Моделирование электротехнических устройств. Методические указания для самостоятельной работы студентов направления подготовки 140400.62 «Электроэнерге

МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ

ФЕДЕРАЛЬНОЕ ГОСУДАРСТВЕННОЕ БЮДЖЕТНОЕ ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ ВЫСШЕГО ПРОФЕССИОНАЛЬНОГО ОБРАЗОВАНИЯ

СЕВЕРО-КАВКАЗСКАЯ ГОСУДАРСТВЕННАЯ ГУМАНИТАРНО-ТЕХНОЛОГИЧЕСКАЯ АКАДЕМИЯ

И.И. Алиев

И.А.Гурина

МОДЕЛИРОВАНИЕ

ЭЛЕКТРОТЕХНИЧЕСКИХ УСТРОЙСТВ

Методические указания для самостоятельной работы студентов направления подготовки

140400.62 «Электроэнергетика и электротехника» всех форм обучения

Черкесск

2013

УДК 004.4 ББК 32.973.26

А 50

Рассмотрено на заседании кафедры Электрических и информационных технологий.

Протокол № 4 от «31»декабря 2013 г.

Рекомендовано к изданию редакционно-издательским советом СевКавГГТА Протокол № 3 от « 31»декабря 2013 г.

Рецензент: Эркенов Н.Х. – к. т. н., доцент кафедры ЭиИТ

А50 Алиев И.И. Моделирование электротехнических устройств: методические указания для самостоятельной работы студентов направления подготовки 140400.62 «Электроэнергетика и электротехника» всех форм обучения/ И.И. Алиев, И.А. Гурина. – Черкесск: БИЦ СевКавГГТА,

2013. – 44 с.

В учебно-методическом пособии приведены теоретические сведения по моделированию электротехнических устройств в программном комплексе Multisim MS-01. Представлены задания для самостоятельного практического выполнения студентами направления подготовки 140400.62 «Электроэнергетика и электротехника».

УДК 004.4 ББК 32.973.26

© Алиев И.И., Гурина И.А., 2013 © ФГБОУ ВПО СевКавГГТА, 2013

2

Содержание

Введение

Сборка и исследование простых разветвленных виртуальных электрических цепей.

Исследование цепи трехфазного тока при соединении электроприемников звездой

Исследование цепи трехфазного тока при соединении электроприемников треугольником

Исследование однофазного трансформатора

Исследование полупроводниковых выпрямителей

Исследование усилителей постоянного тока

Литература

3

ВВЕДЕНИЕ

В последние годы в вузах ряда стран, включая и Россию, в подготовке студентов направления 140400.62 «Электроэнергетика и электротехник» всё более широкое применение находит система моделирования

ианализа электрических схем "Electronics Workbench". Последней, наибо-

лее совершенной версией программы является "Multisim-2001" (от multi -

много и simulation - моделирование, в дальнейшем - MS-01).

Программа MS-01 располагает широким набором виртуальных элементов электрических цепей, представленных в виде условных обозначений (пиктограмм), которые обладают основными свойствами реальных физических элементов: источников постоянного и переменного напряжения и тока, резисторов, конденсаторов, катушек индуктивности, трансформаторов, двигателей, диодов, транзисторов, усилителей, логических элементов, измерительных приборов и т. д, и является, в сущности, пре-

восходной виртуальной лабораторией.

Таким образом, "собрав" на экране монитора из соответствующих элементов требуемую виртуальную электрическую схему, можно выполнить её полный анализ, изучить её в установившихся и переходных режимах. При этом можно быть уверенным, что при корректной сборке схемы

иумелом "проведении экспериментов", результаты исследований совпадут с результатами исследований в реальной схеме, а по точности превзойдут их. В этом - суть программы MS-01, и её достоинство.

Программа MS-01 хороша для использования научными работниками и инженерами, которые проектируют и испытывают новые устройства, ибо эти испытания можно провести на виртуальной модели. Это избавляет исследователей от необходимости строить физическую модель устройства и, следовательно, резко сокращает как материальные, так и временные затраты.

