Учебное пособие Самара 2009 удк 621 06 icon

Учебное пособие Самара 2009 удк 621 06



Смотрите также:
Учебное пособие Санкт-Петербург 2005 удк 662. 61. 9: 621. 892: 663. 63 Ббк г214(я7)...
Учебное пособие Самара 2007 удк 331. 108. 4(075. 8) Ббк 33(07)...
Учебное пособие Самара 2007 удк 331. 108. 4(075. 8) Ббк 33(07)...
Учебно-методическое пособие Самара 2003 Составитель В,А, дмитриев удк 621...
Учебное пособие Самара 2008 ббк 32. 973. 26-018. 2 Удк...
Учебное пособие Санкт-Петербург 2009 удк 802. 0...
Учебное пособие кемерово 2003 удк: 621. 221 (075)...
Учебное пособие ркп «Политехник» Волгоград 2003 удк 621. 316 925 C69...
Учебное пособие Тамбов 2009 удк 339. 138...
Учебное пособие Практикум Томск 2009 удк 316,6...
Учебное пособие Самара 2002 министерство образования российской федерации самарский...
Учебное пособие Уфа 2009 удк 531(075. 3) Ббк 22. 2я73...



страницы:   1   2   3   4   5   6
скачать
ФЕДЕРАЛЬНОЕ АГЕНТСТВО ПО ОБРАЗОВАНИЮ


ГОСУДАРСТВЕННОЕ ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ

ВЫСШЕГО ПРОФЕССИОНАЛЬНОГО ОБРАЗОВАНИЯ

«САМАРСКИЙ ГОСУДАРТСТВЕННЫЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ»


П.П. ГАВРИШ, Ф.В. ДРЕМОВ, О.В. ЛЫСЕНКО, Ю. А.МЕЛЕШКИН


КОМПЬЮТЕРНОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ ЛИНЕЙНЫХ ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ ЦЕПЕЙ


Учебное пособие


Самара 2009


УДК 621.3.06


Гавриш П.П., Дремов Ф.В., Лысенко О.В., Мелешкин Ю.А. КОМПЬЮТЕРНОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ ЛИНЕЙНЫХ ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ ЦЕПЕЙ. Учебное пособие: - Самара.: СамГТУ, 2009 г.- с.


Рассмотрены основные методы моделирования, виртуальные схемы линейных электрических цепей с целью анализа установившихся и переходных процессов.Для моделирования применена программная система Multisim 10.0. Даны сведения о приемах работы с этим пакетом.

Пособие предназначено для самостоятельной работы и лабораторного практикума студентов электротехнических и машиностроительных специальностей, изучающих теорию электрических цепей в таких дисциплинах как «Теоретические основы электротехники», «Электротехника и электроника», «Общая электротехника и электроника». ISBN

Библиогр.: 7 назв.


Печатается по решению редакционно-издательского совета Самарского государственного технического университета.


Рецензент: доцент кафедры авиационного и радиоэлектронного электрооборудования вертолетов Сызранского высшего военного училища летчиков, к.т.н., Самойлов Ю.Б.


ISBN П. П. Гавриш, Ф.В. Дремов,

Ю.А. Мелешкин, 2009

Самарский государственный

технический университет, 2009


Введение


Пособие представляет руководство по моделированию электрических цепей. В качестве основного программного пакета для моделирования использован MULTISIM10.0. Методы моделирования и схемы представлены на примерах из разделов теории электрических цепей. Приведенные примеры иллюстрируют установившиеся и переходные процессы в линейных электрических цепях постоянного и переменного тока.

При использовании пакета для анализа цепей целесообразно проверять результаты эксперимента расчетным путем, например, с помощью компьютерных математических программ или вручную. В противном случае, не всегда можно быть уверенными, что моделирование проведено без ошибок.

Применение данного способа моделирование наглядно и позволяет подготовить студентов для последующей работы на реальном оборудовании и с реальной элементной базой.

