Metod_LR_TEK1_2014p

Міністерство освіти і науки України Національний технічний університет України «Київський політехнічний інститут

Інститут телекомунікаційних систем

Карнаух В.Я, Петрова В.М.

МЕТОДИЧНІ ВКАЗІВКИ

до лабораторного практикуму з дисципліни:

« Теорія електричних кіл 1. Елементна база і основи теорії лінійних кіл.»

для студентів спеціальностей: «Технології та засоби телекомунікацій» «Телекомунікаційні системи та мережі»

Київ – 2014

2

Міністерство освіти і науки України Національний технічний університет України «Київський політехнічний інститут

Інститут телекомунікаційних систем

Карнаух В.Я., Петрова В.М.

МЕТОДИЧНІ ВКАЗІВКИ

до лабораторного практикуму з дисципліни:

« Теорія електричних кіл 1. Елементна база і основи теорії лінійних кіл.»

для студентів спеціальностей: «Технології та засоби телекомунікацій» «Телекомунікаційні системи та мережі»

Рекомендовано Вченою радою інституту Протокол № ___

від ___ серпня 2014 р

Київ - 2014

4

Лабораторна робота № 1

Вивчення особливостей виконання лабораторних робіт і знайомство з роботою програми моделювання електричних ланцюгів

Micro-Cap

Короткий зміст роботи

В лабораторній роботі вивчаються загальні особливості моделювання схем за допомогою пакета Micro-Cap. При цьому в якості тестових схем ланцюгів можливий вибір варіантів з каталогу DATE з наступним редагуванням або створенням схем ланцюгів самостійно.

Вивчаються основні режими роботи програми при аналізі аналогових ланцюгів:

--Створення і редагування схеми ланцюга при використанні опцій меню Edit, Component, Options зі своїм підміню Tools (останнє підміню, для зручностей роботи, виведено в якості піктограм на робоче поле екрана);

--Режиму аналізу ланцюгів в часової області опція меню Analysis під опція Transient;

--Режиму аналізу ланцюгів в частотній області опція меню Analysis під опція AC; --Режиму аналізу ланцюгів на постійному струмі опція меню Analysis під опція DC;

Підготовка до роботи

1.Ознайомитися з змістом додатка до лабораторного практикуму і змістом опції меню HELP пакета

Micro-Cap.

2.Ознайомитися з робочим завданням і методичними вказівками, відповісти на наступні питання: а) Якими засобами пакета і як створюється електричний ланцюг для дослідження.

б) Перелічіть основні компоненти для створення і дослідження аналогових ланцюгів. в) Характеризуйте режим аналізу ланцюгів в часової області і зміст опції підміню Limits.

г) Характеризуйте режим аналізу ланцюгів в частотній області і зміст опції підміню Limits. д) Характеризуйте режим аналізу ланцюгів на постійному струмі и зміст опції підміню Limits.

ж) Для чого застосовується опція Stepping опції підменю Limits в вище перерахованих режимах аналізу.

Робоче завдання

1.Запустить команду Demo опції меню HELP і спостерігати демонстрацію роботи пакета при аналізі аналогових ланцюгів в вище перерахованих режимах.

2.Ознайомитися зі змістом опцій підміню Analog Primitives і Analog Library опції меню Component. Переглянути і занести в звіт по лабораторній роботі наявні основні компоненти, їх накреслення і характеристики.

3.По черзі, створивши найпростіші ланцюги з 3…7 довільних компонентів, проаналізувати її в вище перерахованих режимах. Задати в опції підміню Limits вивід однієї довільної характеристики по вибору (значень напруг, струмів, коефіцієнтів передачі, часових або частотних залежностей і т. ін.). Результати досліджень разом зі значеннями довільних вихідних даних і схемою ланцюга занести в звіт по лабораторній роботі.

4.Зробити виводи і висновки по проробленій роботі.

5

Методичні вказівки.

При вивченні порядку роботи з пакетом Micro-Cap необхідно користуватися опціями меню HELP і прикладами в каталозі date з наступним редагуванням чи створенням схем ланцюгів самостійно.

Корисним буде кількаразовий перегляд прикладу роботи з програмою при запуску команди

Demo опції меню HELP.

