ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ ЭЛЕК-ТРОТЕХНИКИ И ЭЛЕКТРОНИКИ. ПРИМЕНЕНИЕ ПРОГРАММЫ MULTISIM. СанктПетербургский горный университетКафедра общей электротехники теоретические основы электротехники и электроники. Применение программы
 Скачать 1.99 Mb.
|
|
Графопостроитель, или боде-плоттер Зависимость амплитуды сигнала на элементе электрической цепи или устройства от частоты называют амплитудно- частотной характеристикой (АЧХ). Зависимость фазы сигналов от частоты — фазочастотной характеристикой (ФЧХ). Боде-плоттер осуществляет измерение сигналов в двух точках схемы и фазовый сдвиг между этими сигналами. Его иконка и расширенное изображение приведены соответственно на рис. 13. Для измерений боде-плоттер генерирует собственный сигнал в спектре частот, который задается при настройке виртуального 19 прибора. Боде-плоттер имеет два входных (Вх) и два выходных (Вых) зажима. Рис. 13 Для измерений отношений амплитуд или фазового сдвига следует подключить положительные вводы Вх и Вых к исследуемым точкам схемы, а отрицательные — заземлить. Для получения АЧХ следует нажать на кнопку Амплитуда, а для получения ФЧХ— на кнопку Фаза. Кнопки на панели управления позволяют задать начальное и конечное значения параметров, откладываемых по вертикальной оси. Клавиши Log и Lin определяют вид шкалы – соответственно логарифмическая и линейная. Панель управления По горизонтали служит для установки диапазона частот. Частота откладывается в герцах или в производных величинах (кГц или МГц. Для получения АЧХ по вертикальной оси откладывают отношения напряжения в линейном масштабе от 0 до Е либо в логарифмическом масштабе. Для получения ФЧХ по вертикальной оси откладываются градусы в пределах от -720° до +720°. В двух нижних окнах фиксируются координаты той или иной точки АЧХ или ФЧХ. 20 Помимо указанных выше, в программе имеется ряд приборов измеритель нелинейных искажений, частотомер, частотный анализатор и другие приборы – для анализа и синтеза цифровых и аналого-цифровых устройств. ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА №1. ИССЛЕДОВАНИЕ ПРОСТОЙ И СЛОЖНОЙ ЦЕПЕЙ ПОСТОЯННОГО ТОКА Цель работы Изучение способов включения элементов электрических цепей, экспериментальная проверка законов Кирхгофа на постоянном токе. Краткие теоретические сведения Приведены в [1]. Порядок выполнения работы Необходимо исследовать 4 разные схемы последовательное, параллельное, смешанное соединение приемников и сложную цепь, используя исходные данные, приведенные в табл. 1. Табл. 1. Исходные данные № варианта Е, В Е, В R1, Ом R2, Ом R3, Ом 1 20 40 100 50 100 2 30 60 120 60 120 3 40 80 140 70 140 4 50 100 160 80 160 5 60 120 180 90 180 6 70 140 200 100 200 7 80 160 220 110 220 8 90 180 240 120 240 9 100 200 260 130 260 0 110 220 280 140 280 Часть 1. Исследование простой электрической цепи постоянного тока Последовательное соединение приемников 1. Рассчитать ток, напряжения и мощности на отдельных элементах цепи по заданным сопротивлениям (рис. Результаты расчетов занести в табл. 2. 21 Рис. Последовательное соединение приемников Табл. 1. Измеренные и рассчитанные параметры Данные I, м U 1 , B U 2 , B общ, B Р, мBт Р, мBт Р общ , мBт Расчет Эксперимент Расчётные формулы 1 1 IR U ; 2 2 IR U ; 2 1 U U E ; 2 1 R R E I ; 1 2 1 R I P ; 2 2 2 R I P ; 2 1 P P P 2. Собрать схему с последовательно соединёнными активными сопротивлениями (рис. Измерить ток, напряжения и мощности на отдельных элементах, напряжение источника питания. Результаты измерений занести в табл. 1. 3. Сравнить результаты расчётов и показаний приборов. Параллельное соединение приемников 1. Рассчитать токи, напряжения и мощности на отдельных элементах вцепи (рис. Результаты расчётов занести в табл. 2. 