Бесконтактные электрические аппараты систем автоматики

1
1. ЦЕЛИ ОСВОЕНИЯ ДИСЦИПЛИНЫ
В результате освоения данной дисциплины магистрант приобретает знания,
умения и навыки, обеспечивающие достижение целей Ц2 и Ц3 основной образовательной программы «Технология проектирования и производства электромеханических преобразователей энергии».
Дисциплина нацелена на подготовку магистрантов к:
- анализу состояния и динамики объектов деятельности;
- созданию теоретических моделей, позволяющих прогнозировать свойства и
поведение объектов деятельности;
- проведению экспериментальных исследований;
- разработке планов, программ и методик проведения испытаний бесконтактных электрических аппаратов и их элементов;
- применению методов анализа, синтеза и оптимизации процессов обеспечения качества, испытаний и сертификации продукции;
- использованию компьютерных сетей для создания информационной базы
конкретного научного исследования;
- разработке и использованию систем автоматизированного проведения эксперимента;
- использованию компьютерных технологий моделирования и обработки результатов;
- оформлению результатов исследований в виде научной публикации;
2. МЕСТО ДИСЦИПЛИНЫ В СТРУКТУРЕ ООП
Дисциплина относится к специальным дисциплинам профессионального цикла
(СДМ.В.2.2). Она непосредственно связана с дисциплинами естественнонаучного и
математического цикла (физика, химия, математика) и общепрофессионального
цикла (теоретические основы электротехники, физические основы электроники) и
опирается на освоенные при изучении данных дисциплин знания и умения. Кореквизитами для дисциплины «Бесконтактные электрические аппараты» являются
дисциплины ЕНМ и ОП циклов: «Электрические и электронные аппараты», «Силовые электрические аппараты», «Основы теории электрических аппаратов», «Проектирование электрических аппаратов».
3. РЕЗУЛЬТАТЫ ОСВОЕНИЯ ДИСЦИПЛИНЫ
При изучении дисциплины магистранты должны научиться самостоятельно
проектировать и разрабатывать технологии производства различных элементов
электромеханических преобразователей энергии, планировать проведение эксперимента, выбирать оптимальные методики и оборудование для экспериментальных и
теоретических исследований, проводить обработку полученных результатов.
После изучения данной дисциплины магистранты приобретают знания, умения и опыт, соответствующие результатам основной образовательной программы:
Р1, Р3, Р5*. Соответствие результатов освоения дисциплины «Бесконтактные электрические аппараты» формируемым компетенциям ООП представлено в таблице 1.
2
Таблица 1
Соответствие результатов освоения дисциплины
формируемым компетенциям ООП
Формируемые
компетенции в
Результаты освоения дисциплины
соответствии с
ООП*
З.1.1, З.1.2,
В результате освоения дисциплины магистрант должен знать:
З.3.1, З.3.3,
современные естественнонаучные и прикладные задачи электроЗ.5.1.
энергетики и электротехники, методы и средства их решения в
научно-исследовательской, проектно-конструкторской, производственно-технологической и других видах профессиональной деятельности; технологии и средства обработки информации и оценки
результатов применительно к решению профессиональных задач.
У.1.1, У.1.2,
В результате освоения дисциплины магистрант должен уметь:
У.3.1, У.5.1,
Находить нестандартные решения профессиональных задач; приУ.5.2, У.5.3.
менять современные методы и средства исследования, проектирования, технологической подготовки производства и эксплуатации
бесконтактных электрических аппаратов. Планировать, проводить
и оценивать результаты экспериментальной исследовательской
работы; формулировать технические задачи с учетом наличия соответствующего оборудования и методик; интегрировать различные методы и методики исследований бесконтактных электрических аппаратов для решения конкретных задач; модернизировать
методики проектирования, получения и обработки данных; критически оценивать полученные экспериментальные данные и определять их перспективность; находить и использовать научнотехническую информацию в исследуемой области из различных
ресурсов, в том числе на иностранных языках.
В.1.1, В.1.2,
В результате освоения дисциплины магистрант должен владеть:
В.1.3, В.3.2,
Современными измерительными и компьютерными системами и
В.3.3, В.5.1,
технологиями проектирования и производства бесконтактных
В.5.2.
