3
РОСЖЕЛДОР
Государственное образовательное учреждение
высшего профессионального образования
«Ростовский государственный университет путей сообщения»
(РГУПС)
А.В. Безуглый, В.А. Осипов, М.А.Трубицин
МЕТОДИЧЕСКИЕ УКАЗАНИЯ К ЛАБОРАТОРНЫМ РАБОТАМ
ПО ТОЭ С ПРИМЕНЕНИЕМ ЭВМ
Часть 1
Ростов-на-Дону
2005
УДК 621.3(07) : 681.3 + 06
Безуглый А.В.
Методические указания к лабораторным работам по ТОЭ с применением ЭВМ. Ч. 1 / А.В. Безуглый, В.А. Осипов, М.А. Трубицин; Рост. гос. ун-т путей сообщения. – Ростов н/Д, 2005. – 20 с. : ил. Библиогр. : 4 назв.
Первая часть лабораторных работ по курсу ТОЭ содержит методические указания к трем лабораторным работам. Излагаются основные принципы работы на прикладной программе EWB 5.12.
Предназначены студентам всех специальностей.
Рекомендованы к изданию кафедрой «Теоретические основы электротехники» РГУПС.
Рецензент канд. техн. наук, доц. Т.Е. Петрова (РГУПС)
Учебное издание
Безуглый Андрей Владимирович
Осипов Владимир Александрович
Трубицин Михаил Анатольевич
Методические указания к лабораторным работам по ТОЭ с применением ЭВМ
Часть 1
Редактор Т.А. Цикунова
Корректор Т.А. Цикунова
Пописано в печать 28.12.2005. Формат 60х84/16.
Бумага газетная. Ризография. Усл.печ. л.1,16.
Уч.-изд. л. 1,56. Тираж 100 . Изд. № 3. Заказ №
Ростовский государственный университет путей сообщения.
4
Ризография РГУПС.
Адрес университета: 344038, г. Ростов н/Д, пл.им. Ростовского Стрелкового Полка Народного Ополчения, 2.
© Ростовский государственный университет путей сообщения, 2005
СОДЕРЖАНИЕ
Введение
Работа № 1. Вводное занятие. Прикладная программа Electronics
Workbench 5.12
Работа № 2. Исследование различных способов включения регулировочных реостатов
Работа № 3. Исследование сложной цепи постоянного тока
Библиографический список
ВВЕДЕНИЕ
Электротехника и электроника принадлежит к той области естественных
наук, где процесс познания требует неразрывной связи теоретического анализа
и экспериментального исследования. Усилиями многих специалистов, использовавших достижения науки и техники, персональный компьютер стал незаменимым инструментом в руках человека практически во всех областях знания. Сегодня уже стало очевидным, что анализ и экспериментальное исследование различных процессов и режимов работы в электротехнических устройствах невозможны без применения компьютера.
В настоящей работе предлагается методика проведения лабораторных и
практических занятий с применением персональной ЭВМ. Такой шаг позволяет в значительной степени повысить наглядность излагаемого
лекционного
материала, расширить возможности в постановке эксперимента, а также максимально приблизить результат, получаемый в ходе опыта, к ожидаемому,
теоретически обоснованному результату. Последнее замечание особенно важно, так как при традиционном моделировании электрических схем существен-
5
ное влияние на результат измерений оказывают такие факторы как: переходное сопротивление контактов, нестабильность напряжения источника, низкий
класс точности лабораторных измерительных приборов.
Для моделирования схем предлагается использовать
компьютерную
программу Electronics Workbench (EWB) [1]. Программа позволяет составлять
электрические схемы аналоговых, цифровых и смешанных функциональных
блоков. Отличительной чертой рассматриваемой программы является наличие
программно–моделируемой виртуальной контрольно-измерительной аппаратуры, технические характеристики которой совпадают с характеристиками реально существующих аналогов.
РАБОТА № 1
ВВОДНОЕ ЗАНЯТИЕ
ПРИКЛАДНАЯ ПРОГРАММА ELECTRONICS WORKBENCH 5.12
ЦЕЛЬ РАБОТЫ
Ознакомиться с интерфейсом прикладной программы ELECTRONICS
WORKBENCH 5.12, основными элементами программы, получить навыки
синтеза электронных схем при помощи основных инструментов программы.
