Главная | Обратная связь | Поможем написать вашу работу!

Указания к выполнению лабораторной работы с помощью компьютерной программы Multisim10

1 Запустить программу Multisim10. Извлечь на рабочее поле из соответствующих библиотек пиктограммы элементов цепи: источник переменного напряжения V 1, установив его параметры 100 В, 50 Гц, фаза 0°; заземлитель; резистор R 1; катушку индуктивности L 1; конденсатор C 1, установив их рассчитанные или заданные параметры; источники ЭДС, управляемые током (датчики токов цепи) V 2, V 3, V 4; мультиметры XMM 1, XMM 2, XMM 3; осциллограф XSC 1.

2 Ознакомиться с измерительными приборами, и собрать электрическую цепь в Multisim по рисунку 2.5, используя данные таблицы 2.3, согласно заданного варианта.

3 После проверки преподавателем, включить схему в сеть и проверить работу всех приборов.

Показания мультиметра XMM 1 и датчика тока V 4 будут соответствовать общему току неразветвленного участка цепи; показания мультиметра XMM 2 и датчика тока V 2 – току в активном и индуктивном сопротивлении; показания мультиметра XMM 3 и датчика тока V 3 – току в емкостном сопротивлении.

Оборудование:

Таблица 2.2- Перечень необходимого оборудования

Компонент	Изображение	Последовательность действий
Источник переменного напряжения		панель Виртуальных инструментов» Источники энергии (PowerSources)» Источник переменного напряжения (ACVoltageSource)
Земля		панель Виртуальных инструментов» Источники энергии (PowerSources)» Земля (Ground)
Резистор		панель Виртуальных инструментов» Основные компоненты (BasicComponents)» Виртуальный резистор (VirtualResistor)
Виртуальная катушка		панель Виртуальных инструментов» Основные компоненты (BasicComponents)» Виртуальная переменная индуктивность (VirtualleInductor)
Виртуальный конденсатор		панель Виртуальных инструментов» Основные компоненты (BasicComponents)» Виртуальный конденсатор(VirtualVariableCapacitor)
Мультиметр		Правая вертикальная панель
Ваттметр		Правая вертикальная панель
Осциллограф		Правая вертикальная панель
Ключ на одно положение, управляемый клавишей		панель Компонент (Component)» Основные элементы (Basic)» список Переключатели (Switch) окна Семейство (Family)» список Компонент (Component)» Ключ (SPST)

Таблица 2.3–Значения параметров элементов схем

Вариант	Значения параметров элементов ветвей
R, Ом	L, мГн

Рисунок 2.5 - Схема исследования цепи с последовательно соединенными резистором R и катушкой индуктивности L

Подключим вход А осциллографа к напряжению источника, а вход В попеременно подключать к выходным зажимам датчиков токов: общего тока цепи, тока резистора, катушки или конденсатора. Входные зажимы датчиков тока соединим и подключить к заземленному зажиму источника напряжения, кудаподключить и заземляющий зажим осциллографа.

Схема позволяет посредством осциллографа наблюдать характер изменения тока в любой из ветвей или элементов.

При проведении экспериментов конденсатор присоединять или отсоединять при помощи выделенного провода, связывающего зажим мультиметра XMM 4 с узлом цепи.

5.3.1 Эксперимент №1-5.3 Анализ схемы с параллельным, соединенными элементами R, L, C по п. 5.3.1 – 5.3.3. Режим полной компенсации – резонанс напряжений.

Отключить конденсатор от цепи и включить питание. Результаты опыта приведены на рисунке 2.6.

Рисунок 2.6 - Показания амперметров, ваттметра и осциллограммы напряжения и тока в цепи

Таблица 2.4–Данные опытов и расчетов

№ пп.

U, В

f, Гц

C,мкФ

P,Вт

I,А

I ₁,Ом

I ₂,А

cosφ

φ, град

Данные опытов

Результаты расчетов

…

Измерить действующие значения напряжения U, тока в цепи I (показания амперметров XMM 1 и XMM 2 будут одинаковы) и активную мощность P и cosφ, потребляемую в цепи.

Ток в цепи и ток в ветви, включающий резистор и катушку одинаковый.

Снять осциллограммы напряжения и тока в цепи с помощью осциллографа XSС 1.