электрических аппаратов, а также навыками работы с научноисследовательским оборудованием; Устойчивыми навыками проведения экспериментов с выбором оптимальных методик и оборудования для исследований, обработки, систематизации и анализа
полученных результатов. Иметь опыт работы и использования в
ходе проведения исследований научно-технической информации,
Internet-ресурсов, баз данных и каталогов, электронных журналов
и патентов, поисковых ресурсов и др. в области высокотехнологичного производства электрических аппаратов, в том числе, на
иностранном языке.
*Расшифровка кодов результатов обучения и формируемых компетенций
представлена в Основной образовательной программе подготовки магистров по
3
направлению 140600.02 «Технология проектирования и производства электромеханических преобразователей энергии».
4. СТРУКТУРА И СОДЕРЖАНИЕ ДИСЦИПЛИНЫ
При сдаче отчетов, рефератов и защиты проводится устное собеседование.
4.1. Содержание разделов дисциплины
Раздел 1. Общие вопросы теории бесконтактных аппаратов
Лекция. Перспективы применения электронных аппаратов, области применения электронных элементов в электроаппаратостроении. Достоинства и недостатки
аппаратов с электронными и магнитными элементами.
Лабораторная работа. Вводное занятие.
Раздел 2. Магнитные усилители. Магнитные бесконтактные элементы
электрических аппаратов
Лекция.Особенности характеристик ферромагнитных материалов. Теории магнитного усиления. Дроссель насыщения без подмагничивания. Дроссель насыщения
с подмагничиванием. Дроссель насыщения с самоподмагничиванием. Основные
схемы двухполупериодных дроссельных магнитных усилителей с самоподмагничиванием. Основы расчета дросселей насыщения. Специальные схемы магнитных
усилителей. Бесконтактные магнитные реле.
Практическое занятие.
Обзор тематик курсового проектирования. Анализ существующих схемных
решений. Выбор схемы.
Раздел 3. Полупроводниковые бесконтактные электрические аппараты
Лекция. Принцип построения и анализ работы основных схем бесконтактных
полупроводниковых реле (БПР). Усилители с обратной связью в релейном режиме.
Некоторые разновидности схем БПР. Примеры использования БПР в электроаппаратостроении. Релейные элементы на полупроводниках. Релейный усилитель с питанием от источника переменного тока.
Многокаскадные предварительные усилители. Выходные каскады усилителей
на транзисторах.
Бесконтактные коммутирующие и регулирующие полупроводниковые устройства переменного тока.
Тиристорные коммутирующие и регулирующие устройства в сетях переменного тока. Фазорегулирующие устройства. Работа фазорегулируемых тиристорных
усилителей. Тиристорные коммутаторы. Примеры практического использования
тиристорных коммутирующих и регулирующих устройств.
Лабораторная работа 1. Вентильные коммутаторы в трехфазных цепях
переменного тока.
Лабораторная работа 2. Ключевой транзисторный усилитель.
Практические занятия. Расчет и выбор элементов электрической схемы.
Раздел 4. Бесконтактные датчики и выключатели
Лекция. Индукционные динамические линейные датчики на шихтованных и
сплошных магнитопроводах. Линейные дифференциальные трансформаторы. Датчики угловых и линейных перемещений. Индуктивные датчики. Конструирование
датчиков перемещений. Бесконтактные путевые выключатели.
4
Лабораторная работа 3. Датчики угловых перемещений.
Практическое занятие. Расчет и выбор элементов электрической схемы.
Раздел 5. Бесконтактные электрические аппараты на оптоэлектронных
полупроводниковых приборах
Лекция. Применение оптоэлектронных приборов в электрических аппаратах.
Оптоэлектронное реле. Релейные усилители на оптронах. Усилители с оптронами в
цепи управления. Усилители с оптронами в силовой цепи.
Лабораторная работа 4. Датчики линейных перемещений.
Практическое занятие. Расчет и выбор элементов электрической схемы.
Раздел 6. Бесконтактная аппаратура защиты энергоустановок
Лекция. Реле защиты на операционных усилителях. Проектирование операционных усилителей. Типы серийных реле защиты на операционных усилителях.