Пособие может быть использовано студентами, изучающими теорию электрических цепей в таких дисциплинах, как «Теоретические основы электротехники», «Электротехника и электроника», «Общая электротехника и электроника», а также при изучении других электротехнических дисциплин. Наиболее эффектным является применение его для проведения лабораторного практикума студентов всех форм обучения. С этой целью в пособии представлены модели, рекомендуемые для лабораторных работ по теории линейных цепей. Даны практические рекомендации по работе программными пакетами при моделировании цепей.

При подготовке пособия использован опыт работы со студентами электротехнического факультета филиала ГОУ ВПО СамГТУ в г. Сызрани, конкретно опыт проведения лабораторного практикума с применением программы Electronics Workbench.

Авторы выражают признательность сотрудникам кафедры ЭИКТ и вычислительного центра филиала за помощь в подготовке данного пособия.



  1. ^ ОСНОВЫ МОДЕЛИРОВАНИЯ В СИСТЕМЕ MULTISIM.


Электронная виртуальная лаборатория в основе которой лежит использование программы MULTISIM (в данном пособии используется пакет MULTISIM 10), позволяет наглядно моделировать и анализировать линейные и нелинейные электрические цепи. Параметры компонентов цепи, режима работы, виды и параметры воздействий можно изменять в широком диапазоне значений.

После запуска программы на экране появляется рабочее поле (наборное поле), предназначенное для виртуального построения принципиальной схемы электрической цепи с подключением к ней необходимых источников воздействий и измерительно – регистрирующих приборов.

Вызов необходимых компонентов осуществляется или нажатием левой кнопки мышки на соответствующем меню панели компонентов, расположенном горизонтально над экраном, или нажатием правой кнопки мышки на пустом месте наборного поля с последующим вызовом меню компонентов через Plase Component.

Компоненты располагаются по группам.

Например, в группе SOURES расположены источники переменного и постоянного напряжения (AC POWER, DC POWER), источники тока и напряжения с воздействием различной формы (SIGNAL CURRENT, SIGNAL VOLTAGE), управляемые источники напряжения и тока (CONTROLLED VOLTA, CONTROLLED GURRE), функциональные преобразователи сигналов (CONTROL FUNCTION), например, перемножители (Multiplier), делители (Divider) сигналов.

В группе BASIC представлен набор пассивных элементов электрической цепи, таких как резисторы (RESISTOR), емкостные элементы (CAPACITOR), индуктивные элементы (INDUCTOR), трансформаторы (TRANSFORMER), переключающие элементы (SWITCH).

Группа DIODES содержит различные диоды и диодные наборы.

В группе TRANSISTOR представлены элементы биполярной и полевой транзисторной техники.

Группа ANALOG представляет всевозможные устройства на основе операционных усилителей.

Сигнальные индикаторы, вольтметры, амперметры представлены в группе INDICATORS.

Кроме вышеназванных, в меню имеются и другие группы (цифровые элементы, элементы электромеханики и другие).

Наряду с источниками и индикаторами, расположенными в группах компонентов цепи, программа располагает большим набором функциональных генераторов, измерительных и регистрирующих приборов, характериографов, меню которых представлено вертикально правее рабочего поля. Из этих приборов для получения первоначальных навыков моделирования целесообразно использовать:

- мультиметр (Multimetr), с помощью которого можно измерять ток, напряжение, сопротивление и относительный уровень сигнала в децибелах (Дб);

- функциональный генератор (Funktion Generator), позволяющий получать синусоидальный, пилообразный и прямоугольный сигналы различной амплитуды, частоты, скважности, с добавлением постоянной составляющей для симметричного и несимметричного воздействия на исследуемую цепь;

- ваттметр (Wattmeter), измеряющий активную мощность и коэффициент мощности (Power Factor);

- двухканальный и четырехканальный осциллографы (Oscilloscope, 4 Channel Oscilloscope) для наблюдения динамики воздействия и реакции электрической цепи;

- измеритель частотных характеристик (Bode Plotter) – для измерения амплитудно-частотных (АЧХ) и фазо – частотных (ФЧХ) характеристик цепи;

- частотный анализатор (Freq Counter) – для частотного анализа сигналов.

