия активного, ёмкостного и нелинейного элементов электрических цепей;
• • способы соединения трёхфазных генераторов и потребителей;
• • принципы действия, основные рабочие и энергетические характеристики трансформаторов и электрических машин (асинхронной, синхронной, постоянного тока);
• • основные схемы выпрямления переменного тока и диодные схемы ограничения;
• • схемы включения, статистические и динамические характеристики транзисторов;
• • свойства операционных усилителей и схемы инвертирования, дифференцирования и интегрирования;
• • основы электроснабжения промышленных предприятий, источники электрической и тепловой энергии, применяемые в промышленности;

уметь

• • выполнять лабораторные работы на компьютере;
• • обобщать и систематизировать полученные знания;
• • выбирать необходимые методы для реализации поставленных задач;

владеть

• методами расчета однофазных цепей синусоидального тока;

• • методами анализа и расчета симметричных и несимметричных трехфазных цепей переменного тока;
• • методами регулирования частоты вращения, пуска электродвигателей переменного и постоянного токов;
• • навыками работы с учебной и научной литературой по дисциплине.

Предлагаемое учебное пособие будет полезным для студентов высших учебных заведений технических и технологических специальностей.

Авторы выражают большую благодарность академику РАН П. Д. Саркисову за общее редактирование рукописи, рецензентам за ценные замечания и внимание, проявленное при подготовке рукописи к изданию, а также сотрудникам кафедры электротехники и электроники РХТУ им. Д. И. Менделеева, персонально доценту М. Т. Чиркову.

Л. С. Гордеев написал главы 1, 3, 4 и приложения.

Д. П. Вент — главы 3, 5, 7, 9, 10, 11.

Ю. А. Комиссаров — главы 1—9 и приложения.

Г. И. Бабокин — главы 3, 5, 7, 10, 11.

Авторы надеются, что это издание позволит в дальнейшем укреплять и развивать отдельные вопросы, связанные с методологией обучения студентов основам электротехники, электроники и автоматики в инновационном направлении обучения.

Авторы также с благодарностью примут все замечания и пожелания читателей, которые просим направлять по адресу: 125 047, г. Москва, Миусская пл. 9, РХТУ им. Д. И. Менделеева.