Интерфейс EWB подобен реальному рабочему месту разработчика
электронных схем. Все, что необходимо для разработки и тестирования
электронных схем, находится под рукой и легко доступно. Наибольшая центральная область – рабочее пространство – место, где производится сборка
и тестирование электронной схемы.
Рядом с рабочим пространством расположены кнопки, активизирующие
панели элементов. Выше расположено меню, иконки (панели) приборов и переключатель питания для активизации собранной схемы. Все действия, необходимые для работы в пакете EWB, такие, как перемещение элементов схемы,
соединение элементов между собой, перемещение по рабочей области экрана
6
и линейке элементов, осуществляются с помощью графического манипулятора (мышь).
После запуска приложения экран ПЭВМ приобретет вид, показанный на
рис 1.1.
Рис. 1.1. Рабочее окно программы EWB
Рабочее пространство является подобием макетной платы, на которой
собираются и отлаживаются схемы. Сборка электрических (электронных) схем
осуществляется перемещением элементов из активной линейки элементов в
рабочую область экрана, соединением этих элементов и, при необходимости,
подключением измерительных приборов. Рабочее пространство отображается
в окне, которое может быть передвинуто, изменено в размерах и пролистано,
как и другие окна, в EWB.
В зависимости от разрешающей способности экрана компьютера, рабочее пространство может быть в четыре раза больше, чем окно, в котором оно
отображается. Для отображения остальной части рабочего пространства необходимо установить указатель мыши на указатель линейки прокрутки (скрол-
7
линга) и перемещать его. При этом видимая область рабочего пространства в
окне также будет перемещаться. Перетаскивание линии соединения или более
чем одного элемента или иконки прибора за пределы видимости рабочего пространства также приводит к его скроллингу (перемещение элемента обратно в
линейку элементов или прибора на полку приборов просто удаляет его из рабочего пространства).
Основные команды пакета EWB могут быть выбраны из следующих меню:
File (Файл)
Edit (Редактирование)
Circuit (Схема)
Analysis (Анализ)
Window (Окно)
Help (Справка)
Линейки элементов (рис. 1.2) содержат неограниченный запас каждого
из элементов. Выборка необходимого для работы элемента схемы из линейки
осуществляется следующим образом: указатель мыши помещается на требуемый элемент и после нажатия левой кнопки, перемещается на нужное место в
рабочей области экрана (при удержании левой кнопки в нажатом положении).
Для удаления элемента схемы из рабочего пространства он перемещается обратно в линейку элементов.
Рис. 1.2. Панель инструментов
Когда элементы схемы помещены в рабочее пространство, их можно соединить между собой в схему. Для соединения двух элементов схемы указатель мыши устанавливается на вывод (короткая выступающая линия) одного
8
из элементов – он выделится, и при удержании кнопки в нажатом положении
указатель мыши перемещается к выводу другого элемента, после чего кнопку
можно отпустить. Соединение автоматически установится между этими выводами элементов. Чтобы соединить в схеме более двух элементов, используется (провод) соединитель. Чтобы вставить необходимый элемент схемы в линию соединения, этот элемент перемещается на линию соединения.
После сборки схемы ее необходимо включить для проверки работы.
Чтобы включить схему, необходимо нажать с помощью мыши переключатель
питания в правом верхнем углу экрана (
).
Также можно включить схему, выбрав строку Activate (Включить) из
пункта меню Analysis (Анализ).
Когда моделирование (работа собранной электронной схемы) закончится, переключатель питания автоматически выключится, и результаты измерения будут отображены на присоединенных измерительных приборах. Для
остановки работы схемы переключатель питания с помощью мыши переводится в положение выключено.
После включения схемы EWB моделирует ее работу для вычисления значения тока, напряжения и сопротивления в контрольных точках. Значения отображаются на приборах, присоединенных к схеме. Способ, который использует
EWB для моделирования, основывается на используемых элементах схем и измерительных приборах, а также исходя из установок в диалоговом окне
Analysis Options (Параметры анализа). Если электронные характеристики схемы изменены (например, удалены некоторые элементы или изменены их значения или модели), схему необходимо включить заново.