После получения навыков моделирования с этими приборами можно профессионально использовать функциональные генераторы и осциллографы с расширенными возможностями (Aqilent Function Generator, Aqilent Oscilloscope, Tektronics Oscilloscope и другие). Кроме того, в этом же меню имеются генерирующие и измерительные устройства для работы с цифровыми схемами.


    1. 1.1 Построение схемы модели, выбор параметров.


В качестве первого шага предлагается смоделировать электрическую цепь постоянного тока, схема которой представлена на рис. 1.1, измерить все токи и напряжения, мощность, потребляемую электрической цепью от источника ЭДС. Потенциалы узлов можно измерить мультиметром в режиме вольтметра или вольтметрами, подключенными к резисторам.




Рис1.1

В программе Multisim использованы другие стандарты изображения элементов. Модель цепи с добавленными в нее измерительными приборами (вольтметрами, амперметрами, ваттметром) представлена на рис. 1.2.




Рис.1.2


Сборка модели может быть проведена следующим образом. В группе меню элементов SOURES, подгруппе Power Soures, находим источник постоянной ЭДС DC Voltaqe и, выделив его, с помощью кнопки ОК переносим элемент на рабочее поле.

В этой же группе, в подгруппе источников тока Signal Current находим идеальный источник постоянного тока DC Current и также переносим его на поле. В этой же группе рекомендуется взять схемные заземлители Cround.

Резисторы аналогичным образом берутся из группы пассивных компонентов Basic. Анализируемые схемы обязательно заземляются. Амперметры, вольтметры необходимо взять из группы Indicators.

При необходимости поворота элемента на 900 необходимо, установив на нем указатель мыши, нажать на правую кнопку и в появившемся окне выбрать знак поворота.

После расстановки элементов в соответствии с предполагаемой конфигурацией модели, для их соединения между собой необходимо, поставив метку на один из зажимов элемента мышкой с нажатой левой кнопкой, отпустить ее и затем, подведя метку к зажиму другого элемента снова щелкнуть левой кнопкой.

После соединения элементов проводится установка их параметров. Эта установка может производится двумя способами:

- элемент с необходимыми параметрами выбирается в группе Basic перед переносом его на поле;

- после установки на поле двойным щелчком левой кнопки мыши на элементе вызывается окно установки параметров элемента. После впечатывания в соответствующие строки окна необходимых параметров, нужно нажать в окне клавишу ОК. При установке параметров необходимо иметь в виду, что режим АС измерительных устройств означает измерение действующего значения переменной составляющей сигнала, а режим ДС – среднее значение его (постоянную составляющую). При использовании осциллографа на его входах режим ДС означает осциллографирование переменного сигнала и постоянной составляющей, а в режиме АС постоянная составляющая на входной каскад усилителя не пропускается.

Вольтметры в группе Indicators имеют большое сопротивление (10 МОм), что вполне достаточно в большинстве случаев. Амперметры имеют очень малое сопротивление (1 нОм). Поэтому без особой необходимости перестраивать их внутреннее сопротивление не нужно.

Для удаления ненужного элемента или ошибочного соединения из рабочего поля необходимо, установив курсор на удаляемом элементе или соединении, щелкнуть левой кнопкой мыши и затем, после выделения элемента, нажать кнопку Delete. Вся схема удаляется полным ее выделением с последующей операцией Delete.

Включение и выключение моделируемой цепи наиболее наглядно и просто производится с помощью виртуальных тумблеров в строке над рабочим экраном. После включения модели, собранной в соответствии с рис. 1.2, на табло измерительных приборов высвечиваются значения измеренных напряжений, токов. Для считывания показаний ваттметра необходимо предварительно щелкнуть по нему дважды левой кнопкой мыши для получения изображения индикаторной панели.