22 Рис. 15. Параллельное соедтнение приемников 2 2 R E I ; 3 3 R E I ; 3 2 I I I ; 2 2 2 2 R I P ; 2 2 3 3 R I P . 2. Собрать схему с параллельно соединенными активными сопротивлениями (рис, измерить ток, напряжения и мощности на отдельных элементах, напряжение источника питания. Результаты измерений занести в табл. 2. Табл. 2. Измеренные и рассчитанные параметры I мм м о Р 2 мBт Р 3 мBт Р общ мBт Расчет Эксперимент 3. Сравнить результаты расчетов и показаний приборов. Смешанное соединение приемников 1. Рассчитать токи, напряжения, мощности и сопротивления R 23 , общ в схеме со смешанным соединением элементов (рис. Расчётные формулы 3 2 3 2 23 R R R R R ; 23 общ общ 1 1 1 R I U ; 23 1 2 R I U ; 2 3 U U ; 2 2 2 R U I ; 3 3 3 R U I ; 1 2 1 1 R I P ; 2 2 2 2 R I P ; 3 2 3 3 R I P 23 2. Собрать схему со смешанным соединением элементов рис, измерить токи, напряжения, мощности и сопротивления с помощью компьютера. Результаты расчётов и измерений внести в табл. 3. Рис. 16. Смешанное соединение элементов Табл. 3. Измеренные и рассчитанные параметры Е, В U 1 , B U 2 , B I 1 , мА I 2 , мм, мВт P 2 , мВт P 3 , мВт R 23 , Ом общ , Ом Расчет Эксперимент 3. Сравнить результаты расчетов и показаний приборов. Проверить 1-ый закон Кирхгофа I 1 = I 2 + Проверить ой закон Кирхгофа E = U 1 + U 2 Часть 2. Исследование сложной электрической цепи постоянного тока Собрать электрическую схему (рис. 17), параметры элементов которой должны быть установлены на компьютере в соответствии с вариантом (табл. 1). 24 Рис. 17. Сложная электрическая цепь 2. С помощью амперметров А1–А3 измерить токи I 1 , I 2 , I 3 исследуемой схемы. Результаты измерений занести в табл. по форме 1. Форма 1. Рассчитанные и измеренные параметры Эксперимент Расчет Е, В ЕВА, А I 3 , А I 1 , А I 2 , А I 3 , А 3. Составить систему уравнений по законам Кирхгофа для исследуемой цепи, подставив в эти уравнения вместо сопротивлений и ЭДС их величины. I 1 –I 2 +I 3 = 0, R 1 ·I 1 + R 2 ·I 2 +0·I 3 = E 1 , 0·I 1 +R 2 ·I 2 +R 3 ·I 3 = E 2 . 4. Решить полученную систему и результаты расчета занести в табл. по форме 1. Сравнить расчетные токи с измеренными ранее в лабораторной работе. 5. Проверить баланс мощностей по равенству 2 q N 1 q q M 1 k k k I R I E . 25 6. Сделать вывод по результатам проделанной работы. Содержание отчета 1. Схемы исследуемых цепей. 3. Основные расчетные соотношения. 4. Таблицы с результатами измерений и вычислений. 5. Расчет баланса мощностей. 5. Краткие выводы. Контрольные вопросы 1. Какими приборами измеряются ток, напряжение, мощность. При каком соединении элементов суммируются сопротивления. Изменяется ли величина тока в элементах при их последовательном соединении 4. При каком соединении элементов суммируются проводимости. Отличается ли величина напряжения на элементах при их параллельном соединении 6. Сформулировать закон Ома для участка цепи. 7. Сформулировать первый и второй законы Кирхгофа. 8. Сколько независимых уравнений необходимо составить для расчета сложной цепи по первому закону Кирхгофа 9. Сколько независимых уравнений необходимо составить для расчета сложной цепи по второму закону Кирхгофа 10. Чему равна общая ЭДС при последовательном включении источников энергии 11. Сформулируйте баланс мощностей для цепей постоянного тока. ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА №2. ИССЛЕДОВАНИЕ СИНУСОИДАЛЬНОГО РЕЖИМА ЦЕПИ С ОДНИМ НАКОПИТЕЛЕМ Цель работы Определение параметров режима работы и цепей с помощью измерительных приборов, исследование частотных и нагрузочных свойств цепи синусоидального тока с одним накопителем энергии 26 Краткие теоретические сведения Приведены в [1]. Порядок выполнения работы Исходные данные выполнения работы приведены в таблице 4. Считать для всех вариантов одинаковыми параметры напряжение источника В, индуктивность 500мГн, емкость 100 мкФ. Табл. 4 Варианты заданий для схемы последовательного RL и соединений № варианта f , Гц R , Ом 1 100 1000 2 200 900 3 300 800 4 400 700 5 500 600 6 600 500 7 700 400 8 800 300 9 900 200 10 1000 100 1. Исследование цепи синусоидального тока с катушкой индуктивности Схема исследуемой цепи с одним накопителем показана на рис. 18. Рис. 18. Исследуемая схема 27 Опыт №1: определение влияния нагрузки на режим работы цепи Собрать схему, подключив измеритель мощности, как показано на рис. 18. Установить частоту функционального генератора согласно своему варианту из таблицы 5. В течение опыта частота источника не изменяется. Изменяя сопротивление, снять показания приборов и занести их в таблицу 5. Табл. 5. Влияние нагрузки на режим работы цепи № Прямое измерение Косвенное измерение R, Ом I A , мА U L , В U R , В P w , Вт cos φ Q, Вар S, ВА φ, град 1 100 2 200 3 300 4 400 5 500 6 600 На основании полученных экспериментальных данных построить зависимости мощности нагрузки ) R ( P w и напряжений )R(URи)R(ULот сопротивления. Зависимости ) R ( U R и ) R ( U L отразить на одном графике. На том же графике представить расчётные зависимости. Объяснить наличие экстремума функции Произвести расчет параметров цепи. Сравнить расчетные значения с экспериментальными значениями. Результаты занести в таблицу 6. Табл. 6. Результаты расчетов № R, Ом I A , мА U L , В U R , В P w , Вт Q, Вар S, ВА φ, град 1 100 2 200 3 300 4 400 5 500 6 600 28 Опыт №2: определение влияния частоты на режим работы цепи Установить в цепь значение сопротивления, соответствующее своему варианту. Изменяя частоту в диапазоне Гц с шагом Гц, снять показания приборов и занести их в таблицу 7. Табл. 7. Влияние частоты на режим работы цепи № Прямое измерение Косвенное измерение Гц I A , мА U L , В U R , В P w , Вт cos φ Q, Вар S, ВА φ, град 1 100 2 150 3 200 4 250 5 300 6 … 7 600 На основании полученных экспериментальных данных построить на одном графике зависимости активной ) f ( P w , реактивной и полной мощности от частоты. Отдельно построить зависимость. Также построить зависимость индуктивного сопротивления от частоты ) f ( X L . На одном графике отразить зависимости и ) f ( U R 2. Исследование цепи синусоидального тока с конденсатором Схема исследуемой цепи с одним накопителем показана на рис. 19. 29 Рис. 19. Исследуемая схема Опыт №1: определение влияния нагрузки на режим работы цепи Собрать схему, подключив измеритель мощности, как показано на рис. 19. Установить частоту функционального генератора согласно своему варианту из таблицы 5. В течение опыта частота источника не изменяется. Изменяя сопротивление, снять показания приборов и занести их в таблицу 8. Табл. 8. Влияние нагрузки на режим работы цепи № Прямое измерение Косвенное измерение R, Ом I A , мА СВ, В P w , Вт cos φ Q, Вар S, ВА φ, град 1 100 2 200 3 300 4 400 5 500 6 600 30 На основании полученных экспериментальных данных построить зависимости мощности нагрузки ) R ( P w и напряжений )R(URи)R(UСот сопротивления. Зависимости ) R ( U R и ) R ( U С отразить на одном графике. На том же графике представить расчётные зависимости. Объяснить наличие экстремума функции Произвести расчет параметров цепи. Сравнить расчетные значения с экспериментальными значениями. Результаты занести в таблицу 9. Табл. 9. Результаты расчетов № R, Ом I A , мА СВ, В P w , Вт Q, Вар S, ВА φ, град 1 100 2 200 3 300 4 400 5 500 6 600 Опыт №2: определение влияния частоты на режим работы цепи Установить в цепь значение сопротивления, соответствующее своему варианту. Изменяя частоту в диапазоне Гц с шагом Гц, снять показания приборов и занести их в таблицу 10. Табл. 10. Влияние