Методические указания к лабораторным работам для студентов неэлектротехнических специальностей всех форм обучения

Размещено на http://www.allbest.ru/

ФЕДЕРАЛЬНОЕ АГЕНТСТВО ПО ОБРАЗОВАНИЮ

ГОСУДАРСТВЕННОЕ ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ ВЫСШЕГО ПРОФЕССИОНАЛЬНОГО ОБРАЗОВАНИЯ НИЖЕГОРОДСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ ИМ. Р.Е. АЛЕКСЕЕВА

Кафедра “Теоретическая и общая электротехника”

ЛАБОРАТОРНЫЕ РАБОТЫ

ПО ЭЛЕКТРОТЕХНИКЕ И ОСНОВАМ ЭЛЕКТРОНИКИ В ПРОГРАММЕ Multisim Analog Devices Edition

Методические указания к лабораторным работам для студентов неэлектротехнических специальностей всех форм обучения

Нижний Новгород 2009

Работа 1. Исследование цепей постоянного тока

эквивалентный резонансный контур осциллограмма

Цель работы

Исследовать линейные цепи постоянного тока на электронных моделях в пакете NI Multisim Analog devices adition 10.0.1 (далее просто Multisim), изучить методы расчета линейных цепей.

1.1 Общая характеристика программы NI Multisim Analog devices adition 10.0.1.

Запустите при помощи ярлыка на рабочем столе Windows программу Multisim. После этого появляется окно программы Multisim, которое сверху содержит главное меню (File, Edit, View, Place, Simulate, Tools, Reports, Options, Window, Help), панель графических изображений выполняемых функций, панель библиотек компонентов и контрольно-измерительных приборов. Вид окна показан на рис. 1.1.

Рис. 1.1 Панель окна Multisim

Для создания схем необходимые элементы и измерительные приборы нужно выбирать из панели с изображением батареи, резистора, диода, транзистора, микросхем, логических элементов, индикаторов, функциональных устройств и приборов, а затем размещать и соединять их на рабочем поле программы Multisim. В правой верхней части экрана расположен переключатель запуска и кнопка прерывания процесса моделирования (PAUSE) собранной схемы.

Задача исследования: изменяя сопротивление переменного резистора исследовать режимы работы простейшей электрической цепи от режима короткого замыкания с помощью амперметра и вольтметров.

Рис.1.2 Схема исследуемой цепи

В схеме исследования цепи для измерения напряжения и тока используются вольтметры и амперметр соответственно. Элемент цепи «заземление» имеет нулевой потенциал, обеспечивая исходную точку для отсчета потенциалов. В программе Multisim в схемах без «заземления», как правило, приборы не будут производить измерения, либо их показания будут неверными. При моделировании схемы рис. 1.2 управление положением движка переменного резистора осуществляется при помощи клавиши буквы A.

1.2 Построение схемы рис. 1.2

1. Щелкните по кнопке

панели библиотек компонентов и контрольно-измерительных приборов. В появившемся окне активных элементов последовательно следует выбрать Group - Sources-Power_Sources в разделе Component пиктограммы DC_Power (ЭДС источника постоянного напряжения) и Ground (заземление). Разместите их согласно рис. 1.2.

Примечание: в программе Multisim длинной чертой в изображении источника постоянной ЭДС обозначается вывод, имеющий положительный потенциал по отношению к другому выводу.

2. Щелкните по кнопке

панели библиотек компонентов и контрольно-измерительных приборов. В окне пассивных элементов выбрать Resistor. Последовательно развернем пиктограммы постоянного и переменного резисторов, так как показано на рис. 1.2. Для этого выделите резистор (при этом он окрашивается в красный цвет) и на панели функций щелкните по кнопке поворота

.

3. Аналогично разверните пиктограммы остальных элементов.

4. Щелкните по кнопке

панели библиотек компонентов и контрольно-измерительных приборов. Из появившегося окна индикаторов последовательно выбрать последовательно

Voltmeter (вольтметр) и Ammeter (амперметр).

5. Расположите методом drag and drop элементы так, как показано на рис. 1.2 и соедините элементы согласно рис. 1.2.