Для первоначального знакомства с моделированием цепи в режиме синусоидального тока и напряжения построим модель простейшей цепи в соответствии со схемой на рис 1.3




Рис 1.3


Построим модель таким образом, чтобы не только замерить ток и напряжение на резисторе R1, но и получить их осциллограммы на двухканальном осциллографе.

Так как осциллограф регистрирует временную диаграмму напряжения, то для получения осциллограммы токового сигнала можно последовательно в ветвь с током включить шунт (Rш <ш=iRшi). Сигнал с шунта подать на вход осциллографа. Этот способ прост, но имеет недостаток: шунт вносит искажение в режим цепи. Особенно усложняется такое моделирование в низкоомных цепях.

Более качественным будет использование датчика тока, в качестве которого можно использовать источник напряжения, управляемый током (ИНУТ). Такой элемент в группе Soures есть, это элемент Gurrend controlled volta. Он имеет нулевое входное сопротивление и не вносит искажений в режим исследуемой цепи. Кроме того, он позволяет регулировать коэффициент управления током. Если установить Ki=1Ом, то сигнал с этого элемента u=kii будет численно равен току ветви.

В качестве источника питания для цепи на рис.1.3 можно использовать источник АС Power из группы Soures или функциональный генератор Funktion Generator из приборного меню в правой части экрана. Собранная модель цепи представлена на рис 1.4.



Рис.1.4


Для настройки функционального генератора установлен режим синусоидального напряжения с амплитудой . и частотой 1кГц.

Измерительные приборы включить в режиме АС. Масштабы по входам осциллографа сигналов напряжения (вход А), и тока (вход В) установлены соответственно 50В/дел и 1 В/дел (т.е. по току 1 А/дел). Время развертки выбирается из соображений наглядности, чтобы на экране были отображены примерно 2 периода сигнала (например, 200 мкс/дел). После включения и последующего и последующего отключения модели на табло амперметра и вольтметра сохраняются действующие значения тока и напряжения, а на экране осциллографа (рис 1.5) будут отображены осциллограммы тока и напряжения. Чтобы зафиксировать сигнал с начала процесса, необходимо «вернуться» в начало координаты времени с помощью движка-регулятора, расположенного непосредственно под экраном осциллографа. На рис 1.5 можно видеть все соответствующие режиму цепи настройки осциллографа.




Рис.1.5


^ 1.2. Основы моделирования электрических цепей в среде MULTISIM.

(Задание для самостоятельного моделирования).


Цель работы: построить в среде MULTISIM модели цепей постоянного и синусоидального тока с включением в заданную цепь необходимых для исследования измерительных приборов. Провести анализ цепей в соответствии с заданием.

Порядок выполнения работы:

  1. Построить модель цепи постоянного тока, схема которой представлена на рис 1.6. в среде MULTISIM.




Рис 1.6


Схему дополнить необходимыми амперметрами и мультиметром с целью выполнения п.2;

  1. Измерить токи в ветвях и потенциалы узлов с целью проверки для узлов и контуров соблюдения законов Кирхгофа. Таблицы для измеряемых параметров составить самостоятельно.

  2. Убедиться, что индуктивный элемент в установившемся режиме в цепи постоянного тока представляет собой закоротку (Rвнутр=0), а емкостный элемент разрыв соответствующей ветви (Rвнутр=);

  3. Построить потенциальную диаграмму для контура abcdea;

  4. Построить модель цепи синусоидального тока, схема которой представлена на рис 1.7в среде MULTISIM




Рис.1.7


  1. Замерить показания измерительных приборов. Определить мощность, рассеиваемую на резисторе, только по показаниям амперметра и вольтметра. Сравнить с показаниями ваттметра.

  2. Заосциллографировать кривую падения напряжения на резисторе. Зарисовать в отчете полученную осциллограмму с указанием масштабов по осям и записать выражение для мгновенного значения этого напряжения u(t).