В процессе расположения элементов схемы в рабочем пространстве
необходимо оставлять место между элементами для более легкой вставки соединителей или других частей схемы. Элементы схемы можно вращать вокруг
оси на 90 градусов (рис.1.3). Данная операция предназначена для обеспечения
максимальной наглядности собранной схемы.
9
Рис. 1.3 Пример вращения элементов схемы
Перемещение выделенных элементов используемых для создания рабочей схемы, или иконок приборов осуществляется нажатием клавиш управления курсором.
Клавиша Del используется для удаления выделенных элементов схемы
или текста.
Клавиша Esc закрывает диалоговое окно без изменения параметров.
Как отмечалось выше, сборка и тестирование схемы осуществляется при
помощи мыши. Иногда необходимо использовать клавиатуру для ввода текста
или для нажатия «горячих» клавиш. При этом форма указателя меняется для
подсказки возможных действий. Например:
- при установке указателя на элемент он принимает вид руки, показывая
этим возможность перемещения элемента;
- когда компьютер обрабатывает информацию, указатель принимает вид
песочных часов.
После сборки основных элементов электрической (электронной) цепи к
ней присоединяют измерительные, тестовые приборы, источники сигналов и
индикаторы. Подключение контрольно-измерительных приборов осуществляется в контрольных точках схемы. Для измерения силы тока в электрической
цепи, или напряжения между двумя точками исследуемой схемы в пакете
предусмотрена возможность использования амперметров и вольтметров, находящихся на панели контрольно-измерительных приборов (КИП) (рис. 1.4).
Рис.1.4. Панель приборов
10
Панель контрольно-измерительных приборов также содержит цифровой
мультиметр, функциональный генератор, двухканальный осциллограф и др.
Заземление осциллографа осуществляется с помощью клеммы GROUND в
правом верхнем углу прибора.
Перечень наиболее часто употребляемых элементов, необходимых для
синтеза схем в рамках лабораторных работ приведен ниже.
11
РАБОТА № 2
ИССЛЕДОВАНИЕ РАЗЛИЧНЫХ СПОСОБОВ ВКЛЮЧЕНИЯ
РЕГУЛИРОВОЧНЫХ РЕОСТАТОВ
ЦЕЛЬ РАБОТЫ
12
Изучить способы регулирования тока в приемнике при помощи реостатов. Ознакомиться с приемами сборки простых электрических цепей при помощи элементной базы пакета EWB 5.12.
СПОСОБЫ ВКЛЮЧЕНИЯ РЕГУЛИРОВОЧНЫХ РЕОСТАТОВ
Известны три способа включения регулировочных реостатов (РР) для
регулирования тока в приемнике: добавочным сопротивлением (рис. 2.1), делителем напряжения (рис. 2.2) и шунтом.
Включение регулировочного реостата добавочным сопротивлением
При данной схеме РР включается последовательно с приемником Rn ,
Ток в цепи, а следовательно и в приемнике, определяется по закону Ома:
Iп
С уменьшением величины
Rрр
U
Rрр Rп
. (1)
ток I n возрастает и при величине
Rрр 0
становится равным U / Rn (рис. 2.1). Такое включение РР широко используется в технике, например, в схемах, предназначенных для проведения испытаний
13
различного электрооборудования, в качестве пусковых и регулирующих
устройств в силовых цепях двигателей и др.
К достоинствам способа регулирования тока в приемнике добавочным
сопротивлением следует отнести простоту схемных соединений и возможность регулировать токи большой величины. Недостатками этого способа являются невозможность плавного снижения тока в приемнике до нуля и затруднения в предварительной градуировке РР, связанные с гиперболическим характером зависимости тока от сопротивления РР.
Включение регулировочного реостата делителем напряжения
Приемник Rn здесь включен параллельно части сопротивления R pp . По-
этому напряжения на приемнике и сопротивление R pp одинаковы. Если
Rп Rрр
,то напряжение источника делится на две части, практически про-
порциональные сопротивлениям участков делителя Rп и
Rрр
.
К достоинствам способа регулирования тока в приемнике делителем
напряжения следует отнести возможность плавного регулирования тока в широких пределах, начиная с нулевого значения, а также возможность получения
14
прямолинейной зависимости (кривая 1, рис. 2.2)
I f R рр
, что позволяет
произвести предварительную градуировку PP.