На осциллограмме видно, что ток цепи отстает от напряжения на угол φ. Уравнения мгновенных значений напряжений и тока:

Определить индуктивное и полное сопротивления, коэффициент мощности и угол φ:

;

Определить активную, реактивную и полную мощности:

;

Определить активную, и реактивную составляющие тока и построить векторную диаграмму рис. 2.4 а).

;

Выполнить все необходимые измерения и расчеты и занести их в таблицу 2.4 строка 1.

Построить по результатам опыта и расчетов векторную диаграмму (рис. 2.4 а).

Из векторной диаграммы следует, что вектор тока цепи складывается из активной и реактивной составляющих и отстает от вектора напряжения на угол φ.

5.3.2 Эксперимент №2.

Присоединить параллельно резистору и катушке индуктивности конденсатор С 1, как изображено на рисунке 2.7 и включить питание.

На рисунке 2.8 представлены результаты опыта.

Рисунок 2.7 - Схема исследования цепи с последовательно соединенными резистором R и катушкой индуктивности L и параллельно присоединенным конденсатором С

Рисунок 2.8 - Распределение токов в ветвях цепи (слева) и осциллограммы напряжения питания и тока цепирежим при частичной компенсации реактивной мощности в цепи

Измерить действующее значение напряжения U, токa общего I, ток катушки и резистора , ток конденсатора , а также активную мощность потребляемую в цепи cosφ.

При включении конденсатора общий ток I цепи уменьшился; ток резистора и катушки остался неизменным, следовательно, остались неизменными его активная и реактивная составляющие; появляется ток конденсатора.

Снять осциллограммы напряжения и тока в цепи с помощью осциллографа XSС 1. По осциллограмме видно существенно уменьшился угол φ, следовательно, возрос коэффициент мощности.

Активная мощность цепи осталась неизменной, тогда как полная мощность, потребляемая цепью от источника, в результате подключения конденсатора снизилась по сравнению в 1-м опыте.

Активная составляющая полной мощности не изменилась, то снизилась ее реактивная составляющая.

Реактивная мощность катушки осталась неизменной:

Реактивная мощность конденсатора:

Конденсатор компенсирует часть реактивной мощности катушки, однако в цепи имеется дефицит реактивной мощности:

которую она и потребляет от источника энергии.

Проверить это, определив полную мощность по формуле:

Выполнить все необходимые измерения и расчеты и занести их в таблицу 2.4. строка 2.

Построить по результатам опыта и расчетов векторную диаграмму (рисунок 2.4 в).

Векторная диаграмма показывает, что часть реактивной составляющей тока катушки компенсируется реактивным током конденсатора , отчего результирующий ток цепи существенно уменьшается, уменьшается угол φ и коэффициент мощностиcos φ. Вектор тока в цепи при этом является отстающим по отношению к вектору напряжения .

5.3.3 Эксперимент №3.

Рассмотреть случай полной компенсации реактивной мощности цепи. Определить расчетное значение емкости конденсатора исходя из того, что равенство реактивных мощностей катушки и конденсатора предполагает равенство тока конденсатора и реактивной составляющей тока катушки . Вычислить значение емкости конденсатора, учитывая Установить это значение емкости конденсатора и включить питание.Результаты опыта представлены на рисунке 2.9.

Рисунок 2.9 - Схема исследования цепи с последовательно соединенными резистором R и катушкой индуктивности L и параллельно присоединенным конденсатором С

Рисунок 2.10 - Режим полной компенсации реактивной мощности в цепи

Измерить действующее значение напряжения U, токaобщего I,ток катушки и резистора ,ток конденсатора , а также активную мощность потребляемую в цепи и cosφ.

Общий ток I снизился до минимально возможного для данной цепи значения,ток катушки и резистора остался неизменным, а ток конденсатора меньше тока катушки и резистора , токи реактивных элементов цепи одинаковы.

Снять осциллограммы напряжения и тока в цепи в резонансном режиме с помощью осциллографа XSС 1. На осциллограмме видно, что угол сдвига между напряжением и током равен 0. Это означает, что полная мощность, потребляемая цепью, равна активной мощности:

Выполнить все необходимые измерения и расчеты и занести их в таблицу 2.4 строка 3.

