1. Цели освоения дисциплины

Дисциплина «Электрические машины» входит в состав интегрированной

образовательной программы. Целью изучения дисциплины является оз-

накомление студентов с основами теории и эксплуатационными характери-

стиками электрических машин и трансформаторов, а также формирования

прочной теоретической базы и знаний в области электромеханического и ста-

тического преобразования энергии, принципа действия основных видов элек-

трических машин и трансформаторов и особенностей их применения. Данные

знания позволят им успешно решать теоретические и практические задачи в их

профессиональной деятельности, связанной с проектированием, испытаниями и

эксплуатацией электрических машин и трансформаторов.

Цели освоения дисциплины:

1) формирование у обучающихся инженерных знаний, практических

навыков и универсальных компетенций в области электрических машин и

трансформаторов, гарантирующих высокое качество их подготовки к про-

фессиональной деятельности и позволяющих работать в приоритетных на-

правлениях развития электротехники, проявлять высокий профессионализм в

решении комплексных инженерных проблем в области исследования, проек-

тирования, производства и применения технических объектов, процессов и

систем;

2) развитие способности независимого мышления и творческого подхода

к решению комплексных инженерных проблем в области электротехники и

способности к непрерывному образованию и совершенствованию.

2. Место модуля (дисциплины) в структуре ООП

Дисциплина относится к «Профессиональному циклу» базовой части

направления «Электроэнергетика и электротехника».

Для успешного освоения дисциплины слушателю необходимо:

знать: методы решения дифференциальных уравнений, операционное

исчисление; законы электромеханики, терминологию, основные определения;

наименования и свойства электротехнических материалов;

уметь: анализировать и описать физические процессы, протекающие в

электромеханических устройствах;

иметь опыт: использования современной информационно-

вычислительной техники при выполнении и оформлении отчетов и индиви-

дуального домашнего задания; анализа и описания установившихся процессов в

системах, включающих электрические машины и трансформаторы; испытания

электрических машин и трансформаторов. Дисциплине «Электрические

машины» предшествует освоение дисциплин (ПРЕРЕКВИЗИТЫ):

- Б1.БМ2.3 Математика 3.2;

- Б1.БМ2.5 Физика 2.1

- Б1. Теоретические основы электротехники 1.1; - ДИСЦ.Б.М10 Теоретические основы электротехники 2.1;

- ДИСЦ.В.М4 Электротехническое материаловедение.

Содержание разделов дисциплины «Электрические машины» согласовано с

содержанием дисциплин, изучаемых параллельно (КОРЕКВИЗИТЫ):

- ДИСЦ.В.М8 Электроснабжение и электропотребление на

предприятиях;

- ДИСЦ.В.М9 Электроснабжение и электропотребление на

предприятиях

Дисциплина «Электрические машины» относится к

общепрофессиональным дисциплинам при подготовке бакалавров по

направлению 13.03.02 Электроэнергетика и электротехника. В задачу

изучения дисциплины входит приобретение теоретических и практических

навыков в расчетной и экспериментальной деятельности, связанных с

использованием электрических машин и трансформаторов на электростанциях,

промышленных предприятиях и быту. Для достижения целей, поставленных при

изучении курса - овладении знаниями и умениями пользоваться ими для

решения инженерных задач,- используется полный набор методических средств:

лекции, практические занятия, курсовое проектирование, самостоятельная

познавательная деятельность студентов. При освоении курса проводятся

индивидуальные и групповые консультации по теоретическим и практическим

вопросам курса, целевые индивидуальные и групповые консультации в

специализированных аудиториях кафедры с натурными образцами изучаемых

электромеханических устройств.