Примеры полупроводниковых реле на интегральных операционных усилителях.
Лабораторная работа 5. Реле контроля и защиты электроустановок.
Практическое занятие. Поверочный и тепловой расчеты схемы.
Раздел 7. Бесконтактные логические элементы
Лекция. Электромагнитные реле. Логические бесконтактные элементы на полупроводниковых диодах, магнитных и ферромагнитных сердечниках. Транзисторные логические элементы. Принцип построения. Параметры элементов. Влияние
некоторых факторов. Расчет элементов. Магнитоуправляемые герконы.
Лабораторная работа 6. Исследование характеристик коммутационных
устройств на основе логических элементов.
Практическое занятие. Расчет надежности элементов схемы.
Раздел 8. Микропроцессоры в электрических аппаратах
Лекция. Микропроцессоры, устройства с микропроцессорами. Конструкции
микропроцессорных контроллеров. Применение микроконтроллеров в электроаппаратостроении. Микропроцессорные аппараты защиты. Аппаратура пуска двигателей. Микропроцессорные системы контроля защитной и коммутационной аппаратуры.
Лабораторная работа. Защита рефератов и отчетов.
Практическое занятие. Оформление графической части. Итоговое занятие.
4.3. Распределение компетенций по разделам дисциплины
Распределение по разделам дисциплины планируемых результатов обучения
по основной образовательной программе, формируемых в рамках данной дисциплины и указанных в пункте 3.
№
1.
2.
3.
4.
5.
6.
Формируемые
компетенции
З.1.1
З.1.2.
З.3.1.
З.3.3.
З.5.1.
У.1.1.
1
2
3
Разделы дисциплины
4
5
х
х
х
х
х
х
х
х
х
х
5
6
7
8
х
х
х
х
х
х
7.
8.
9.
10.
11.
12.
13.
14.
15.
16.
17.
18.
У.1.2.
У.3.1.
У.5.1.
У.5.2.
У.5.3.
В.1.1.
В.1.2.
В.1.3.
В.3.2.
В.3.3.
В.5.1.
В.5.2.
х
х
х
х
х
х
х
х
х
х
х
х
х
х
х
х
х
х
Х
х
х
х
х
х
х
х
5. ОБРАЗОВАТЕЛЬНЫЕ ТЕХНОЛОГИИ
При освоении дисциплины используются следующие сочетания видов учебной
работы с методами и формами активизации познавательной деятельности магистрантов для достижения запланированных результатов обучения и формирования
компетенций.
Методы и формы
активизации
деятельности
Дискуссия
IT-методы
Командная работа
Разбор кейсов
Опережающая СРС
Индивидуальное обучение
Проблемное обучение
Обучение на основе опыта
ЛК
х
х
х
Виды учебной деятельности
Практ.
ЛБ
занятия
х
х
х
х
х
х
х
х
х
х
х
х
х
х
х
СРС
х
х
х
х
х
х
Для достижения поставленных целей преподавания дисциплины реализуются следующие средства, способы и организационные мероприятия:
 изучение теоретического материала дисциплины на лекциях с использованием
компьютерных технологий;
 самостоятельное изучение теоретического материала дисциплины с использованием Internet-ресурсов, информационных баз, методических разработок, специальной учебной и научной литературы;
 закрепление теоретического материала при проведении лабораторных работ с
использованием учебного и научного оборудования и приборов, выполнения проблемно-ориентированных, поисковых, творческих заданий.
6
6. ОРГАНИЗАЦИЯ И УЧЕБНО-МЕТОДИЧЕСКОЕ ОБЕСПЕЧЕНИЕ
САМОСТОЯТЕЛЬНОЙ РАБОТЫ СТУДЕНТОВ (CРC)
6.1. Текущая и опережающая СРС, направленная на углубление и закрепление
знаний, а также развитие практических умений заключается в:
 работе магистрантов с лекционным материалом, поиск и анализ литературы и
электронных источников информации по заданной проблеме и выбранной теме магистерской диссертации;
 выполнении домашних заданий;
 переводе материалов из тематических информационных ресурсов с иностранных
языков;
 изучении тем, вынесенных на самостоятельную проработку;
 изучении теоретического материала к лабораторным занятиям;
 изучении инструкций к приборам и подготовке к выполнению лабораторных работ;
 подготовке к экзамену.