частоты на режим работы цепи № Прямое измерение Косвенное измерение Гц I A , мА СВ, В P w , Вт cos φ Q, Вар S, ВА φ, град 1 100 2 150 3 200 4 250 5 300 6 … 7 600 На основании полученных экспериментальных данных построить на одном графике зависимости активной ) f ( P w , реактивной и полной мощности от частоты. Отдельно построить зависимость. Также построить зависимость индуктивного сопротивления от частоты С. На одном графике отразить зависимости Си Содержание отчета Таблицы исходных данных. Схемы исследуемых цепей. Заполненные таблицы результатов измерений и расчетов. Расчетные формулы с приведением расчетов. График зависимостей для каждого опыта. Общий вывод, включающий выводы по каждому разделу работы. Контрольные вопросы 1. Какими элементами можно заменить индуктивность и емкость на частотах и По показаниям приборов 200 U V , 5 2 I A , найдите реактивную мощность катушки. Чему равен угол для идеального индуктивного сопротивления Чему равен угол для идеального ёмкостного сопротивления Чему равен угол для реального индуктивного сопротивления ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА №3. ИССЛЕДОВАНИЕ СВОЙСТВ ПОСЛЕДОВАТЕЛЬНОГО RLC КОНТУРА Цель работы Изучение частотных характеристик последовательной RLC- цепи, измерение первичных и вторичных параметров резонансного контура Краткие теоретические сведения Приведены в [1]. Порядок выполнения работы Схема исследуемой последовательной цепи показана на рис. 20. 32 Рис. 20. Схема для исследования резонанса напряжений Исходные данные для каждой бригады студентов приведены в таблице 11. Табл. 11. Варианты заданий для схемы последовательного соединения № варианта R, Ом L, мГн C, мкФ U, В 1 100 20 0,5 1 2 125 25 0,4 1 3 200 40 0,25 2 4 250 50 0,2 2 5 375 75 0,134 3 6 400 80 0,125 3 7 500 100 0,1 4 8 600 120 0,84 4 9 220 70 0,25 2 0 330 80 0,2 2 По заданным в таблице 11 параметрам схемы определить резонансную частоту, характеристическое сопротивление, добротность контура, граничные частоты и полосу пропускания контура. LC 1 0 C L R Q F F Q 2 1 33 2 0 1 2 0 2 1 1 F 0 где - коэффициент демпфирования. Обратите внимание, что частота генератора устанавливается в Гц, в то время как 0 измеряется в рад/с! Собрать схему. Установить значение частоты функционального генератора равным частоте резонанса и значениям граничных частот. Снять показания вольтметров и амперметра. Результаты занести в таблицу 12. В таблице 12 вместо значений 0,2 0 f …4 0 f поставить рассчитанные значения частот. Установить эти значения на функциональном генераторе и снять показания приборов на этих частотах. ИЛИ выбрать три произвольных значения частоты долевой граничной частоты и три произвольных значения частоты до правой граничной частоты. Снять показания приборов на выбранных частотах и занести в таблицу 12. Табл. 12. Показания приборов 0,2 0 f 0,3 0 f 0,4 0 f 1 f 0 f 2 f 2,5 0 f 3 0 f 4 0 f I A , мА U L , В СВ, В На основании экспериментальных данных произвести расчет на резонансной частоте значений характеристического сопротивления, добротности контура и проводимости контура. Сравнить с определенными ранее теоретическими значениями. A C A L I U I U Выбрать любую частоту, отличающуюся от частоты резонанса, и произвести для нее расчет реактивных сопротивлений элементов и реактивного сопротивления всей цепи. 34 Расчет приводить для одной частоты. Остальные расчетные значения свести в таблицу 13. Определить модуль и фазу входного сопротивления Определение активной, реактивной и полной мощностей. R I P 2 A C L 2 A X X I Q 2 Определить коэффициенты передачи напряжения для каждого элемента Табл. 13. Экспериментальные значения 0,2 0 f 0,3 0 f 0,4 0 f 1 f 0 f 2 f 2,5 0 f 3 0 f 4 0 f L U , В Ом С X ,Ом X , Ом Z, Ом φ, град P, Вт