3. Результаты освоения дисциплины (модуля)

В соответствии с требованиями ООП освоение дисциплины «Электрические

машины» направлено на формирование у студентов следующих компетенций

(результатов обучения), в т.ч. в соответствии с ФГОС:

Код Знания Код Умения Код

Владение

опытом

Р5. З.5.1

государственного языка,

моральных, культурных

и этических норм,

принятых в различных

сферах общественной

жизни

У.5.2

логически верно,

аргументированно и

ясно строить устную

и письменную речь

В.5.1

аргументированного

письменного изложения

собственной точки

зрения, навыками

публичной речи,

аргументации, ведения

дискуссий и полемики

Р10. У.10.1

применять

компьютерную

технику,

информационные и

сетевые технологии

в своей

профессиональной

деятельности

В.10.1

использования

современных

технических средств и

информационных

технологий в

профессиональной

области

Р11.

.

З.11.1

основных понятий и

содержание

классических разделов

высшей математики

(аналитической

геометрии, линейной

алгебры,

дифференциального и

интегрального

исчисления, теории

вероятности,

математической

статистики, функций

комплексного

переменного, рядов

Фурье и численных

методов решения

алгебраических и

дифференциальных

уравнений

У.11.1

применять методов

математического

анализа при

решении

прикладных задач в

профессиональной

среде

В.11.1

методов

математического и

физического

моделирования

режимов, процессов и

состояния объектов

электроэнергетики

З.11.2

основных физических

явлений и законов

механики,

электротехники,

органической и

неорганической химии,

теплотехники, оптики

ядерной физики и их

математическое

описание

У.11.2

выявлять

физическую

сущность явлений и

процессов в

устройствах

различной

физической

природы и

выполнять

применительно к

ним простые

технические

расчеты

В.11.2

анализа физических

явлений в

электроэнергетических

объектах и системах

электроснабжения

В результате освоения дисциплины студентом должны быть достигнуты

следующие результаты:

Таблица

2

Планируемые результаты освоения дисциплины

Р5 Обладать способностью к коммуникации в устной и письменной формах для

решения задач межличностного и межкультурного взаимодействия

Р10

Осуществлять поиск, хранение, обработку и анализ информации из

различных источников и баз данных, представлять ее в требуемом формате с

использованием информационных, компьютерных и сетевых технологий

для составления отчетов и обмена технической информацией в области

электрических машин и трансформаторов.

Р11 Применять соответствующие инженерные знания, компьютерные технологии

для решения задач расчета и анализа электрических машин и трансформаторов

4. Структура и содержание дисциплины

Раздел 1. Введение

Законы и общие правила в электромеханике. Роль и место электрической

машины и трансформатора в преобразовании энергии. Раздел 2.

Трансформаторы

Силовые трансформаторы. Устройство и принцип действия. Элементы

конструкции. Магнитопроводы: стержневые, броневые, бронестержневые

однофазных и трехфазных трансформаторов. Обмотки трансформаторов: ци-

линдрические, винтовые, непрерывные катушечные. Групповой трансформатор.

Основные уравнения трансформатора. Коэффициент трансформации.

Повышающий и понижающий трансформатор. Приведенный трансформатор.

Схемы замещения двухобмоточного трансформатора (Т-образная, Г- образная).

Векторные диаграммы трансформатора под нагрузкой (активно- индуктивной,

активно-емкостной). Опыт холостого хода трансформатора: электрическая

схема, схема замещения, ток холостого хода, потери холостого хода,

характеристики холостого хода, векторная диаграмма. Опыт короткого

замыкания трансформатора: электрическая схема, схема замещения, напряжение

короткого замыкания, потери короткого замыкания, характеристики короткого

замыкания, векторная диаграмма. Определение параметров схемы замещения по

опытам холостого хода и короткого замыкания. Работа трансформатора при

нагрузке. Изменение напряжения трансформатора при нагрузке. Регулирование

вторичного напряжения. Внешняя характеристика,

Потери и КПД трансформатора при различных величинах и характерах

нагрузки. Условие максимума КПД.

Схемы и группы соединения обмоток трансформатора.

Параллельная работа трансформаторов. Условия включения и распре-

деления нагрузки между трансформаторами при параллельной работе.

Перечень лабораторных работ по разделу:

Лабораторная работа 1. Исследование двухобмоточного трехфазного

трансформатора при симметричной нагрузке.