Примечание: Для соединения элементов друг с другом нужно аккуратно подвести курсор к одному из выводов элемента, пока не появится большая точка, и нажать ЛКМ. Затем, перемещать мышь, подводя курсор к выводу другого элемента до тех пор, пока на его выводе не появится большая красная точка, после чего нажать ЛКМ.

1.3 Задание параметров элементов схемы

Установите курсор на пиктограмме ЭДС источника постоянного напряжения и двойным щелчком кнопки мыши откройте диалоговое окно для задания его параметров. На вкладке Value установите значение ЭДС в соответствии с вариантом (Таблица 1.1) и нажмите на кнопку ОК.

Установите курсор на постоянном резисторе (отвечает за внутреннее сопротивление источника) и двойным щелчком кнопки мыши откройте диалоговое окно для задания его параметров. На вкладке Value установите значение сопротивления резистора R1 в соответствии с вариантом.

Установите курсор на переменном резисторе и двойным щелчком кнопки мыши откройте диалоговое окно для задания его параметров. По умолчанию в поле Key введено название клавиши-ключа A, нажатие на которую позволяет изменять положение движка резистора, уменьшая его сопротивление. Изменять величину сопротивления можно двигая ползунок с помощью мыши. На вкладке Value в поле Resistance установите значение сопротивления резистора R2.

Сохранить файл в папке с вашей Фамилией.

1.4 Моделирование

1. Установите английскую раскладку клавиатуры и щелкнув по переключателю запуска , запустите процесс моделирования. После появления установившихся значений в измерительных приборах выключите процесс моделирования и запишите результаты измерения в таблицу 1.2. Подведите курсор к резистору R2, измените его величину и снова включите моделирование. Так последовательно изменяя величину сопротивления нагрузки R2, заполните результатами показаний приборов всю таблицу 1.2.

Таблица 1.1

№ вар	Е В	R1 Ом	R2 Ом
1	20	10	100
2	30	15	150
3	40	20	200
4	50	25	250
5	60	30	300

Таблица 1.2

R2	0,1R1	0,2R1	0,5 R1	R1	2R1	4R1	10R
I
U1
U2

1.5 Измерение эквивалентного сопротивления цепи

Задача исследования: Измерить эквивалентное сопротивление цепи между зажимами А и В.

Схема измерения, изображена на рис. 1.3.

Рис. 1.3. Схема измерения эквивалентного сопротивления

На схеме рис. 1.3 для измерения эквивалентного сопротивления используется мультиметр. Мультиметр может быть использован также для измерения напряжения и тока. Для применения мультиметра в качестве омметра его подсоединяют параллельно участку цепи, сопротивление которого нужно измерить. Схема измерения должна обязательно иметь соединение с землей и не иметь контакта с источником питания.

1.6 Построение схемы рис. 1.3

1. Создайте новый файл.

2. Разместить на рабочем поле пять резисторов (см. п.1.2.)

3. Последовательно разверните пиктограммы резисторов, так как показано на рис. 1.3. Для соединения резисторов можно использовать с соединяющие узлы через вкладку Place - Junction.

4. Расположите методом буксировки пиктограммы элементов так, как показано на рис.1.3 и соедините элементы согласно рисунку.

Щелкните по кнопке контрольно-измерительных приборов. Переведите мультиметр на поле схемы и подключите его к узлам схемы, откройте лицевую панель прибора и выберете режим измерения . Разместите мультиметр согласно рис. 1.3.

5. Установите значения сопротивлений для резисторов согласно таблице 1.3.

Измерение эквивалентного сопротивления

6. Запустите процесс моделирования, сравните измеренное значение эквивалентного сопротивления с расчетным. Остановите процесс моделирования.

7. Сохранить файл в папке с вашей Фамилией.

Таблица 1.3

№ Вар	1	2	3	4	5
R1, Ом	2	4	8	10	10
R2, Ом	4	2	4	8	6
R3, Ом	6	4	2	4	8
R4, Ом	8	10	4	2	4
R5, Ом	10	8	10	4	2

1.7 Измерение напряжения на делителе напряжения

1. Создайте схему измерения напряжения на делителе напряжения, изображенного на рис. 1.4 Значение сопротивлений взять из таблицы 1.3. Величина ЭДС Е=20 В.