6.2. Творческая проблемно-ориентированная самостоятельная работа (ТСР)
направлена на развитие интеллектуальных умений, комплекса универсальных
(общекультурных) и профессиональных компетенций, повышение творческого
потенциала магистрантов и заключается в:
– поиске, анализе, структурировании и презентации информации, анализе
научных публикаций по определенной теме исследований;
– анализе статистических и фактических материалов по заданной теме, проведении расчетов, составлении схем и моделей на основе статистических материалов;
– выполнении расчетно-графических работ;
– исследовательской работе и участии в научных студенческих конференциях,
семинарах и олимпиадах.
6.2.1. Примерный перечень научных проблем и направлений научных
исследований:
1. Разработка системы управления вентилями тиристорного коммутирующего
устройства;
2. Подходы, методы и методики проектирования (системотехника) бесконтактных электрических аппаратов;
3. Методы и средства оценки технических характеристик объекта исследований;
4. Методы обеспечения требуемых технических характеристик объекта исследований;
5. Моделирование (аналитическое, программное, физическое) объекта исследований;
6.2.2. Темы курсовых проектов:
• Тиристорное коммутирующее устройство;
• Датчик линейных перемещений;
• Моделирование тиристорного пускателя в программе Autodesk Inventor.
6.2.3. Темы индивидуальных заданий:
• Методика расчета бесконтактного магнитного реле;
• Выбор рабочей точки транзисторного усилителя;
7
• Современное состояние и тенденции развития микропроцессорной техники
в составе бесконтактных аппаратов;
• Обзор и перспективы и современных бесконтактных электрических аппаратов.
6.2.4. Темы, выносимые на самостоятельную проработку:
• анализ влияния обратной связи на характеристики и параметры магнитных
усилителей.
• принципиальные отличия индукционных датчиков от индуктивных;
• модернизация схемы тиристорного коммутирующего устройства заменой тиристоров симисторами;
• изучение программного продукта SprintLayout;
• изучение различных методов исследований, анализа и оптимизации
проектных решений;
• изучение стандартов качества электрической энергии.
6.3. Контроль самостоятельной работы
Оценка результатов самостоятельной работы организуется как единство двух
форм: самоконтроль и контроль со стороны преподавателей.
6.4. Учебно-методическое обеспечение самостоятельной работы студентов
Учебно-методическое обеспечение теоретического раздела дисциплины (лекций) базируется на учебниках и учебных пособиях издательств «Энергоатомиздат»,
«Высшая школа», «Энергия» имеющихся в научно-технической библиотеке ТПУ в
достаточном количестве, а также подкреплено учебным пособием и методическими
указаниями по изучению дисциплины, разработанными сотрудниками кафедры
«Электрические машины и аппараты», «Электроснабжение промышленных предприятий», «Электропривод и электрооборудование» и изданными в ТПУ. При чтении лекций используются современные технические средства обучения.
Учебно-методическое обеспечение курсового проектирования базируется на
учебниках издательств «Энергоатомиздат», «Энергия», «Высшая школа», имеющихся в научно-технической библиотеке ТПУ в достаточном количестве, а также
подкреплено методическими указаниями по расчетам и по конструированию электрических аппаратов, разработанными сотрудниками кафедры «Электрические
машины и аппараты» и «Электроснабжение промышленных предприятий», изданными в ТПУ.
7. СРЕДСТВА ТЕКУЩЕЙ И ИТОГОВОЙ ОЦЕНКИ КАЧЕСТВА
ОСВОЕНИЯ ДИСЦИПЛИНЫ (ФОНД ОЦЕНОЧНЫХ СРЕДСТВ)
Оценка успеваемости магистрантов осуществляется по результатам:
- самостоятельного (под контролем учебного мастера) выполнения лабораторной
работы;
- взаимного рецензирования магистрантами работ друг друга;
- анализа подготовленных магистрантами рефератов;
- устного опроса при сдаче выполненных индивидуальных заданий, защите отчетов
по лабораторным работам и во время экзамена в десятом семестре (для выявления
знания и понимания теоретического материала дисциплины).