Лабораторная работа 2. Исследование параллельной работы однофазных

трансформаторов.

Раздел 3. Общие вопросы теории электрических машин переменного

тока

Основные элементы конструкции электромеханических преобразователей

переменного тока. Принцип взаимного преобразования электрической и

механической энергии в индукционных преобразователях. Электрические

машины переменного тока (синхронные, асинхронные). Принцип обратимости

преобразования энергии в электрических машинах. Создание вращающегося

магнитного поля. Пульсирующие, эллиптические и круговые поля.

Раздел 4. Асинхронные машины (АМ)

Основные уравнения АМ. Схемы замещения (Т-образная, Г-образная).

Электромагнитный вращающий момент АД. Режимы работы АМ: двигателя,

генератора, электромагнитного тормоза. Скольжение. Электромагнитный

вращающий момент АМ в режиме двигателя при различных значениях угла

между ЭДС и током обмотки ротора.

Способы пуска АД с короткозамкнутым ротором. Прямой способ пуска,

ограничения при его применении. Реакторный, автотрансформаторный,

переключением звезда-треугольник. Пуск АД с фазным ротором. АД с ко-

роткозамкнутым ротором с улучшенными пусковыми характеристиками.

Регулирование частоты вращения АД. Регулирование частоты вращения

АД изменением частоты вращения поля. Регулирование частоты вращения АД

изменением скольжения (изменением величины питающего напряжения,

изменением активного сопротивления обмотки ротора, введением добавочной

ЭДС в обмотку ротора).

Перечень лабораторных работ по разделу:

Лабораторная работа 3. Исследование асинхронного двигателя с фазным

ротором.

Раздел 5. Синхронные машины (СМ)

Явнополюсные и неявнополюсные СМ. Возбуждение СМ: независимое,

вентильное (с самовозбуждением, независимое, бесщеточное).

Магнитное поле обмотки возбуждения явнополюсной и неявнополюс- ной

СМ. Магнитное поле обмотки якоря в явнополюсной СМ. Реакция якоря.

Основные уравнения СМ. Векторные диаграммы токов, потоков, ЭДС и

напряжения явнополюсного синхронного генератора при различных характерах

симметричной нагрузки. Угол нагрузки. Перегрузочная способность,

статическая устойчивость синхронных машин. Векторные диаграммы Блонделя

для неявнополюсного синхронного генератора при различных характерах

симметричной нагрузки.

Характеристики синхронного генератора: характеристика холостого хода,

внешняя, нагрузочная, регулировочная, короткого замыкания. Отношение

короткого замыкания.

Параллельная работа синхронных генераторов. Условия включения ге-

нераторов на параллельную работу. Синхронизация генераторов, методы

синхронизации. Угловая характеристика активной мощности СМ. Понятие о

статической устойчивости.

Перечень лабораторных работ по разделу:

Лабораторная работа 4. Исследование характеристик трехфазного

синхронного генератора.

Лабораторная работа 5. Исследование синхронного генератора при

параллельной работе с сетью.

Раздел 6. Машины постоянного тока (МПТ)

Основные элементы конструкции и принцип действия электромехани-

ческих преобразователей постоянного тока. Магнитное поле обмотки возбу-

ждения, магнитное поле обмотки якоря. Результирующее магнитное поле,

геометрическая и физическая нейтрали. Основные уравнения, ЭДС, электро-

магнитный момент МПТ.

Генераторы постоянного тока независимого, параллельного, смешанного

возбуждения. Условия самовозбуждения генераторов параллельного воз-

буждения. Основные характеристики генераторов.

Двигатели постоянного тока. Пуск двигателей в ход. Особенности пуска

ДПТ параллельного и последовательного возбуждения

Скоростная, механическая, моментная характеристики ДПТ параллель-

ного, последовательного и смешанного возбуждения. Рабочие характеристики

двигателей постоянного тока.

Перечень лабораторных работ по разделу:

Лабораторная работа 6. Исследование генератора постоянного тока

независимого возбуждения.