  3. Сделать выводы по проделанной работе.


^ Содержание отчета:

Отчет должен содержать название работы, цель, схемы моделируемых цепей, результаты экспериментов и расчетов, необходимые графики, осциллограммы и выводы.

Контрольные вопросы:

  1. Пояснить порядок сборки цепи в электронной лаборатории?

  2. Какие приборы для измерения и наблюдения имеются в программе MULTISIM?

  3. Какие режимы работы предусмотрены в используемых измерительных приборах?

  4. Как устанавливаются параметры элементов при моделировании?

  5. Как заосциллографировать кривую тока в какой – либо ветви моделируемой цепи?



^ 2. ИССЛЕДОВАНИЕ ХАРАКТЕРИСТИК ЭЛЕМЕНТОВ ЛИНЕЙНЫХ ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ ЦЕПЕЙ ПОСТОЯННОГО ТОКА


Так как цепи постоянного тока в установившемся режиме всегда активно-резистивные или резистивные, моделирование их проводится с использованием резисторов, независимых и управляемых источников постоянного напряжения и тока, а также индикаторов и измерительных приборов, работающих в режиме DС.

Источники переменного сигнала (АС-источники) могут использоваться в качестве вспомогательных при снятии вольт-амперных характеристик (ВАХ) элементов для инициирования изменения тока или напряжения

( перемещения рабочей точки по ВАХ).

Основными элементами линейных цепей постоянного тока являются активные (идеальный источник напряжения – ЭДС, идеальный источник тока, источники напряжения и тока с конечным внутренним сопротивлением и управляемые источники) и пассивные (резистивные).

ВАХ независимых идеальных источников тока или напряжения может быть получена при работе их на меняющуюся нагрузку (рис. 2.1)




Рис.2.1


Изменяя сопротивление нагрузки с определенным шагом, по результатам измерения можно получить вольт-амперную характеристику элемента.

Недостаток этого способа заключается в ручном поточечном, громоздком исполнении, что можно преодолеть, используя осциллограф в качестве характериографа с отключенной временной разверткой, если на один из входов подать напряжение на элементе, а на другой - изменяемый во времени токовый сигнал (режим А/В или В/А, AVTO, DC). Инициировать изменение тока или напряжения можно с помощью дополнительного источника переменного сигнала.

Сигналы напряжения и тока в указанном режиме будут подаваться на вертикально и горизонтально отклоняющие пластины электронно-лучевой трубки, и на экране появится изображение ВАХ в выбранных по осям масштабах. Для получения сигнала, равного току, в исследуемом элементе в цепь включить ИНУТ (Сurrent controlled volta) c коэффициентом управления 1 Ом.

Варианты такой схемы для получения ВАХ идеального источника напряжения приведены на рис. 2.2 а, рис. 2.2b. Они отличаются источниками, инициирующими перемещение рабочей точки по характеристике.




Рис.2.2 а




Рис. 2.2 b


На этих схемах исследуемый источник постоянной ЭДС- DC Power, источники, инициирующие перемещение рабочей точки ВАХ- АС Power (источник переменной ЭДС) и АС Current (источник переменного тока).

Для получения характеристики источника постоянного тока (DC-Current) в схеме рис. 2.2b необходимо на него заменить источник постоянной ЭДС.

Линейные источники напряжения с конечным внутренним сопротивлением (рис. 2.3 а) имеют линейную падающую характеристику U (I) (рис. 2.3 b)


Рис. 2.3 а Рис. 2.3 b

При подключении внешней нагрузки Rн получим:



откуда получается аналитическое выражение для ВАХ:



Схема линейного источника тока с конечным внутренним сопротивлением и его вольт-амперная характеристика представлены на рис. 2.4 а и рис. 2.4 b.