Рис. 1.4. Делитель напряжения

2. Измеренные значения напряжений U_R1 и U_R2 занесите в Отчет.

3. Сохранить файл в папке с вашей Фамилией.

1.8. Измерение тока в многоконтурных цепях постоянного тока.

1. Создать схему измерения токов в ветвях цепи, изображенной на рис. 1.5.

Рис. 1.5. Схема для измерения тока в многоконтурных цепях

Исходные данные приведены в таблице 1.4:

Таблица 1.4

Вариант	1	2	3	4	5
R1 , ом	4	12	15	17	31
R2 , ом	15	18	21	5	12
R3, ом	7	11	5	8	17
R4 , ом	21	9	16	9	7
R5 , ом	14	7	12	24	40
R6 , ом	19	35	11	21	8
E1 , В	11	8	5	14	21
E2 , В	18	16	11	7	17
E2 , В	4	7	18	24	8

1. Измеренные значения токов в ветвях занесите в Отчет.

2. Сохранить файл в папке с вашей Фамилией.

Измерение эквивалентного сопротивления цепи

1. Создать схему измерения эквивалентного сопротивления R_ab и R_bс цепи, изображенной на рис. 1.6.

2. Измеренные значения эквивалентных сопротивлений R_ab и R_bс занесите в Отчет.

3. Сохранить файл в папке с вашей Фамилией.

Рис. 1.6. Схема для измерения сопротивления

Обработка результатов измерений

1. Заполнить таблицу показаний приборов

2. Рассчитать для каждого значения сопротивления нагрузки мощность приемника Pпр, мощность развиваемую источником Рист, мощность потерь внутри источника Р, и КПД источника . Построить в одной системе координат графики Pпр, Рист, Р, от тока.

3. Построить в одних осях графики зависимостей ЭДС источника Е, напряжения на приемнике Uпр и падения напряжения на внутреннем сопротивлении источника Uист от тока нагрузки.

4. Рассчитать эквивалентные сопротивления R_ab и R_bс для схем рис. 1.3 и рис.1.6.

5. Рассчитать напряжение на делителе.

Примечание. Для расчетов параметров цепи удобно использовать пакет Mathcad.

Работа 2. Исследование резонансных режимов работы последовательного и параллельного колебательных контуров

2.1 Исследование последовательных резонансных цепей

Цель работы

Овладение практическими навыками исследования частотных характеристик последовательного и параллельного колебательного контура с использованием средств Electronics Workbench.

2.2 Общие теоретические сведения

Резонансом называют явление, при котором индуктивное и емкостное сопротивления в пассивной RLC - цепи по модулю равны, сдвиг фаз между током и напряжением на входе цепи равен 0.

При последовательном соединении RLC - элементов возникает резонанс напряжений: напряжение на индуктивности U_L = U_ВХРL/R и на конденсаторе U_C = U_ВХ /_РRC превышают входное U_ВХ в Q раз, т.е.

Q= U_L / U_ВХ = U_C / U_ВХ (1)

При этом входной ток I_ВХ = U_ВХ /R ограничивается только резистором R и совпадает по фазе с входным сигналом. Добротность контура Q = /R и его коэффициент затухания = 1/Q зависят от характеристического сопротивления и его сопротивления потерь R.

Резонансная частота контура

при малом сопротивлении потерь зависит только от LC-элементов: .

Амплитудно-частотная характеристика (АЧХ) для последовательного резонансного контура определяется формулой:

К() =.

2.3 Исследование частотных характеристик последовательного колебательного контура

Исходные данные вариантов

Таблица 2.1

№ вар	Uвх, В	f, Гц	R, Ом	L, мГн
1	5	50	4	5
2	7	40	3	7
3	10	60	7	10
4	2	75	2	3
5	10	45	5	10

Задача исследования:

1. Получить осциллограмму сигналов в последовательном контуре.

2. Получить амплитудно-частотную и фазочастотную характеристики.