6. Организация и учебно-методическое обеспечение

самостоятельной работы студентов 6.1. Виды и формы

самостоятельной работы

Самостоятельная работа студентов включает текущую и творческую

проблемно-ориентированную самостоятельную работу (ТСР).

Текущая СРС направлена на углубление и закрепление знаний студента,

развитие практических умений и включает:

- работа с лекционным материалом, поиск и обзор литературы и элек-

тронных источников информации по индивидуально заданной про-

блеме курса; - опережающая самостоятельная работа;

- изучение тем, вынесенных на самостоятельную проработку;

- подготовка к лабораторным работам, к практическим и семинарским

занятиям;

- подготовка к контрольной работе, к зачету, экзамену.

Творческая самостоятельная работа включает:

- поиск, анализ, структурирование и презентация информации; - выполнение курсового проекта;

- исследовательская работа и участие в студенческих олимпиадах;

- анализ научных публикаций по заранее определенной преподавателем

теме.

6.3. Контроль самостоятельной работы

Оценка результатов самостоятельной работы организуется следующим

образом:

- защиты лабораторных работ в соответствии графиком выполнения;

- защиты рефератов по выполненным обзорным работам и проведен-

ным исследованиям;

- представления выполненного материала по курсовому проекту;

- результатов ответов на контрольные вопросы;

- опроса студентов на практических занятиях.

вопросы входного контроля;

- контрольные вопросы, задаваемых при выполнении и защитах

лабораторных работ;

- контрольные вопросы, задаваемые при проведении практических за-

нятий,

вопросы для самоконтроля; вопросы тестирований; вопросы,

выносимые на экзамены и зачеты. Примеры тестовых заданий.

1. КОЭФФИЦИЕНТ ТРАНСФОРМАЦИИ ПРИВЕДЕННОГО ТРАНСФОР-

МАТОРА РАВЕН ОТНОШЕНИЮ ЧИСЛА ВИТКОВ 1 ) первичной и вторичной обмоток 2 ) вторичной и первичной обмоток 3 ) первичной и приведенной вторичной обмоток 4 ) приведенных первичной и вторичной обмоток

2. УРАВНЕНИЕ РАВНОВЕСИЯ НАПРЯЖЕНИЙ АД ДЛЯ ОБМОТКИ РО-

ТОРА 1 ) 0 = Е2 + jl2ха2 + h

r2l

s

2 ) 0 = - Е2 + jl2 xC T 2 + 1 2 r2l

s

3 ) 0 = E 2 - j12 - 1

2 r2l

s 4 0 = - E 2 - j12 - 1

2 r2/

s

3. НАИМЕНОВАНИЕ ВЕКТОРА ЭДС НА ДИАГРАММЕ СГ

1) потока рассеяния

2) основного магнитного потока

3) поперечной реакции якоря

4) результирующего магнитного

потока

5) продольной реакции якоря

7. Средства текущей и промежуточной оценки качества освоения дисци-

плины

Оценка качества освоения дисциплины производится по результатам следующих

контролирующих мероприятий: Контролирующие мероприятия Результаты обучения по

дисциплине

Выполнение и защита лабораторных работ Р5, Р10

Представление рефератов Р10

Представление и защита курсового проекта Р10, Р11

Тестирование (контрольные работы) Р11, Р12

Экзамен Р10, Р11

Для оценки качества освоения дисциплины при проведении контролирующих

мероприятий предусмотрены следующие средства (фонд оценочных средств) (с

примерами):

4. ИСХОДНЫЕ ПОЛОЖЕНИЯ РЕОСТАТОВ ПРИ ПУСКЕ ДПТ ПАРАЛ-

ЛЕЛЬНОГО ВОЗБУЖДЕНИЯ: А) ПУСКОВОЙ; Б) ВОЗБУЖДЕНИЯ

1) А - введен, Б - введен

2) А - выведен, Б - введен

3) А - введен, Б - выведен

4) А - выведен, Б - выведен

Примеры вопросов для защиты лабораторных работ.