7.1. Требования к содержанию экзаменационных вопросов
Экзаменационные билеты включают три типа заданий:
1. Теоретический вопрос.
8
2. Проблемный вопрос или расчетная задача.
7.2. Примеры экзаменационных вопросов
1. Дать определение и охарактеризовать основные типы бесконтактных электрических аппаратов.
2. Привести методику расчета рабочей точки транзисторного каскада, выполненного по схеме с общим эмиттером.
8. УЧЕБНО-МЕТОДИЧЕСКОЕ И ИНФОРМАЦИОННОЕ
ОБЕСПЕЧЕНИЕ ДИСЦИПЛИНЫ
8.1. Перечень используемых информационных продуктов
Комплексное методическое обеспечение дисциплины «Бесконтактные электрические аппараты» для студентов очного обучения состоит из следующих компонентов:
Основные компоненты:
1. Рабочая программа, рейтинг-лист дисциплины, памятка о рейтинговой системе
оценки знаний.
2. Лекции по дисциплине с использованием программного продукта Microsoft PowerPoint, Microsoft Visio, Autodesk Inventor, Sprint Layout.
3. Лабораторный практикум.
4. Курсовое проектирование.
Дополнительные компоненты:
1. Стандарт предприятия для преподавателей и студентов по лабораторным занятиям и курсовому проектированию.
2. Задания для самостоятельной работы.
3. Задания для рубежных и итоговых контролей.
4. Индивидуальное домашнее задание.
Компьютерные компоненты:
1. Виртуальные варианты лабораторных работ с использованием программного
продукта Electronic Workbench.
2. Программные продукты Autodesk Inventor, Sprint Layout для сопровождения курсового проектирования.
8.2. Перечень рекомендуемой литературы
Основная литература
1. Александров К.К., Кузьмина Е.Г. Электротехнические чертежи и схемы. – М.:
Энергоатомиздат, 1990. – 286 с.
2. Алиев И.И., Абрамов М.Б. Электрические аппараты. Справочник, – М.: РадиоСофт, 2005. – 251 с.
3. Гусев В.Г., Гусев Ю.М. Электроника. – М.: Высшая школа, 1991. – 622 с.
4. Кукеков Г.А., Васерина К.Н., Лунин В.П. Полупроводниковые электрические
аппараты. – Л.: Энергоатомиздат, 1991. – 256 с.
5. Лукутин Б.В. Силовые преобразователи электроэнергии. Учебное пособие. –
Томск: Изд. ТПУ, 1997. – 144 с.
6. Розанов Ю.К. Электрические и электронные аппараты. – М.: Информэлектро,
2001. – 412 с.
9
7. Зиновьев Г.С. Основы силовой электроники. – Новосибирск: Изд-во НГТУ, Часть
первая. 1999. – 199 с.
8. Чунихин А.А. Электрические аппараты. – М.: Энергоатомиздат, 1988. – 720 с.
9. Шопен Л.В. Бесконтактные электрические аппараты автоматики. – М.: Энергия,
1986. – 568 с.
Дополнительная литература
1. Чебовский О.Т. и др. Силовые полупроводниковые приборы. Справочник. – М.:
Энергоатомиздат, 1985. – 400 с.
2. Поскробко А.А., Братолюбов В.Б. Бесконтактные коммутирующие и регулирующие полупроводниковые устройства на переменном токе. – М.: Энергия, 1978. –
190 с.
3. Стабилизаторы переменного напряжения с высокочастотным широтноимпульсным регулированием./А. В. Кобзев, Ю. М. Лебедев, Г. Я. Михальченко и
др. – М.: Энергоатомиздат, 1986. – 152 с.
4. И.Г.Игловский, Г.В. Владимиров. Справочник по слаботочным реле. – М.: Энергоатомиздат, 1984. – 480 с.
6. Кобзев А. В. Многозонная импульсная модуляция. Теория и применение в
системах преобразования параметров электрической энергии. – Новосибирск:
Наука, 1979. – 304с.