Построить по результатам опыта и расчетов векторную диаграмму (рис. 2.4 б).

Векторная диаграмма цепи при полной компенсации реактивной мощности представлена на рисунок 2.4 б. Вектор тока цепи равен вектору активного тока и совпадает по фазе с вектором напряжения , поскольку реактивные токи и равны друг другу и противоположно направлены.

5.3.4 Эксперимент №4.

Рассмотреть случай перекомпенсации реактивной мощности цепи. Принять значение емкости конденсатора больше значения предыдущегои включить питание. Результаты опыта представлены на рисунке 2.12.

Рисунок 2.11- Схема исследования цепи с последовательно соединенными резистором R и катушкой индуктивности L и параллельно присоединенным конденсатором С

Рисунок 2.10 – Режим перекомпенсации реактивной мощности в цепи

Измерить действующее значение напряжения U, токa общего I, ток катушки и резистора , ток конденсатора , а также активную мощность потребляемую в цепи и cosφ.

Общий ток цепи возрос I, ток катушки и резистора остался неизменным, а ток конденсатора возрос .

Снять осциллограммы напряжения и тока в цепи с помощью осциллографа XSС 1.

Разность реактивных токов избыточна, в цепи возникает избыток реактивной мощности, который отдается источнику энергии. Ток цепи опережает напряжение на угол -φ, что подверждается осциллограммой.

Выполнить все необходимые измерения и расчеты и занести их в таблицу 2.4 строка 4.

Построить по результатам опыта и расчетов векторную диаграмму (рисунок 2.4 г).

В режиме перекомпенсации реактивной мощности приемника вектор тока всей цепи складывается из векторов активного тока и избыточного ()и является опережающим по отношению к напряжению.

5.4 Сделать вывод

6 Сделать выводы

Контрольные вопросы

1 Что такое резонанс токов? Каково условие возникновения фазового резонанса токов?

2 Дать определение коэффициенту мощности (cosφ).Каков его энергетический смысл? Почему стремятся повышать коэффициент мощности?

3 Как влияет коэффициент мощности сложной цепи на величину общего тока?

4 Как измерить угол φ с помощью осциллографа и вычислить с помощью приборов?

5 Как влияет подключение параллельно катушки индуктивности батарей конденсаторов на токи в неразветвленной части цепи и ток через катушку индуктивности?

Заключение:

В результате выполнения работы студент должен:

Знать:

- особенности и характеристик основных режимов работы однофазных цепей R, L, С;

- условия возникновении и характеристик резонанса токов и резонанса напряжений;

- зависимость коэффициента мощности cosφ от параметра цепи и способа его повышения;

- энергетические соотношения S, P, Q в однофазных цепях;

Уметь:

- производить измерения электроизмерительными приборами и осциллографом;

- осуществить расчет последовательной и параллельной цепи;

- построить векторные диаграммы в различных режимах, а так же амплитудно-частотные характеристики цепи.

СПИСОК РЕКОМЕНДУЕМОЙ ЛИТЕРАТУРЫ

1 Касаткин А.С. Электротехника: учебник для вузов/А.С. Касаткин, М.В. Немцов. – 11-е изд., стер.- М.: издательский центр «Академия», 2007.- 544 с.

2 Рекус Г.Г. Основы электротехники и электроники в задачах с решениями: Учеб. Пособие/Г.Г. Рекус.- М.: Высш.шк., 2005.- 343 с.

3 Синдеев Ю. Г. Электротехника с основами электроники. Учебное пособие. – Ростов н/Д Феникс, 2001. - 384 с.

4 Хернитер М.Е. Multisim 7. Современная система компьютерного моделирования и анализа схем электронных устройств: ДМК ПРЕСС. С. 488.

Приложение А

(рекомендуемое)

Моделирование схем

Для запуска программы нужно перевести курсор на ярлык Multisim и дважды щелкнуть на его изображении левой кнопкой мыши. На экране монитора появится окно, показанное на рисунке 1.

Cостав и назначение элементов пользовательского окна Multisim 10.

В верхней части экрана расположена панель ниспадающих меню: Файл (File), Правка (Edit), Вид (View), Вставка (Place), Действие (Simulate), Обмен (Transfer), Инструменты (Tools), Опции (Options), Окно (Window), Помощь (Help).