Программа MS-01 полезна не только для инженеров, но и для студентов вузов всех форм обучения, поскольку она существенно расширяет возможности выполнения курсовых работ и контрольных заданий, лабораторных и самостоятельных работ, а также лучшего их понимания.

Посредством программы MS-01 можно выполнить работы на обычном IBMсовместимом ПК с процессором не ниже 486. Она дает возможность более углубленного исследования тех электрических схем, которые изучаются студентами, поскольку программа обладает широким набором измерительной техники. Наконец, использование программы может быть полезно при так называемом дистанционном обучении студентов.

4

Именно это напряжение и показывает вольтметр, подключенный к узлам

а и в.

+-

Рис. 2. Виртуальная схема цепи с распределением токов в её ветвях

Проверим результаты моделирования ещё при помощи баланса мощностей: мощность, отдаваемая источником должна быть равна сумме мощностей, потребляемых двумя лампами:

Р ав = Р Х 1 + Р Х 2 ; Р ав = U ав ·I1;

Рав = 11.717 · 2.834 = 33.204 Вт;

РХ 1 = U ав · I2 = 11.717 · 0.814 = 9.537 Вт;

РХ 2 = U ав ·I3 = 11.717 · 2.020 = 23.668 Вт

РХ 1 + Р Х 2 = 33.205 Вт.

Определим теперь полную мощность источника ЭДС Р с учетом мощности потерь на его внутреннем сопротивлении Р. Очевидно, что она равна сумме мощности ламп и мощности потерь:

Р = Р ав + Р;

Р = I1 2 · R1= ΔU ·I1; Р = 0.802 Вт;

Р= 33.204 + 0.802 = 34.006 Вт.

Сдругой стороны полная мощность источника равна:

Р= V1·I1; Р = 12 · 2.834 = 34.007 Вт.

Как видно из приведенных примеров расчетов цепи на основе законов Ома и Кирхгофа, и на основе расчета баланса мощностей, программа вычисляет и указывает значения напряжений и токов в ветвях с высокой точностью.

Рассмотрим другой пример. Простая разветвленная цепь включает два источника напряжения (рис.3). Пусть величины ЭДС этих источников составляют соответственно 12 и 11 В. Величины сопротивлений указаны на схеме.

6

Определим токи ветвей цепи путем моделирования по программе MS-01. Для этого соберем виртуальную схему. Схема включает два источника ЭДС V1 и V2, два сопротивления R1 и R2, условно равные внутренним сопротивлениям источников, сопротивления R4 и R5, условно равные сопротивлению соединительных проводов, и сопротивление нагрузки R3.

Последовательно с сопротивлениями во все три ветви включаем мультиметры ХММ1, ХММ2, ХММ3, которые указанным выше способом настраиваем на режим амперметра постоянного тока. Параллельно нагрузке включаем мультиметр ХММ4 в режиме вольтметра постоянного напряжения.

аI2

Для настойки приборов двойными щелчками по ним выведем их увеличенные изображения. Один из узлов цепи (узел в) заземляем. Цепь собрана и готова к исследованию.

Включим питание собранной цепи. На рис. 4. представлено окно программы с виртуальной цепью и распределением токов в ветвях цепи и напряжения на нагрузке, которые видны на увеличенных изображениях мультиметров, расположенных ниже схемы.

Токи ветвей составляют:

I1 = 821,272 мА, I2 = -214,406 мА, I3 = 1,036 А.

Падение напряжения на нагрузке U3 = 10,327 В.

Нетрудно проверить справедливость первого закона Кирхгофа: сумма всех токов, сходящихся в узле цепи равна нулю:

I1 + I2 + I3 = 0.

Действительно, для узла а или в (с учетом погрешности приборов): 0,821 + 0,214 = 1,036 А, или: 1,036 - 0,821 - 0,214 = 0

7

Рис.4. Окно программы с виртуальной схемой цепи и результатами расчета токов ветвей

Как видим, ток во второй ветви имеет знак минус. Это означает, что токи в первой и второй ветвях направлены навстречу друг другу, а ток третьей ветви складывается из первого и второго.