1. Какие оборудование и приборы необходимы для проведения опытов

холостого хода и короткого замыкания трансформатора?

2. Изобразите и поясните рабочую характеристику r = f (P2) асинхронного

двигателя.

3. Объясните практическое значение внешних и регулировочных характе-

ристик синхронного генератора.

4. О каких свойствах генератора постоянного тока можно судить по его

внешней характеристике?

Пример к защите курсового проекта.

1. Перечислите основные размеры трансформатора.

2. Как обосновывается величина осевого масляного канала?

3. Изложите рассуждения, которыми целесообразно руководствоваться для

устранения недопустимого отклонения расчетного значения потерь

короткого замыкания от заданного.

4. С какой целью сечения стержня и ярма выполняются ступенчатыми?

5. При каком характере нагрузки отклонение напряжения максимальное?

Пример экзаменационного билета.

1. Упрощенная векторная диаграмма трансформатора.

2. Трехфазная асинхронная машина при вращающемся роторе. Уравнения

намагничивающих сил, токов и напряжений.

3. Характеристики синхронного генератора.

4. Реакция якоря в машинах постоянного тока.

8. Рейтинг качества освоения дисциплины

Оценка качества освоения дисциплины в ходе текущей и промежуточной

аттестации обучающихся осуществляется в соответствии с «Руководящими

материалами по текущему контролю успеваемости, промежуточной и итоговой

аттестации студентов Томского политехнического университета»,

утвержденными приказом ректора № 77/од от 29.11.2011 г.

В соответствии с «Календарным планом изучения дисциплины»: - текущая

аттестация (оценка качества усвоения теоретического материала (ответы

на вопросы и др.) и результаты практической деятельности (решение

задач, выполнение заданий, решение проблем и др.) производится в

течение семестра (оценивается в баллах (максимально 60 баллов), к

моменту завершения семестра студент должен набрать не менее 33

баллов);

- промежуточная аттестация (экзамен, зачет) производится в конце семестра

(оценивается в баллах (максимально 40 баллов), на экзамене (зачете)

студент должен набрать не менее 22 баллов).

Итоговый рейтинг по дисциплине определяется суммированием баллов,

полученных в ходе текущей и промежуточной аттестаций. Максимальный

итоговый рейтинг соответствует 100 баллам.

В соответствии с «Календарным планом выполнения курсового проекта»:

- текущая аттестация (оценка качества выполнения разделов и др.) про-

изводится в течение семестра (оценивается в баллах (максимально 40

баллов), к моменту завершения семестра студент должен набрать не менее

22 баллов);

- промежуточная аттестация (защита проекта) производится в конце се-

местра (оценивается в баллах (максимально 60 баллов), по результатам

защиты студент должен набрать не менее 33 баллов).

Итоговый рейтинг выполнения курсового проекта определяется сумми-

рованием баллов, полученных в ходе текущей и промежуточной аттестаций.

Максимальный итоговый рейтинг соответствует 100 баллам.

9. Учебно-методическое и информационное обеспечение дисциплины

Основная литература:

1. Тихомиров П.М. Расчет трансформаторов. Учебное пособие для вузов.

5-е изд., переработ. и доп. - М.: Энергоатомиздат, 2009. - 528 с.

2. Игнатович В.М., Ройз Ш.С. Электрические машины и трансформаторы:

Учебное пособие. - Томск: Изд. ТПУ, 2013.-147 с.

3. Электромеханические преобразователи энергии и трансформаторы.

Лабораторный практикум. / А.И. Верхотуров, В.М. Игнатович, В.И. Попов,

О.Л. Рапопорт, Т.В. Усачева; Томский политехнический университет. - Томск:

Изд-во Томского политехнического университета, 2011. - 152 с. (В ПЕЧАТЕ)

Дополнительная литература:

1. Копылов И.П. Электрические машины: Учеб. для вузов. - 2-е изд., пе-

рераб. - М.: Высш. шк.; Логос; 2000. - 607с.