3. Определить экспериментальным путем резонансную частоту f_Р, измерить падение напряжения на элементах цепи, ток в цепи, получить осциллограмму сигналов в последовательном контуре. Схема исследования цепи, имеет вид рис.2.1



Рис. 2.1 Схема для исследования резонанса напряжения

В схеме исследования цепи для моделирования источника синусоидальных сигналов используется генератор переменного напряжения. Получение осциллограмм сигналов производится с помощью двухлучевого осциллографа, а расчет амплитудно-частотной и фазо-частотной характеристик цепи производится с помощью измерителя АЧХ и ФЧХ (Боде - Плоттер). Для измерения напряжения на элементах и тока в цепи применяются вольтметры и амперметр.

Построение цепи

Запустите Electronics Workbench. Щелкните по кнопке панели библиотек компонентов и контрольно-измерительных приборов и вытащите осциллограф, затем по кнопке измерителя АЧХ и ФЧХ (Боде - Плоттер) и разместите их согласно рис. 2.1.

Дополните схему недостающими элементами и соединениями и окрасьте соединительные провода. Переведите вольтметры и амперметр в режим измерения переменного сигнала, для этого следует активировать вольтметр (ЛКМ) далее на вкладке Value установить Mode в режим AC. Из условия резонанса определите емкость С,(Ф).

Примечание: Для окрашивания проводов -щелкните ПКМ на изображении провода. В появившемся диалоговом окне выберете Segment Color и выберите из меню нужный цвет.

Исследование неразветвленной цепи

Изменяя величину емкости в пределах от 0,2С_р до 2С_р (10-15 значений), записывать показания приборов в таблицу. Определить по приборам наличие резонанса при С=С_р.

Получение осциллограммы сигналов в последовательном контуре.

Для получения осциллограммы сигналов необходимо запустить процесс моделирования. Однако запуску процесса моделирования предшествует установка параметров схемы в соответствии с заданными исходными данными и рассчитанной резонансной емкостью.

1. Запустите процесс моделирования щелчком по выключателю в правом верхнем углу экрана. На вход цепи поступит синусоидальное напряжение от генератора. Остановите процесс моделирования не ранее чем через 1 с. (время моделирования отображается в нижней части окна) с помощью выключателя.

2. Дважды щелкните мышкой на значке осциллографа, Щелкая по кнопкам счетчика установки длительности развертки Time base, установите оптимальное значение чувствительности (ms/Div).

3. Щелкая по кнопкам счетчика установки чувствительности Channel A и Channel B, установите оптимальное значение чувствительности V/Div.

4. Измерьте на экране осциллографа амплитуды входного и выходного синусоидальных напряжений. Для этого установите красный (1) и синий (2) визиры, перемещая их при помощи мышки, в точках максимума входного и выходного напряжений и в индикаторных окошках под экраном снимите показания

VA1 - напряжение в точке пересечения красного визира 1 и осциллограммы канала А (красного),

VB2 - напряжение в точке пересечения синего визира 2 и осциллограммы канала B (синего).

5. Измерьте на экране осциллографа разность фаз между синусоидами, при значениях емкости 0,5Ср, Ср, 2Ср. Для этого установите красный (1) и синий (2) визиры,так как показано на рис.2.2. Зарисуете полученные осциллограммы.



Рис. 2.2 Осциллограммы напряжений

6. Снимите показания Т2 - Т1, определите разность фаз в град. по формуле

,

Занесите результаты измерений в Отчет.

Получение амплитудно-частотной характеристики

1. Закройте изображение осциллографа и откройте изображение Боде - Плоттера, щелкнув два раза мышкой по его пиктограмме. Переведите Боде - Плоттер в режим построения АЧХ, кнопка Magnitude должна быть утоплена.

2. Установите диапазон изменения частоты - МНz с помощью кнопок счетчика в окошке F. Схематично изобразите АЧХ в отчете.

3. При помощи стрелок на панели Боде - Плоттера перемещайте визирную линию на экране и наблюдайте в соседних окнах величину коэффициента усиления по напряжению K_U в зависимости от частоты сигнала.

4. Установите диапазон изменения частоты - kНz с помощью кнопок счетчика в окошке F. Установите визирную линию на частоте, максимально близкой к заданной частоте. Снимите показания модуля АЧХ K(), выраженного в децибелах W()=20lgK(). Занесите результаты измерений в Отчет.