Q, Вар S, ВА U L H 35 0,2 0 f 0,3 0 f 0,4 0 f 1 f 0 f 2 f 2,5 0 f 3 0 f 4 Построить 4 графика зависимости – построить зависимость тока цепи от частоты f I , – на одном графике отразить зависимости индуктивного, емкостного и реактивного сопротивления всей цепи от частоты, – на одном графике отразить зависимости активной f P , реактивной и полной мощности от частоты, – на одном графике отразить зависимости коэффициентов передачи напряжения элементов f H U L , f H U C , от частоты. На частотах 1 f , 2 f и 0 f построить векторные диаграммы. Содержание отчета Таблицу исходных данных. Схему исследуемой цепи. Заполненные таблицы результатов измерений и расчетов. Расчетные формулы с приведением расчетов для одной выбранной частоты. Графики зависимостей тока, реактивных сопротивлений, мощностей и коэффициентов передачи напряжения от частоты. Общий вывод с объяснением Векторные диаграммы на частотах 1 f , 2 f и Контрольные вопросы Объясните понятие добротности контура. Что понимается под характеристическим сопротивлением контура Какие приборы используются для измерения этой величины Как составляется уравнение для резонансной частоты цепи. В каких случаях выражение для резонансной частоты отличается от формулы LC 1 0 ? 36 5. Как должны быть включены двухполюсники си С- элементами, чтобы вцепи мог существовать резонанс напряжений 6. Как связана добротность с полосой пропускания 7. контур характеризуется параметрами 01 , 1 , 1 F Q , 1 . Как изменятся эти параметры в контуре, если 1 2 4C C ? 8. Какой характер входного сопротивления имеет RLC – контур на граничных частотах полосы пропускания и на резонансной частоте 9. Чему равна добротность контура, если напряжение источника и напряжения и R-, L- и элементах равны между собой L C R V V V V ? 10. Вцепи ток равен r I . После подключения емкости С последовательно с RL двухполюсником показание амперметра не изменилось. Найти емкостное сопротивление C Z . 11. Найти характеристическое сопротивление и добротность контура по показаниям приборов на резонансной частоте ВВС, Вт. Каким элементом можно заменить последовательный LC- двухполюсник на частоте резонанса и на граничных частотах полосы пропускания 2 1 , 13. Цепь, образованная катушкой индуктивности k k R , L и конденсатором С, настроена в резонанс. Напряжение источника B 10 V , напряжение на конденсаторе B 10 V C . Определить напряжение на катушке K V , активную ka U и реактивную kr U составляющие напряжения ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА №4. ИССЛЕДОВАНИЕ РАЗВЕТВЛЕННОЙ ЦЕПИ ПЕРЕМЕННОГО ТОКА С ОДНИМ ИСТОЧНИКОМ ЭНЕРГИИ Цель работы Экспериментальное исследование разветвленной электрической цепи с одним источником синусоидального напряжения и ее расчет комплексным методом. 37 Краткие теоретические сведения Приведены в [1]. Порядок выполнения работы 1. Собрать одну из цепей, представленных на рис. 27. Вариант схемы, ее параметры R, L и C, а также величину действующего значения напряжения U источника и частоту f цепи взять из табл. 14 по указанию преподавателя. 2. Измерить действующие значения токов и напряжений на всех элементах цепи и действующее значение напряжения источника. Занести полученные значения в табл. по форме 2, 3. Табл. 14. Исходные данные Вариант 1 2 3 4 5 6 7 8 9 0 № схемы рис. 3.2) 1 1 1 1 2 2 2 2 1 1 F , Гц 3000 2000 3000 2000 3000 2000 3000 2500 2000 U, В 10 15 20 25 15 10 20 25 10 10 R, Ом 1000 1000 1000 1000 1000 1000 1000 1000 1000 1000 L, мГн 50 50 50 50 50 50 50 50 40 45 C, мкФ 0,1 0,1 0,1 0,1 0,1 0,1 0,1 0,1 0,1 0,1 Для схемы (рис. 21, 1) Форма 2. Результаты эксперимента f U, В U 1 , В U 23 , В I 1 , А I 2 , А I 3 , А Для схемы (рис. 21, 2) Форма 3. Результаты эксперимента f U, В U 1 , В U 2 , В I, А I 12 , А I 3 , А |