Рис. 2.4 а Рис. 2.4 b


Если подключить сопротивление нагрузки Rн и учесть, что G=1/R, получим :



откуда получается аналитическое выражение для характеристики этого источника:



Условие эквивалентности линейных источников тока и напряжения с конечным внутренним сопротивлением:



Вольт-амперные характеристики этих элементов могут быть смоделированы аналогично, как и для идеальных источников.

Характеристики резисторов могут быть получены с помощью закона Ома:



У линейных резисторов ВАХ линейна, проходит через начало координат, и сопротивление не зависит от величины тока или приложенного напряжения. Их характеристика моделируется аналогично, как и для других линейных элементов.

Внешние (выходные) вольт-амперные характеристики управляемых источников (их ещё называют нагрузочными) представляют собой семейство подобных характеристик, отличающихся друг от друга изменением коэффициента управления. Например, семейство выходных характеристик ИНУН будут выглядеть, как представлено на рис. 2.5.





Рис. 2.5


^ 2.1 Получение характеристик активных и пассивных элементов цепей постоянного тока

(Задание для самостоятельного моделирования)


Цель работы: в работе должны быть получены ВАХ элементов методом вольтметра и амперметра (поточечный эксперимент) и с помощью осциллографа в режиме характериографа (автоматизированный эксперимент).

Порядок выполнения работы:

1. Собрать схему цепи в соответствии с рис. 2.1. Измеряя сопротивление потенциометра с шагом 20 % от номинального значения, получить ВАХ источника ЭДС. Полученные данные занести в таблицу 2.1 (6 значений)

Таблица 2.1

R



















U



















I



















2. Собрать схему цепи в соответствии с рис. 2.2b (использовать тот же источник ЭДС). Осциллограф включить в режим А/В, AVTO,DC. Получить и зарисовать в отчет осциллограмму ВАХ с указанием масштабов по осям.

3. Заменить исследуемый источник ЭДС на идеальный источник тока и аналогично как в п. 2 получить ВАХ источника тока.

4. Аналогичным образом получить ВАХ линейного источника с конечным внутренним сопротивлением, представив его в эксперименте сначала в виде последовательной схемы (Е, R) источника напряжения, а затем в виде эквивалентной параллельной (I ,R) схемы источника тока.

5. Найти в меню элементов зависимые (управляемые) источники напряжения (ИНУН и ИНУТ). Составить самостоятельно схему моделей для получения семейства ВАХ этих элементов, провести моделирование при различных значениях коэффициентов управления.

^ Содержание отчета:

Отчет должен содержать название работы, цель, все схемы моделируемых цепей, необходимые таблицы, характеристики и выводы.

Контрольные вопросы:

1. Дать классификацию элементов цепи постоянного тока.

2. Как регулируются выходные параметры активных управляемых четырехполюсников?

3. Почему источник ЭДС с нулевых внутренним сопротивлением и источники тока с нулевой проводимостью считаются идеальными элементами?

4.Почему параллельное соединение источника ЭДС или последовательное соединение источников тока считаются недопустимым при различных значениях ЭДС или различных значениях токов?

5.Почему для источников ЭДС недопустим режим короткого замыкания, а для идеальных источников тока – режим холостого хода?

6. При каком условии линейные источники напряжения и тока с конечным внутренним сопротивлением эквивалентны?

7. Как выглядит вольт-ампеная характеристика идеального линейного резистивного элемента?





Скачать 0,78 Mb.
оставить комментарий
страница1/6
Дата28.09.2011
Размер0,78 Mb.
ТипУчебное пособие, Образовательные материалы
Добавить документ в свой блог или на сайт

страницы:   1   2   3   4   5   6
Ваша оценка этого документа будет первой.
Ваша оценка:
Разместите кнопку на своём сайте или блоге:
rudocs.exdat.com

Загрузка...
База данных защищена авторским правом ©exdat 2000-2017
При копировании материала укажите ссылку
обратиться к администрации
Анализ
Справочники
Сценарии
Рефераты
Курсовые работы
Авторефераты
Программы
Методички
Документы
Понятия

опубликовать
Документы

наверх