Получение фазочастотной характеристики

5. Переведите Боде - Плоттер в режим построения ФЧХ, нажав кнопку Phase. Установите границу изменения фазы по вертикали: от - 90? (окошко I) до + 90? (окошко F), переустановите диапазон изменения частоты - МНz с помощью кнопок счетчика в окошке F. Посмотрите ФЧХ на экране Боде - Плоттера. При помощи стрелок на панели Боде - Плоттера перемещайте визирную линию на экране и наблюдайте в соседних окнах величину сдвига фазы между входным и выходным напряжениями в зависимости от частоты сигнала. Схематично изобразите ФЧХ в отчете.

2.4 Исследование параллельных резонансных цепей

Таблица 2.1

№ Вар	1	2	3	4	5
U1, B	5	7	10	8	6
R1,Ом	1	2	3	3	4
R2,Ом	2	4	5	2	1
L, мГн	50	30	100	40	70
C, мкФ	300	200	250	150	250

Резонанс токов в цепи с потерями наступает при условии b₁=b₂ или

Резонансная частота определяется по формуле

,

где характеристическое сопротивление контура.

Резонанс в цепи невозможен, если R₁<, а R₂> (или R₂<, а R₁>). В частном случае R₁=R₂? частота резонанса

.

При R₁=R₂= резонанс имеет место при любой частоте. В этом случае полное сопротивление цепи равно:

Z_Э=.

Рис. 2.3. Схема для исследования резонанса токов

Исследование разветвленной цепи

Изменяя величину емкости в пределах от 0,2С_р до 2С_р записывать показания приборов в таблицу. Определить по приборам наличие резонанса при С=С_р.

Получение амплитудно - частотной характеристики

6. Откройте изображение Боде - Плоттера, щелкнув два раза мышкой по его пиктограмме. Переведите Боде - Плоттер в режим построения АЧХ, кнопка Magnitude должна быть утоплена.

7. Настройте Боде - Плоттер согласно рис. 2.4.



Рис. 2.4. Настройка Боде - Плоттера для получения АЧХ

Получение фазочастотной характеристики

8. Переведите Боде - Плоттер в режим построения ФЧХ, нажав кнопку Phase. Настройте Боде - Плоттер согласно рис. 2.5.

Рис. 2.5. Настройка Боде - Плоттера для получения ФЧХ

9. Снимите показания на частоте равной 50 Гц. При помощи стрелок на панели Боде - Плоттера перемещайте визирную линию на экране и наблюдайте в соседних окнах величину сдвига фазы между напряжением и током в цепи в зависимости от частоты сигнала.

Определение экспериментальным путем резонансной частоты f_Р

10. По ФЧХ определите значение резонансной частоты f_Р (сдвиг фаз равен нулю). Показания частоты и фазы смотрите в окошках в правом нижнем углу панели измерителя. Закройте окно Боде - Плоттера.

11. Откройте диалоговое окно генератора напряжения для задания параметров. С помощью клавиатуры введите значение резонансной частоты _. Запустите процесс моделирования. Остановите процесс моделирования не ранее, чем через 1 сек

12. Снимите показания: токи в цепи и через элементы цепи. Варьируя частотой генератора, добейтесь минимального значения тока в неразветвленной части цепи. Полученное значение частоты занесите в Отчет.

13. Дважды щелкните мышкой на значке осциллографа, используя полосу прокрутки, просмотрите осциллограмму сигналов в параллельном контуре на частоте резонанса. Покажите преподавателю полученную осциллограмму сигналов в параллельном контуре на частоте резонанса.

14. Получите осциллограмму сигналов в параллельном контуре при f =1,5 f_РГц,

15. Изменяя частоту в пределах от 0,1f_Р до 2f_Р (10-15 значений), записывать показания приборов в таблицу. Определить по приборам наличие резонанса при f=f_Р. Сравнить полученное значение с п. 10.

Обработка результатов измерений

1. Заполнить таблицу показаний приборов

2. Представить в отчете осциллограммы напряжений последовательного и параллельного колебательных контуров для двух значений емкости.

3. Построить АЧХ ФЧХ исследуемых схем.

4. Рассчитать для каждого значения емкости величину полного сопротивления Z всей неразветвленной цепи.

5. Определить резонансные частоты исследуемых схем.