Однако важно отметить, что такого результата можно достичь только
при условии Rп R рр , в противном случае, если Rп R рр зависимость будет
нелинейная (кривая 2, рис. 2.2).
Недостатком данного способа регулировки тока является низкий КПД,
особенно при условии Rп R рр ,которое является необходимым для получе-
ния прямолинейной зависимости
.
I П f Rрр
Указанный недостаток ограничивает применение данного способа в случаях, когда требуется плавное регулирование малых токов (например, схемы
поверки или градуировки вольтметра).
ЗАДАНИЕ
1 Синтезировать на рабочем поле поочередно исследуемые цепи. Изменяя ступенями (5–6 ступеней) ток в приемнике при помощи РР, записать показания приборов в табл. 1, 2.
2 Подсчитать для всех измерений R pp (для схемы 2.2,б – R pp ) и КПД ( ).
3 Построить на одном графике зависимости:
- для схемы 2.1, а –
I П f R рр
- для схемы 2.2,б –
I П f Rрр
и f Rрр ;
и f(Rрр ) .
ОПИСАНИЕ РАБОЧИХ СХЕМ И УКАЗАНИЯ К ПРОВЕДЕНИЮ
ЛАБОРАТОРНОЙ РАБОТЫ
15
Схемы исследуемых цепей, смоделированные при помощи пакета
EWB 5.12, представлены на рис. 2.3.
Номиналы всех необходимых элементов, указанных преподавателем,
устанавливаются во вкладке Component Properties/Value/Resistance. Питание
всех схем осуществляется от источника постоянной ЭДС номинальным напряжением E 12 B . После окончания сборки схемы и проверки можно начать выполнение измерений. В процессе моделирования изменение величины сопротивления регулировочного реостата (положение движка) производится при помощи
так называемой «горячей клавиши», определяемой во вкладке Component Properties/Value/Key. Уменьшение номинала производится нажатием «горячей клавиши», а увеличение – совместным нажатием «горячей клавиши» и клавиши «Shift».
Результаты измерения заносятся в таблицы. В таблицы записываются
только показания измерительных приборов – вольтметра и амперметра (графа
16
«Наблюдаемые величины»). Номиналы сопротивлений, отнесенные в графу
«Вычисленные величины», рассчитываются с использованием известных формул. Результаты исследования схемы (рис. 2.3, а) заносят в табл. 2.1, схемы
(рис. 2.3, б) заносят в табл. 2.2.
Таблица 2.1
№
п/п
Наблюдаемые величины
U1,
U2,
U3,
I1 ,
В
В
В
A
Вычисленные величины
Rpp,
Rп,
Pпол,
Pотд,
Ом
Ом
ВА
Вт
η,
%
Таблица 2.2
№
п/п
Наблюдаемые величины
U1,
U2,
I1 ,
I2 ,
В
В
A
A
Ipp,
Ом
Вычисленные величины
Rрр
, Rп, Pпол, Pотд,
Ом
ВА
Вт
Ом
η
%
СОДЕРЖАНИЕ ОТЧЕТА
1 Рабочие схемы
2 Таблицы наблюдаемых и вычисленных величин.
3 Графики зависимостей для каждой из схем в отдельности:
- для схемы 2.3, а – I П f Rрр и η f Rрр ;
- для схемы 2.3, б – I П f Rрр и η f Rрр .
КОНТРОЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ
1 Как формулируются основные законы электрических цепей (Ома,
Кирхгофа, Ленца–Джоуля)?
2 Какими методами рассчитываются простые цепи постоянного тока?
3 В чем состоит принцип регулирования тока в приемнике для каждого
способа включения РР. Какой вид имеет зависимость тока в приемнике от сопротивления РР?
17
4 Как по результатам измерения определить сопротивления Rpp , Rpp , Rп
и КПД?
РАБОТА № 3
ИССЛЕДОВАНИЕ СЛОЖНОЙ ЦЕПИ ПОСТОЯННОГО ТОКА
ЦЕЛЬ РАБОТЫ
Экспериментально и путем расчета сложной электрической цепи (содержащей несколько источников электрической энергии) проверить метод
наложения, принцип взаимности, принцип и метод эквивалентного источника
напряжения. Получить навыки построения потенциальной диаграммы.