2. Расчет активной части и оценка эксплуатационных свойств силового

трансформатора: учебное пособие / В.М. Игнатович, Т.В. Усачева; На-

циональный исследовательский Томский политехнический университет. -

Томск: Изд-во Томского политехнического университета, 2011.- 84с.(В ПЕ-

ЧАТЕ)

3. Игнатович В.М., Ройз Ш.С. Электрические машины и трансформаторы.

Методические указания к изучению дисциплин «Электрические машины» и

«Электромеханика».- Томск: Изд. ТПУ, 1999.- 20 с.

4. Верхотуров А.И., Големгрейн В.В., Игнатович В.М., Ройз Ш.С. Элек-

трические машины и трансформаторы. Контрольные вопросы при защите ла-

бораторных работ по дисциплине «Электромеханика». - Томск: Изд. ТПУ, 2005. -

25 с.

5. Трансформаторы. Задания в тестовой форме по дисциплине «Элек-

трические машины»: Учебное пособие / В.М. Игнатович, Т.В. Усачева, Е.А.

Муратова; Национальный исследовательский Томский политехнический

университет, 2010. - 168с.

6. Трансформаторы. Методические указания к выполнению практических

заданий по курсу «Электрические машины» для студентов специальности

140601. - Томск: Изд-во ТПУ, 2005. - 14 с.

7. Асинхронные машины. Задания в тестовой форме по дисциплине

«Электрические машины»: учебное пособие / В.М. Игнатович, Т.В. Усачева, Е.А.

Муратова; Томский политехнический университет. - Томск: Изд-во Томского

политехнического университета, 2011. - 114 с.

8. Синхронные машины. Задания в тестовой форме по дисциплине

«Электрические машины»: учебное пособие / В.М. Игнатович, Т.В. Усачева, Е.А.

Муратова; Томский политехнический университет. - Томск: Изд-во Томского

политехнического университета, 2012. - 143 с.

9. Трансформаторы и электрические машины. Задания в тестовой форме по

защите лабораторных работ: учебное пособие / В.М. Игнатович, Т.В. Усачева;

Томский политехнический университет. - Томск: Изд-во Томского

политехнического университета, 2013. - 233 с.

Internet-ресурсы:

1. http://www.twirpx.com/file/148913/ - Вольдек А.И., Попов В.В. Элек-

трические машины. Машины переменного тока [2008, DJVU].

2. http://www.twirpx.com/file/869562/ - Игнатович В.М., Ройз Ш.З. Элек-

трические машины и трансформаторы [2009,PDF].

3. http://www.lib.tpu.ru/fulltext2/m/2012/m315.pdf.

http://www.twirpx.com/file/653379/ - Верхотуров А.И., Игнатович В.М.,

Попов В.И., Рапопорт О.Л., Усачева Т.В. Электромеханические преоб-

разователи энергии и трансформаторы. Лабораторный практикум [2011,

PDF].

4. http://www.lib.tpu.ru/fulltext2/m/2011/m319.pdf - Игнатович, Виктор

Михайлович. Трансформаторы. Задания в тестовой форме по дисцип-

лине "Электрические машины" [Электронный ресурс].

5. http://stanoks.com/index.php?option=com content&view=article&id=1414:

2013-09-09-09-54-25&catid=97:bookselectrodvigareli&Itemid=284 - Иг-

натович В.М., Усачева Т.В., Муратова Е.А. Асинхронные машины. За-

дания в тестовой форме по дисциплине «Электрические машины».

6. http://www.lib.tpu.ru/fulltext2/m/2013/m053.pdf - Игнатович, Виктор Ми-

хайлович. Синхронные машины. Задания в тестовой форме по дисциплине

"Электрические машины" [Электронный ресурс]

7. http://w1.siemens.com/entry/cc/en - сайт компании Siemens.

8. http://www.news.elteh.ru - журнал «Новости электротехники».

10. Материально – техническое обеспечение дисциплины

– лабораторные работы проводятся в специализированных учебных лабораториях;

– лекции читаются в учебных аудиториях с использованием технических средств;

материал лекций представлен в виде презентаций в Power Point;