Схемотехническое моделирование электрических цепей (стр. 1 )

МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ

Новосибирский государственный технический университет

Схемотехническое моделирование электрических цепей

Практикум

Часть 1

Для студентов электротехнических специальностей

Новосибирск

2010

Предлагаемая работа содержит описания лабораторных работ № 1…4 по исследованию установившихся и переходных процессов, изучение частотных свойств линейных электрических цепей. Темы лабораторных работ соответствуют разделам первой части курса теории электрических цепей. В работах используется пакет программ Electronics Workbench, который позволяет проводить моделирование установившиеся и переходные процессов в электрических и электронных цепях, помогает изучать студентам методы расчета таких цепей и их свойства.

Работы предназначены для студентов электротехнических специальностей всех форм обучения и могут применяться для дистанционных форм обучения студентов с применением компьютерных технологий.

Составители: , канд. техн. наук, доц.

, канд. техн. наук, доц.

, доктор техн. Наук, проф.

Рецензент , канд. техн. наук, доц.

Работа подготовлена на кафедре

теоретических основ электротехники

 

СОДЕРЖАНИЕ

Общие методические указания………………………………………..…. 4

Список литературы ……………….....................………….………..…… 5

Лабораторная работа № 1

Линейные резистивные цепи …………………………………………… 6

Лабораторная работа № 2

Простейшие линейные цепи с синусоидальными источниками…. 28

Общие методические указания

1. Все лабораторные работы проводятся на персональных компьютерах (ПК), и рассчитаны на выполнение каждой работы в течение трёх или четырёх академических часов.

2. Перед выполнением лабораторной работы студент должен ознакомятся с описанием работы, рекомендованной литературой и лекциями.

3. Каждый студент перед выполнением моделирования расчесывает индивидуальный вариант задания. Номер варианта выбирается из соответствующей таблицы и соответствует номеру студента в групповом журнале. Результаты расчета заносятся в отчет.

4. В отчет необходимо внести следующее: цель лабораторной работы; расчеты вариантов; основные формулы; схемы, таблицы в соответствии с порядком выполнения работы; содержание отчета приводится в конце лабораторной работы.

5. После выполнения расчетной части студент приступают к моделированию электрических цепей на ПК по программе EWB. Моделирование и запись в отчет проводится только рассчитанных величин!

7. По результатам выполненной работы студент оформляет отчет и высылает его на проверку. В отчёте должно быть приведено следующее: цепь работы; расчеты вариантов; основные формулы, схемы, таблицы с результатами моделирования на ПК - опытов, расчетов и в соответствии с порядком выполнения работы; графики зависимостей; анализ полученных результатов и выводы.

Список литературы

1.  , , и др. Основы теории цепей. - М.: Энергия, 1989. - 528 с.

2.  Теоретические основы электротехники: В 3 т.: Учеб. Для вузов / , , Н. В. Коровкин, В. Л. Чечурин. – 4-е изд. – СПб: Питер, 2003.

3.  . Теоретические основы электротехники. - М.: Высшая школа, 1984. - 559 с.

4.  Атабеков электрические цепи. - М.: Энергия, 1978.-. 432 с.

5.  Матханов анализа электрических цепей. - М.: Высшая школа, 1990. - 400 с.

6.  , Семендяев по математике. - М.: ГИФМЛ, 1962. - 680 с.

7.  правочник по математике. - М.: Наука, 1977. – 720 с.

8.  Разевиг аналоговых электронных устройств на персональных ЭВМ. - М.: Изд-во МЭИ, 1993. - 152 с.

9.  Теоретические основы электротехники / Под ред. . - М.: Высшая школа, 1979. - Т. 1. Основы теории линейных цепей. - 544 с.

10.  Попов теории цепей. - М.: Высшая школа, 1998. - 575 с.

11.  Белецкий линейных электрических цепей. - М.: Радио и связь, 1986. - 544 с.

12.  Добротворский практикум по основам теории цепей. - М.: Высшая школа, 1986. - 192 с.

13. Прянишников основы электротехники. Курс лекций. СПб.: - КОРОНА принт, 2000.- 368 с., ил.

14. Прянишников и ТОЭ в примерах и задачах. Практическое пособие. - СПб.: КОРОНА Век, 2007.- 336 с., ил.

15. Карлащук лаборатория на IBM PC. М.: Солон Р, 1999.- 506с.

16. , , Чепурин и электротехника в экспериментах и упражнениях:

17. Практикум на Electronics Workbench: В 2 т./ Под общей ред. – Т. 1: Электротехника. – М. ДОДЕКА, 1999. – 304с.