КРАТКИЕ СВЕДЕНИЯ ИЗ ТЕОРИИ
Метод наложения базируется на том, что при линейной зависимости токов от ЭДС(источников электродвижущей силы) каждая ЭДС, действующая в
сложной цепи, создает во всех ветвях свои токи, независимо от всех остальных
ЭДС этой же цепи. Следовательно, непосредственное применение метода
наложения возможно только в цепях, где величины ЭДС и сопротивлений не
зависят от токов и процессы в них описываются линейными уравнениями.
Расчет сложной электрической цепи методом наложения содержит три
следующих этапа:
- назначение токов в заданной сложной цепи (произвольно);
- составление и расчет частичных схем. Применительно к цепи, представленной на рис. 3.1,а, составляются две схемы: схема (б), в которой действует только ЭДС1, и схема (в) – только ЭДС2, при сохранении для обеих
схем прежних значений внешних и внутренних сопротивлений;
18
- алгебраическое суммирование (сложение) токов, полученных при расчете частичных схем, в каждой ветви. Так, например, ток в первой ветви равен
разности токов частичных схем, т. е.
I1 I б1 - I в1 , (2)
так как ток I в1 имеет направление, противоположное току I1 в заданной
схеме, а ток I 3 I б3 I в3 , так как ток третьей ветви частичных схем совпадает
с направлением тока I 3 .
Принцип наложения справедлив и для напряжений на отдельных участках цепи.
Действительно, умножая обе части равенства (2) на R3 , для напряжения
U 3 I 3 R3 , получим U 3 U б3 U В3 , где U б3 I б3 Rб3 и U В3 I В3 RВ3 .
Однако мощность, например, рассеиваемая на элементе R3 , следует рас2
2
считать по формуле P3 I 3 R3 I б3 I В3 R3 , а не пользоваться методом
наложения как всегда:
19
I б3 I В3 2 I б3 2 I В3 2 .
Согласно теореме об эквивалентном источнике напряжения (теорема
Тевенена), ток в любой ветви линейной электрической цели не изменится, если
электрическую цепь, к которой подключена данная ветвь, заменить эквивалентным источником напряжения с ЭДС, равной напряжению на зажимах ветви, когда она разомкнута (напряжение холостого хода Uxx), и внутренним сопротивлением, равным входному сопротивлению пассивной цепи (Rвх) со стороны зажимов той же ветви, т. е.
IВ
U хх
RВ RВХ , (3)
где Rв – сопротивление исследуемой ветви.
Применительно к рассматриваемой схеме, изображенной на рис. 3.2,а
данная теорема позволяет разветвленную цепь с двумя источниками привести к
неразветвленной цепи с одним источником (рис. 3.2, б). Ток в ней определяется
по закону Ома:
IВ
U хх
RВ RВХ .
Здесь Uxx – напряжение на зажимах аб схемы при разомкнутой ветви с
сопротивлением R3,
т. е. U xx E1 I xx R1 , где Ixx – ток в цепи последовательно соединенных
генераторов,
20
I xx
E1 E2
R1 R2 , a Rвх – сопротивление, эквивалентное
параллельному
соединению элементов R1 и R2, т. е.
RBX
R 1R 2
R1 R 2
Принцип взаимности. Пусть дана сложная цепь с одним (единственным)
идеальным источником ЭДС. Выделим из нее (рис. 3.3, а ) интересующую нас
ветвь 1–1 и ветвь идеального источника 2–2.
Пусть ЭДС создает в ветви 1–1 ток I1. Если источник перенести из ветви
2–2 в ветвь 1–1 (рис. 3.3, б ), то создаваемый ею ток I2 в ветви 2–2 окажется
равным току I1 в ветви 1–1 до переноса. В этом и состоит принцип взаимности.
Принцип взаимности окажется справедливым и в случае, если имеется
реальный источник (с конечным внутренним сопротивлением), однако при
этом следует перенести только сам источник ЭДС, оставляя при этом на месте
внутреннее сопротивление генератора.
21
Построение потенциальной диаграммы для заданного контура ранее
рассмотренной цепи выполняют в такой последовательности. Предварительно
вычисляют потенциалы заданных точек контура относительно точки контура с
известным потенциалом, а если такой точки нет, то потенциал одной из них
приравнивают к любой величине, например, к нулю. Для рассматриваемого
контура (рис. 3.4, а) a – b – c – d – a будем иметь :
a 0 ; b a E1 ; C b I1 R1 ; d C I 2 R2 ; a d E2 0.