В соответствии с законом Ома:

U = I·R.

Падения напряжения в первой ветви составляют:

U1 = U4 = 0,821.

Следовательно, напряжение на узлах цепи составит:

12 - 1,642 = 10,36 В.

С другой стороны, суммарное падение напряжения во второй ветви:

U2 + U5 = 0,214 + 0,428 = 0,672 В.

Напряжение между узлами а, в: 11 - 0,672 = 10,36 В.

Это напряжение и фиксирует вольтметр ХММ4.

Как видим, модель обеспечивает автоматический расчет цепи и позволяет проанализировать её.

8

Рис. 5. Схема электрической цепи с использованием простейших амперметров и вольтметров

Заметим, что ту же цепь можно собрать, используя простейшие измерительные приборы (амперметры и вольтметры) из библиотеки левого поля компонентов (рис.5).

Пространственное расположение амперметров и вольтметров выбирается путем щелчка по ним правой клавишей мыши (выделение), а затем - левой, после чего появляется небольшое окно с пиктограммами поворота изображения на 90 градусов влево или вправо. Это, впрочем, относится ко всем без исключения элементам программы.

При выборе амперметров их внутренние сопротивления установлены равными 0.009 Ом. Как видно на рис. 2.5 распределение токов в ветвях схемы (0.82 А, -0.215 А и 1.034 А) и падение напряжения между её узлами (10,354 В) практически не отличаются от таковых в предыдущей схеме, где были использованы универсальные приборы - мультиметры.

Таким образом, задача расчета электрической схемы (в том числе - произвольной сложности) в рамках программы сводится к правильной сборке электрической схемы и включению её питания, что автоматически приводит к решению задачи по определению токов во всех ветвях как простой, так и сколь угодно сложной электрической цепи, а также падений напряжений на любом участке цепи, для чего достаточно включить в соответствующие участки соответствующие измерительные приборы.

В этом заключается, как отмечалось выше, главное достоинство программы MS-01 перед известными расчетными методами, которые для сложных цепей оказываются весьма громоздкими.

9

Другим несомненным достоинством такого моделирования является его наглядность. Это относится к цепям постоянного тока и, как будет показано ниже, к цепям переменного тока в установившемся режиме, т.е. в таком режиме, когда после включения питания электрической схемы токи её ветвей и напряжения на её элементах, достигнув установившихся значений, в дальнейшем не изменяются.

Это относится и к виртуальным цепям постоянного и переменного тока в переходных режимах, т.е. режимах, соответствующих промежуточному состоянию при переходе электрической схемы из одного установившегося состояния в другое, например периоду между включением питания схемы и временем, когда токи и напряжения в ней становятся неизменными.

Исследование цепи трехфазного тока при соединении электроприемников звездой

Целью работы является сборка и исследование цепи трехфазного переменного тока в симметричном и несимметричном режимах, а также влияния нейтрального провода на величину фазных напряжений электроприемников.

Программа работы. 1. Сборка трехфазной симметричной цепи из резисторов, соединенных звездой.

2.Исследование распределения линейных и фазных токов, напряжений и мощностей в симметричной схеме, построение векторной диаграммы.

3.Исследование распределения линейных и фазных токов напряжений и мощностей в несимметричной схеме без нулевого провода, построение векторной диаграммы.

4.Исследование распределения линейных и фазных токов, напряжений и мощностей в несимметричной схеме с нулевым проводом, построение векторной диаграммы.

5.Сборка трехфазной симметричной цепи из последовательно включенных резисторов и катушек, соединенных звездой.

6.Исследование распределения линейных и фазных токов, напряжений и мощностей в симметричной схеме, построение векторной диаграммы.

Выполнение работы.

Для сборки схемы извлечем из библиотек пиктограмм три источника переменного напряжения V1, V2, V3; три амперметра ХММ1, ХММ2 и ХММ3 для измерения фазных (линейных) токов, амперметр ХММ4 для измерения тока нулевого провода; три вольтметра ХММ5, ХММ6, ХММ7

10