В выпадающем меню Файл находятся следующие пункты: Новый (New) – позволяет создать новый проект, Открыть (Open) – открывает уже созданный файл, Сохранить как… (Saveas…) – сохраняет рабочий проект на жестком диске или другом носителе информации.

Меню Правка содержит такие опции как Отменить действие (Undo - Redo) – позволяет вернуться к предыдущему (кнопка Undo) или к последующему шагу разработки схемы (кнопка Redo), Вырезать (Cut), Копировать (Copy), Вставить (Paste) – позволяет удалять, копировать и вставлять выделенные фрагменты графического кода программы. Важными настройками данного меню являются кнопки изменения пространственного положения объекта (кнопки поворота) – Горизонтальный поворот (FlipHorizontal), Вертикальный поворот (FlipVertical), Поворот на 90º по часовой стрелке (90 Clockwise), Поворот на 90º против часовой стрелки (90 CounterCW). Следует отметить, что данные настройки дублируются при вызове контекстного меню объекта (щелчок правой кнопкой мыши на исследуемом элементе). Иллюстрацией к применению последних четырех опций служит таблица 1.

Рисунок 1 - Основные термины Multisim 10

В меню Вид находятся настройки, позволяющие увеличивать и уменьшать рабочее поле проекта (кнопки Zoom), панели инструментов (Toolbars), а также опция «Сетки» (Grid).

Для выполнения лабораторных работ Вам потребуются две опции из меню Вставка – Текст (Text) и Графики (Graphics). Первая предназначена для вывода текстовой информации в рабочее поле проекта Multisim10, вторая – для выполнения графических работ. Например, с помощью инструментов палитры Графики можно нарисовать какую-нибудь таблицу, а с помощью опции Текст – сделать соответствующие пояснения.

Таблица 1 - Применение кнопок поворота

Начальное положение	Flip Horizontal	Flip Vertical	90 Clockwise	90 CounterCW

Меню Действие содержит кнопку Запуск (Run), которая предназначена для включения/выключения моделируемого устройства и выпадающую опцию Инструменты (Instruments), в которой находятся модели доступных измерительных приборов (мультиметр, осциллограф, генератор функций, ваттметр и т.д.).

Под панелью ниспадающих меню располагается Стандартная панель (StandardToolbar), которая в многом дублирует функциональность панели ниспадающих меню (рис. 2). На этом же рисунке показаны «быстрые клавиши». Например, чтобы сохранить проект нужно выбрать иконку с соответствующим изображением, а можно нажать комбинацию клавиш Ctrl+S – результат будет одним и тем же.

Рисунок 2 - Стандартная панель Multisim

Панель Компоненты (Componenttoolbar), показанна на рис. 3.

Рисунок 3 - Элементы панели Компоненты

Если щелкнуть левой кнопкой мыши на одной из иконок данной панели (кроме последних четырех), то появится диалоговое окно (рис. 4).

Рисунок 4 - Диалоговое окно панели Компоненты

Под именем База данных (Database) находится ниспадающее меню, которое содержит список из двух названий - Настройки Multisim (Multisimmaster) и Пользовательские настройки (User). Данные настройки позволяют Вам использовать модели электронных компонентов, созданные программистами фирмы-производителя Multisim или выбирать собственные, заранее созданные виртуальные компоненты. Для выполнения лабораторных работ Вам понадобятся устройства первой группы. Следовательно, в данном текстовом поле нужно выбрать Настройки Multisim.

Под именем Группа (Group) содержится вложенный список электронных компонентов, которые можно использовать при создании электрической схемы.

Например, допустим нам нужно выбрать из базы данных Multisim электронную модель резистора, для использования модели резистора необходимо выполнить следующие действия:

- в опции База данных (Database) выбрать НастройкиMultisim (Multisimmaster).

- в списке Группа (Group) выбрать Основные компоненты (Basic). В текстовом поле Семейство (Family) появится список с множеством названий: выбрать категорию Основные виртуальные элементы (BasicVirtual) (рис. 5).