Лабораторная работа № 1

Линейные резистивные цепи постоянного тока

Цель работы

Изучить схемы замещения источников электрической энергии. Освоить расчёт линейных цепей постоянного тока методами наложения, узловых потенциалов, законов Кирхгофа, Ома и метода эквивалентного генератора. Научится определять потенциалы узлов и токи в ветвях простейших резистивных электрических цепей, содержащих источники постоянного напряжения и тока. Научится применять пакет программ Electronics Workbench (EWB) для моделирования установившихся процессов в цепях постоянного тока.

1.1. Основные теоретические сведения

1.1.1. Электрическая цепь, элементы цепи и их схемы замещения

Электрической цепью называется совокупность устройств, предназначенных для передачи, распределения и взаимного преобразования электромагнитной, тепловой, световой и др. видов энергии и информации, если процессы, протекающие в устройствах, могут быть описаны при помощи таких понятий, как ЭДС, напряжение и ток.

Основными элементами электрической цепи являются источники и приемники электрической энергии и информации, которые соединяются между собой проводниками. В источниках электрической энергии (аккумуляторы, гальванические элементы, генераторы и т. п.) химическая, механическая, тепловая и др. виды энергии преобразуются в электрическую энергию. В приёмниках энергии таких, как нагреватели, электрические машины, осветительные приборы и т. п. электрическая энергия преобразуется в иные виды энергии.

Электрические цепи, в которых получение, передача и преобразование электрической энергии происходит при постоянных во времени токах и напряжениях, называются цепями постоянного тока, а при переменных во времени токах и напряжениях - цепями переменного тока.

Для расчета и исследования процессов, протекающих в электрической цепи, её заменяют расчетной схемой замещения, т. е. идеализированной цепью, которая служит расчетной моделью реальной цепи. При получении такой схемы, каждый реальный элемент цепи заменяется расчетной моделью – элементом схемы. Математическое описание каждого элемента (модель) должно отражать протекающие в нём главные физические процессы.

Одним из приёмников электрической цепи является резистивный элемент - резистор. В резистивном элементе с сопротивлением R электромагнитная энергия преобразуется в тепло. R – Активное сопротивление, измеряется в Омах (Ом). Мгновенная мощность, с которой происходит преобразование энергии, определяется соотношением: . Резистивные (или их ещё называют активные) сопротивления вводятся в схемы замещения элементов цепи для учета необратимого преобразования электромагнитной энергии в другие виды (например, тепловую, механическую, энергию излучения и т. п.).

Для расчета токов и напряжений в цепи необходимо задать положительные направления токов и напряжений в элементах цепи. Положительным направлением тока и напряжения полагается их направление от узла с большим потенциалом к узлу с меньшим потенциалом.

 

а б

Рис. 1.1. Направления тока и напряжения на резисторе

На рис. 1.1 , поэтому направление тока и напряжения задано от узла с потенциалом к узлу с потенциалом . В резистивном элементе (рис. 1.1,а) напряжение связано с током законом Ома: . Для цепи постоянного тока (рис. 1.1,б) или для действующих значений резистивной цепи с гармоническими источниками (рис. 1.1,а) . Если значение сопротивления резистора не зависит от тока, протекающего через него, то такой резистор называется линейным, а электрическая цепь, состоящая только из таких резисторов, - линейной резистивной.

а б в г

Рис. 1.2. Схемы замещения источника ЭДС и тока

В настоящей лабораторной работе рассматриваются цепи, содержащие только линейные резисторы и источники ЭДС и тока. Для анализа такого рода цепей можно использовать все законы, применяемые для анализа линейных цепей постоянного тока и связывающие между собой значения токов, напряжений и ЭДС.

Источником напряжения (ЭДС, тока) называют источник, напряжение (ЭДС, ток) которого не зависит от сопротивления внешней цепи . Схемы замещения реальных источников приведены на рис. 1.2,а – источник ЭДС (напряжения), а на рис. 1.2, в – источник тока. Величина ЭДС источника – Е измеряется в режиме холостого хода (т. е. при токе в источнике ) и равна напряжению на его зажимах. В схемах замещения источников резистор учитывает тепловые потери энергии, выделяемые внутри источника. Если внутреннее сопротивление источников ЭДС (напряжения) - равно нулю, а источника тока – бесконечности, то такие источники называют идеальными (рис. 1.2,б, г). В реальных источниках внутреннее сопротивление имеет конечное значение, поэтому на практике за источник ЭДС (напряжения) принимают источник, для которого выполняется условие , а при условии - за источник тока, где - внешнее сопротивление, на которое включен источник.