6. Построить в масштабе векторные диаграммы для разветвленной цепи для 0,5С_Р, С_Р, 2С_Р.

7. Построить в одной системе координат зависимости полного сопротивления и напряжения на участках на участках неразветвленной цепи от величины емкости конденсатора.

8. Построить в одной системе осей графики зависимостей токов на всех участках цепи, полного сопротивления, коэффициента мощности и фазового сдвига разветвленной цепи в зависимости от частоты.

Работа 3. Исследование трехфазной цепи с нагрузкой соединенной по схеме «звезда»

Цель работы

Изучить свойства четырехпроводной и трехпроводной трехфазной цепей при соединении пассивных приемников звездой.

3.1 Исследование соединения «звезда-звезда»

Схема соединения «звезда-звезда», представлена на рис.3.1. Соединение обмоток генератора звездой выполняют, объединяя начала всех его обмоток в одну общую точку (точка О на рис. 3.1), называемую нейтральной точкой. Связь между генератором и нагрузкой осуществляется при помощи проводов А,В,С, идущих от концов всех обмоток, а иногда от нейтральной точки генератора.

Рис. 3.1. Схема соединения «звезда-звезда»

Провода, идущие от обмоток, называют линейными, а провод, идущий от нейтральной точки, - нейтральным. Фазные ЭДС определяются следующими соотношениями

;

;

.

Измерение мощности в трехфазных цепях можно производить с помощью трех или двух ваттметров.

В таблице вариантов U_Ф, B - значение фазной ЭДС (ЭДС трехфазного источника питания частотой 50 Гц сдвинуты друг относительно друга на 120 эл. град.) R_Ф - значение фазных сопротивлений в симметричном режиме.

Исходные данные вариантов:

Таблица 3.1

№ Вар	1	2	3	4	5
UФ, B	127	380	220	380	220
Rф,Ом	12,7	38	22	38	22

3.2 Исследование четырехпроводной цепи

Собрать схему рис. 3.2. с амперметром, включенным в нулевой провод. Установить симметричный режим (сопротивления и, следовательно, токи во всех фазах равны) и снять показания приборов. Исследовать изменение фазных напряжений, фазных и линейных токов, а так же мощности при изменении тока в фазе А от 0 до 20 А путем изменения сопротивления резистора в этой фазе (6-7 измерений).

3.3 Исследование трехпроводной цепи

Собрать схему рис. 3.2. с вольтметром, включенным в нулевой провод. Установить симметричный режим и снять показания приборов.

Исследовать изменение фазных напряжений, фазных и линейных токов, а так же мощности при изменении тока a фазе А от 0 до 2,5А путем изменения сопротивления резистора в этой фазе (6-7 измерений). Осуществить опыт короткого замыкания фазы А (сопротивление фазы А равно нулю). Заполнить таблицу показаний приборов.

Рис. 3.2. Схема для исследования трехфазной цепи

Построение схемы исследования цепи

Запустите при помощи ярлыка на рабочем столе Windows программу Electronics Workbench.

Построение схем рис. 3.2 произведем в два этапа: сначала создадим схему соединения «звезда-звезда» с подключенными амперметрами, а затем последовательно подключим к ней остальные измерительные приборы.

Щелкните по кнопке панели библиотек компонентов и контрольно-измерительных приборов и вытащите три ваттметра.

Расположите методом буксировки пиктограммы элементов так, как показано на рис. 3.2. Соедините соответствующие элементы.

Обработка результатов исследований

1. Заполнить таблицу показаний приборов.

2. Построить в одних осях графики зависимости всех напряжений от величины тока в фазе A для обеих цепей трехпроводной и четырехпроводной.

3. Построить в одних осях графики зависимости мощности во всех фазах нагрузки от величины тока в фазе А для обеих цепей трехпроводной и четырехпроводной.

4. Построить в масштабе векторные диаграммы токов и напряжений для всех цепей в следующих режимах

- симметричный режим;

- несимметричный режим при I_A=0 и I_A=2,5 А;

- при коротком замыкании в фазе А для трехпроводной цепи.

5. Для цепи рис.3.2 рассчитать фазные и линейные токи и напряжения и построить векторную диаграмму.

Размещено на Allbest.ru

...