Рисунок 5 - Выбор компонента электрической схемы

- справа от колонки Семейство (Family) появился текстовое поле с названием Компонент (Component), в котором располагается выделенный (активный) элемент схемы. Выбирать эти элементы можно в окне, которое находится сразу под полем Компонент (Component). Напомним, что нам нужно выбрать из этого списка обычный резистор. Данный объект обозначен как Виртуальный резистор (Virtualresistor).

Вернемся к нашему заданию. Установив курсор мыши на названии элемента, в верхнем поле Компонент (Component) появилось его название (см. рис. 5), что свидетельствует о правильности выбора:

- в соседнем поле Символ ANSI (SymbolANSI) отображается условное графическое изображение объекта в соответствии со стандартом ANSI.

- в поле Функция (Function) указываются функциональные свойства элемента.

Чтобы поместить выбранный виртуальный резистор в рабочее поле программы, нужно нажать клавишу «ОК» диалогового окна. После чего курсор мыши будет иметь вид стрелки и пиктограммы объекта. После этого, левым щелчком мыши укажите месторасположения элемента в рабочем поле Multisim. Аналогичным образом можно выбирать и другие компоненты библиотеки Multisim.

Последней панелью инструментов, которую мы рассмотрим, будет панель Виртуальных инструментов (VirtualToolbar) (рис. 6).

Рисунок 6 - Панель виртуальных инструментов

Иконки, показанные на рисунке 6, предназначены для быстрого доступа к распространенным элементам электрических схем (резисторы, конденсаторы, источники напряжения и тока, операционные усилители и т.д.).

Если нажать левой кнопкой мыши на соответствующем изображении (иконке), то появится вложенная библиотека компонентов. На рис. 6 показаны все вложенные библиотеки панели Виртуальных инструментов.

Среди вложенных библиотек данного меню следует выделить библиотеку 3D компонентов (3DComponentBar). Одним из достоинств данной версии Multisim является возможность 3D-моделирования, что позволяет студенту, так сказать, «увидеть» реальное устройство (рис. 7).

Рисунок 7 - Библиотека 3D-компонентов

Пример: построить модель простейшей электрической цепи, состоящей из источника энергии, двух резисторов и измерительных приборов (рис. 8).

Рисунок 8 - Модель электрической цепи

а) Построение модели начнем с размещения в рабочем поле источника постоянного напряжения (на рис. 8 обозначен «V1»). Наведите курсор мыши на изображение панели Компоненты (см. рис. 3) и найдите иконку с надписью Источник (Source). Нажмите левой кнопкой мыши на соответствующем изображении. На экране монитора появится диалоговое окно выбора компонентов (рис. 9). Если в текстовом поле Группа (Group) указано название Источники (Sources), то все выполнено правильно и можно продолжить построение схемы. Список Семейство (Family) содержит набор разнообразных источников электрической энергии, в котором следует выбрать пункт Источники энергии (PowerSources).

б) В списке Компонент (Component) выберите Источник постоянного напряжения (DC_Power) и нажмите кнопку «ОК». После выполнения указанных выше действий курсор мыши примет вид стрелки и графического изображения выбранного компонента (т.е. источника постоянного напряжения). Чтобы разместить данный элемент в рабочем поле Multisim, нажмите левую кнопку мыши на свободном месте экрана монитора.

Рисунок 9 - Выбор источника напряжения

По умолчанию, источник постоянного напряжения имеет напряжение на своих зажимах, равное двенадцать вольт. Для изменения значения напряжения источника питания необходимо два раза щелкнуть левой кнопкой мыши на его изображении – появится диалоговое окно (рис. 10). Вообще, чтобы изменить или установить какие-либо параметры практически любого виртуального компонента (с реальными компонентами так не получится), необходимо дважды щелкнуть на его изображении левой кнопкой мыши и в появившемся диалоговом окне выполнить заданные действия.

Например, для того, чтобы установить напряжение источника равным пяти вольтам, необходимо в пункте Значение (Value)» Напряжение (Voltage) изменить значение 12 на 5. В соседнем окне можно изменять порядок значений напряжения (вольт, милливольт, киловольт и т.д.).

Рисунок 10 - Диалоговое окно настройки параметров источника постоянного напряжения

в) Чтобы выбрать заземление, необходимо выполнить следующие действия: панель Компонент (Component)» Источник (Source)» список Источники энергии (PowerSources) окна Семейство (Family)» список Компонент (Component)» Земля (Ground)» кнопка ОК» указать необходимое местоположение элемента.