Затем по оси абсцисс в выбранном масштабе откладывают одно за другим значения сопротивлений контура, а по оси ординат откладывают в выбранном масштабе величины потенциалов точек и соединяют прямыми линиями (рис. 3.4, б). При построении потенциальной диаграммы следует помнить,
что при обходе контура по направлению тока падение напряжения на сопротивлении берется со знаком минус, а при обходе против направления тока – со
знаком плюс.
22
Что касается перехода через источники электрической энергии, то
независимо от направления тока ЭДС берется со знаком плюс, если
направление обхода идет от отрицательного полюса к положительному, и
со знаком минус – в противном случае.
ЗАДАНИЕ
Проверка метода наложения
1 На рабочем поле синтезировать схему исследуемой сложной цепи. Величины сопротивлений и источников ЭДС задает преподаватель.
2 Включить первый источник ЭДС, замкнув предварительно переключатель п1 в положение 1 (второй источник отключить: переключатель п2 – в положении 2), снять показания приборов (рис. 3.5), занести их в табл. 3.1.
23
Включить второй источник ЭДС, замкнув переключатель п2 в положение 1 (первый источник отключен – переключатель п1 в положении 2), снять
показания приборов и занести в табл. 3.1.
3 Включить оба источника, снять показания приборов и занести в табл.
3.1.
Таблица 3.1
Способ соединения
Включен первый источник
Включен второй источник
I1
I2
I3
Примечание
Включены оба источника
Проверка метода взаимности
1 Включить первый источник (переключатель п1 в положение 1) в ветвь
ab, снять показания приборов, занести их в табл. 3.2.
24
2 Включить второй источник, равный по величине первому (переключатель п2 – в положение 1, переключатель п1 – в положение 2) в ветвь ad, снять
показания приборов, занести их в табл. 3.2
Таблица 3.2
Способ соединения
I1
I2
Примечание
I3
Источник в ветви R1
Источник в ветви R2
Проверка метода эквивалентного генератора
1 Включить первый источник ЭДС (напряжения), а второй источник отключить (переключатель п2 – в положении 2). Замерить ток I2 и падение
напряжения на сопротивлении R2.
По полученным данным определить значение
R2
U2
I2 .
2 Не меняя положения переключателей п1 и п2, дополнительным проводом закоротить сопротивление R2 ,измерив при этом ток I2кз.
3 Поставить переключатель п2 в нейтральное положение и измерить
напряжение на его клеммах (Uxx ).
4 Определить
RВХ
U xx
U xx
I2
RВХ R2
I 2kз и рассчитать ток
. Полученное
значение сравнить со значениями тока I2, полученными другими методами.
5 По данным табл. 3.2 построить потенциальную диаграмму.
СОДЕРЖАНИЕ ОТЧЕТА
1 Рабочие схемы.
2 Таблицы наблюдаемых и вычисленных величин.
3 Графики зависимостей для каждой из схем в отдельности.
25
КОНТРОЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ
1 На конкретном примере пояснить методику применения законов
Кирхгофа для расчета разветвленных цепей.
2 Пояснить на примере порядок выполнения расчета электрической цепи
методом контурных токов.
3 Объяснить суть метода наложения.
4 Рассказать о порядке построения потенциальной диаграммы.
5 Объяснить суть метода взаимности.
6 Доказать теорему об эквивалентном источнике напряжения.
БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК
1 Бессонов, Л.А. Теоретические основы электротехники. – Ч. 1 и 2. /
Л.А. Бессонов – М. : Высш. школа, 1984.
2 Нейман, Л.Р. Теоретические основы электротехники. В 2-х т. / Л.Р.
Нейман, К.С. Демирчян – Изд. 3-е. Л. : Энергия. 1981.
3 Теоретические основы электротехники / под ред. П.Л. Ионкина. – Т. 1
и 2. – М. : Высш. школа, 1978.
4 Сборник задач по теоретическим основам электротехники / под ред.
Л.А. Бессонова. – М. : Высш. школа, 1980.