7. Гусев В.Г., Гусев Ю.М. Электроника. – М.: Высшая школа, 1991. – 622 с.
8. Чунихин А.А. Электрические аппараты. – М.: Энергоатомиздат, 1988.– 720 с.
9. Лукутин Б.В. Силовые преобразователи электроэнергии. Учебное пособие. –
Томск: Изд-во ТПУ, 1997. – 144 с.
10. К.К.Александров, Е.Г. Кузьмина. Электротехнические чертежи и схемы. – М.:
Энергоатомиздат, 1990. – 286 с.
11. Григораш О.В. Электротехника и электроника: учебник для вузов / О. В. Григораш, Г. А. Султанов, Д. А. Нормов. – Ростов-на-Дону; Краснодар: Феникс:
Неоглори, 2008. – 462 с. : ил.
12. Фромберг Э.М. Конструкции на элементах цифровой техники / Э. М. Фромберг.
– М. : Горячая линия-Телеком, 2002. – 264 с. : ил.
13. Бутырин П.А. Электротехника: учебник / П. А. Бутырин, О. В. Толчеев, Ф. Н.
Шакирзянов; под ред. П. А. Бутырина. – М. : Академия, 2006. – 268 с. : ил.
14. Епифанов А.П. Электромеханические преобразователи энергии: учебное пособие
/ А. П. Епифанов. – СПб.: Лань, 2004. – 208 с.: ил.
15. Яковлев А.А. Разработка множеств технических решений установок для преобразования энергии: монография / А. А. Яковлев. – М.: Машиностроение-1, 2007.
– 128 с.
Методическая литература
1. Лукутин Б.В., Стукач В.С., Богданов Е.П. Тиристорный пускатель. Методические указания к выполнению курсового проекта по дисциплине «Бесконтактные
электрические аппараты». – Томск: ИПФ ТПУ, 2002. – 22 с.
2. Богданов Е.П. Стабилизатор переменного напряжения с многотактной коммутацией. Методические указания к выполнению индивидуального задания по
дисциплине «Бесконтактные электрические аппараты». – Томск: ИПФ ТПУ,
2002. – 13 с.
10
3. Богданов Е.П. Датчики линейных перемещений. Методические указания к выполнению курсового проекта по дисциплине «Бесконтактные электрические аппараты». – Томск: Изд-во ТПУ, 2003. – 20 с.
4. Богданов Е.П. Лабораторный практикум по курсу «Бесконтактные электрические аппараты». – Томск, Изд-во ТПУ, 2002. – 63 с.
Интернет-ресурсы:
http://www.power-e.ru – журнал «Силовая электроника»;
http://www.platan.ru – каталог электронных компонентов;
http://www.electrolab.ru – сайт компании «Учебное оборудование», поставщика лабораторного оборудования различного назначения;
http://www.osp.ru – рекомендации по опубликованию научных трудов;
http://www.vak.ed.go.ru – официальный сайт Высшей аттестационной комиссии Министерства образования и науки Российской Федерации;
http://window.edu.ru/window_catalog/files/2901/metod37.pdf – основы научных исследований;
http://www.gaps.tstu.ru/win-1251/lab/ped/9.html – технология обучения магистрантов
в техническом вузе;
http://www.fips.ru – Федеральная служба по интеллектуальной собственности, патентам и товарным знакам (Роспатент);
http://www.news.elteh.ru – журнал «Новости электротехники».
9. МАТЕРИАЛЬНО-ТЕХНИЧЕСКОЕ ОБЕСПЕЧЕНИЕ ДИСЦИПЛИНЫ
При изучении дисциплины используется оборудование:
1. Технические средства: компьютер, проектор.
2. При выполнении некоторых лабораторных работ магистранты используют оборудование, оснащенное автоматизированными системами с выводом данных на
персональные компьютеры, а также лабораторные стенды:
• Вентильные коммутаторы в трехфазных цепях переменного тока;
• Ключевой транзисторный усилитель;
• Исследование характеристик коммутационных устройств на основе логических элементов;
• Реле контроля и защиты электроустановок;
• Датчики угловых перемещений;
• Датчики линейных перемещений.
11