г)Выполняя,аналогичную последовательность действий, расположите в рабочем поле два резистора, амперметр и вольтметр (рис. 11). При этом, постарайтесь сами изменить сопротивление одного из них с 1кОм на 10кОм (подсказка, щелкните дважды левой кнопкой мыши на его изображении, выберите вкладку Значение (Value)» Сопротивление (Resistance) и введите нужное значение). Таблица 2 поясняет последовательность операций, которые необходимо выполнить, чтобы получить схему, показанную на рис. 8.

Как видно, рис. 11 представляет из себя набор электрических компонентов и не имеет какого-либо смысла (за исключением, может быть общеобразовательного – на начальных этапах довольно трудно запомнить, как обозначается тот или иной электронный компонент на электрической схеме).

Рисунок 11 - Разработка модели электрической цепи

Чтобы создать модель электрической схемы, показанной на рис. 8, нужно определенным образом соединить указанные выше компоненты.

Примечание: ИПН – источник постоянного напряжения

Для того, чтобы разместить указанные выше компоненты в рабочем поле программы можно также воспользоваться панелью

Виртуальных компонентов.

Рассмотрим процесс соединения электронных компонентов на примере резистора 10кОм и вольтметра. Для того, чтобы соединить между собой два элемента схемы и повернуть какой-либо объект схемы относительно другого, необходимо выполнить следующие действия (рис. 12).

1 Поместить компоненты в рабочее поле Multisim (рис. 12. Для выполнения этой задачи необходимо выполнить действия, указанные в таблице 2.

2 Повернуть резистор на угол 90ºпо часовой стрелке. Для этого необходимо вызвать контекстное меню резистора, нажав правую кнопку мыши на изображении элемента, и выбрать пункт Поворот на 90ºпо часовой стрелке(90 Clockwise).

Таблица 2 - Расположение виртуальных компонентов в рабочем поле Multisim.

Компонент	Изображение	Последовательность действий
Источник постоянного напряжения		панель Компонент (Component)» Источник (Source)» список Источники энергии (PowerSources) окна Семейство (Family)» список Компонент (Component)» ИПН (DC_Power)» кнопка ОК
Земля		панель Компонент (Component)» Источник (Source)» список Источники энергии (PowerSources) окна Семейство (Family)» список Компонент (Component)» Земля (Ground)
Резистор		панель Компонент (Component)» Основные элементы (Basic)» список Основные виртуальные компоненты (Basic_Virtual) окна Семейство (Family)» список Компонент (Component)» Виртуальный резистор (Resistor_Virtual)
Амперметр		панель Компонент (Component)» Индикаторы (Indicators)» список Амперметр(Ammeter) окна Семейство (Family)» список Компонент (Component)» Амперметр горизонтальный (Ammeter_H)
Вольтметр		панель Компонент (Component)» Индикаторы (Indicators)» список Вольтметр(Voltmeter) окна Семейство (Family)» список Компонент (Component)» Вольтметр вертикальный (Voltmeter_V)

3 Соединить резистор и вольтметр между собой. Для этого необходимо указать курсором на один из выводов резистора. Курсор мыши примет вид черной точки. После этого, нажмите левую кнопку мыши, перетащите курсор к плюсовому входу вольтметра и еще раз нажмите эту же кнопку.

Рисунок 12 - Соединение и изменение положения компонентов схемы

Часто бывает необходимо изменить пространственное положение элемента (например, для того, чтобы сделать схему более наглядной и удобочитаемой). Предположим, нам необходимо немного передвинуть вольтметр вниз и вправо. Выделите вольтметр, щелкнув на его изображении левой кнопкой мыши. После чего, с помощью кнопок клавиатуры можно указать направление перемещения.

Соедините все компоненты схемы так, как описано выше. Чтобы запустить модель необходимо нажать кнопку F 5 или иконку - Запустить/Остановить процесс (Run/StopSimulation) - .

При помощи панели инструментов Графика (GraphicAnnotationToolbar) в рабочем поле программы можно сделать текстовые пояснения, нарисовать таблицу или разместить какой-либо рисунок.

⇐ Предыдущая 1 23

Воспользуйтесь поиском по сайту: