Курсовая. 1. 1 Особенности изучения электротехники в оу спо 5
 Скачать 0.87 Mb.
|
2.3. Разработка лабораторные работы по электротехнике на основе ИКТ- средствЛабораторная работа 1. «ИССЛЕДОВАНИЕ МНОГОКОНТУРНОЙ ЭЛЕКТРИЧЕСКОЙ ЦЕПИ ПОСТОЯННОГО ТОКА С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ ЗАКОНОВ ОМА И КИРХГОФА» Цель работы: исследование вольтамперных характеристик многоконтурной электрической цепи (ЭЦ) постоянного тока с использованием закона Ома и законов Кирхгофа экспериментальным и расчетным методами. Общие методические указания для выполнения лабораторных работ по электротехнике и электронике. Основные понятия и определения. Краткие сведения из теории электрических цепей: Различают ЭЦ постоянного и переменного тока. Постоянный ток (DC – Direct Current) – электрический ток, не изменяющий своей величины и направления с течением времени. Переменный ток (AC – Alternating Current) – электрический ток, изменяющий свою величину и направление с течением времени. Сила электрического тока I – это количество электричества, прошедшее через поперечное сечение проводника в единицу времени. Если за одну секунду через поперечное сечение проходит 6,28·1018 электронов – заряд электричества в один кулон (1 Кл), то сила тока равна одному амперу (1 А). Потенциал электрического поля – это энергетическая характеристика поля, равная отношению потенциальной энергии взаимодействия заряда с полем (Дж) к величине этого заряда (Кл), измеряется в вольтах (В): 1 В = 1 Дж / 1 Кл. Потенциалом φ точки электрического поля называют также работу, которую нужно затратить сторонним силам, чтобы переместить заряд +q в один кулон (1 Кл) из бесконечности в данную точку поля, или же работа электрического поля по перемещению этого же заряда +q из данной точки в бесконечность независимо от траектории движения в обоих случаях. Напряжение U – это разность потенциалов между двумя точками электрического поля, равная отношению работы по перемещению электрического заряда из одной точки поля в другую к величине этого заряда. Электродвижущая сила (ЭДС) источника электрической энергии E – это физическая величина (энергетическая характеристика), численное значение которой равно отношению работы, совершенной источником при перемещении электрического заряда по замкнутой электрической цепи, к величине этого заряда, или равно отношению мощности источника к силе тока, что соответствует разности потенциалов (напряжению) на клеммах источника. Сопротивление R – это физическая величина, характеризующая свойство элемента ЭЦ препятствовать прохождению электрического тока. Проводимостью G называется величина, обратная сопротивлению R. Мощность P – физическая величина, характеризующая скорость передачи или преобразования электрической энергии в другие виды энергии. Работа, производимая электрическим током силой I при напряжении U за время t, равна A = U∙I∙t. Мощность определяется работой за единицу времени:  Все методы расчета электрических цепей, в том числе цепей постоянного тока, основаны на законах Ома и Кирхгофа в той или иной форме. Метод математического моделирования электрических цепей применим: с использованием закона Ома для расчета ветвей и одноконтурных ЭЦ; с использованием правил Кирхгофа для расчета любых многоконтурных ЭЦ, содержащих множество источников электрической энергии. Метод сводится к решению системы линейных независимых алгебраических уравнений, количество которых (p) равно числу неизвестных токов и, следовательно, числу ветвей в цепи. Система искомых алгебраических линейных независимых уравнений (p) состоит из двух подсистем: по первому закону Кирхгофа составляют уравнения, количество которых (n1) равно числу узлов (k) без единицы (n1 = k – 1), т.е. равно числу «независимых» узлов; по второму закону Кирхгофа составляют уравнения, количество которых (n2) равно числу «независимых» контуров (n2 = p – n1). Задание: Собрать в MultiSim схему ЭЦ согласно заданному варианту. Установить номинальные значения параметров цепи в соответствии с заданным вариантом (табл. 1.1). В номинальном режиме работы ЭЦ выполнить измерение всех токов, падения напряжения и мощности потребителя (одного из сопротивлений ЭЦ по указанию преподавателя). Заполнить табл. 1.2. С помощью «пробников» в MultiSim выполнить измерение потенциалов одного из контуров ЭЦ (по указанию преподавателя) в двух вариантах: для «идеальных» и «реальных» ЭДС источников энергии в контуре. Для второго варианта выделить внутренние сопротивления ЭДС источников: 10–30 (%) от общего сопротивления соответствующей ветви. Заполнить табл. 1.3.1, 1.3.2 и построить соответствующие потенциальные диаграммы. На основе первого и второго законов Кирхгофа записать систему уравнений, необходимую для определения токов в ветвях электрической цепи. Решить систему уравнений для номинального режима ЭЦ любым способом, включая компьютерные приложения: MathCad, Excel и другие. Заполнить табл. 1.4. Примеры расчета в MathCad см. ссылку 18 и в Excel. Проверить правильность решения, применив первый закон Кирхгофа и уравнения баланса мощности. Подтвердить справедливость закона Ома. Выполнить исследования изменения тока, падения напряжения и мощности на одном из сопротивлений цепи (потребитель) при изменении одной из ЭДС и одного из сопротивлений (функция и аргументы по указанию преподавателя) путем имитации эксперимента в MultiSim в режиме «Использовать допуски», т.е. с учетом влияния на измерения случайной погрешности. Математическое моделирование (расчет) выполнить любым способом, включая компьютерные приложения: MathCad, Excel и другие. Результаты представить в табл. 1.5.1 и 1.5.2 и рассчитать погрешность измерения. Примеры расчета в MathCad и в Excel. Результат эксперимента в MultiSim (столбцы 2,5 табл. 1.5.1) записать в Excel-файл Experiment.xls в папку с MathCad-файлом. Выполнить проверку адекватности математической модели объекта (ЭЦ) самому объекту исследования (ЭЦ). Методика проверки. Составить отчет по выполненной работе, который должен содержать: Титульный лист. Цель работы. Исследуемую ЭЦ с указанием характеристик всех элементов. Результат эксперимента в номинальном режиме (табл. 1.2). Подробный алгоритм получения и решения системы уравнений. Проверку правильности решения и адекватности математической модели объекту исследования (ЭЦ). Результаты исследования ЭЦ в виде табл. 1.3.1, 1.3.2, 1.4 и графиков. Выводы. Подготовить ответы на контрольные вопросы (см. ниже). Контрольные вопросы Что собой представляет электрическая цепь и каковы ее основные элементы? Определение постоянного тока? Основные схемы и назначение соединения приемников электрической энергии? Расчет общих сопротивлений ЭЦ при различных соединениях приемников электрической энергии? Основные схемы и назначение соединения источников электрической энергии? В каких случаях метод расчета (математическое моделирование) является единственно возможным методом исследования электрических цепей? Определение и назначение потенциальной диаграммы контура? Определение «идеального» и «реального» источника ЭДС, показать их различие на потенциальной диаграмме контура? Варианты номинальных значений параметров электрической цепи Таблица 1.1
Примечание: Внутренние сопротивления источников ЭДС условно включены в сопротивления, соответствующие им по наименованию. Измерение токов и падения напряжения в номинальном режиме ЭЦ Таблица 1.2
Примечание: Uх – напряжение (падение напряжения) потребителя (одно из сопротивлений ЭЦ по указанию преподавателя). Измерение потенциалов контура в номинальном режиме ЭЦ Таблица 1.3.1 (идеальные ЭДС) и Таблица 1.3.2 (реальные ЭДС)
Примечание: Измерение потенциалов одного из контуров ЭЦ (по указанию преподавателя) выполняется в MultiSim пробниками в двух вариантах: «идеальных» ЭДС (табл. 1.3.1) и «реальных» ЭДС (табл. 1.3.2). Сопротивление в точках измерения при обходе контура суммируется (указывается по нарастанию). Вычисление параметров ЭЦ в режимах: номинальном и исследования Таблица 1.4
Примечание: Расчет в табл. 1.4 выполнить любым способом: MathCad, Excel и другие приложения, включая расчет на калькуляторе. Установка, измерение и вычисление параметров ЭЦ в режиме исследования Таблица 1.5.1 (Ex –var) и Таблица 1.5.2 (Rx – var)
Примечание: Аргументами по указанию преподавателя может быть одна из ЭДС (Ех в табл. 1.5.1) и одно из сопротивлений (Rx в табл. 1.5.2). При имитации эксперимента (блок «Измерить») в MultiSim включить режим «Использовать допуски». Расчет в табл. 1.5.1 и (блок «Вычислить») выполнить любым способом: MathCad, Excel и другие приложения, включая расчет на калькуляторе. Варианты схем электрической цепи:             Рис. 1.1. Варианты схем электрической цепи | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||