В підменю Contents опції меню HELP докладно розвертаються розгалужені довідкові дані по роботі з пакетом.

Студентам, у яких є власний комп'ютер, рекомендується одержати інсталяційну версію пакета Micro-Cap і розгорнути його на власному комп’ютері з метою самостійних додаткових занять при виконанні наступних лабораторних робіт.

Додаток. Деякі базові елементи пакету Micro-Cap та їх коротка характеристика.

6

7

Лабораторна робота № 2

Дослідження передачі електричної енергії на постійному струмі

Стислий зміст роботи

Лабораторна робота націлена на вивчення закономірностей передачі електричної енергії на постійному струмі від джерела в навантаження, наприклад, через якийсь проміжний ланцюг (лінію). Ці закономірності є першим рівнем вивчення передачі енергії від джерела в навантаження в самому загальному випадку, наприклад на змінному струмі при передачі енергії в навантаження через розподілений ланцюг.

Вивчення закономірностей проводиться на найпростішій моделі, що складається з джерела напруги з якимось внутрішнім опором і навантаження. При цьому передбачається, що втрати в ланцюзі, що єднає генератор і навантаження, враховані у внутрішньому опорі генератора.

Досліджуються наступні основні характеристики процесу в залежності від опору навантаження і опору джерела:

-потужність в навантаженні Рн; та коефіцієнт корисної дії η.

Підготовка до роботи.

При підготовці до роботи необхідно ознайомитися з методичними вказівками, робочим завданням, вивчити навчальну літературу, зробити всі розрахунки, зазначені в робочому завданні (в першу чергу розрахувати залежності, зазначені в п. 4 та п.5 ) та відповісти на наступні питання:

1)Який режим передачі по ланцюгу називають холостим ходом і коротким замиканням, і який коефіцієнт передачі енергії в навантаження відповідає цим режимам.

2)Дайте визначення коефіцієнта передачі енергії в навантаження для реального ланцюга, і від чого він залежить.

3)Розрахуйте теоретично та намалюйте залежності нижче перерахованих величин від величини струму між джерелом і навантаженням при зміні навантаження:

Uн – напруга на навантаженні, U - падіння напруги на опорі генератора, Pг – потужність генератора, Pн , η - величини, які визначені вище. Всі залежності на одному графічному полі при одній осі абсцис та різних осях ординат.

4)Отримайте теоретично вирази для умови передачі максимальної потужності від генератора до навантаження для реального ланцюга і реальних умов передачі потужності генератора.

5)Як зміниться ефективність передачі енергії від джерела до навантаження в реальних умовах, якщо підвищити напругу або збільшити струм в ланцюзі при дотриманні умови передачі однієї і тієї ж потужності в навантаженні шляхом зміни опору навантаження.

Робоче завдання

1.Зібрати схему для досліджень у відповідності з рис. 2.1 і варіантом завдання в табл. 2.1.

U

Рис 2.1

9

5.За даними табл. 2.3 побудувати залежності U, Pг, η - від напруги Ег при заданій потужності в навантаження Pн – const на одному графічному полі при одній осі абсцис та різних осях ординат.

6.Зробити висновки по роботі та порівняти отримані результати с розрахунковими.

Методичні вказівки

Електрична схема реальної передачі енергії від генератора до навантаження може бути представлена наступним чином:

RЛ

ЕГ

Рис 2.2

Ця схема може бути спрощена, якщо віднести втрати в ланцюзі зв'язку (лінії передачі) до генератора, збільшивши на величину Rл внутрішній опір генератора. Тоді отримаємо схему см.

рис.2.1.

Струм в ланцюзі Iн=Ег/(Rн+Rг). Напруга на навантаженні Uн=Eг- U=Eг-Iн*Rг=Iн*Rн. Втрата напруги при передачі U = Iн*Rг.

Потужність, яка передається в навантаження: Рн= Uн* Iн= Iн2* Rн.=( Ег/(Rн+Rг))2* Rн. Коефіцієнт корисної дії при передачі енергії від генератора до навантаження:

η= Рн/ Рг= Uн* Iн/ Ег* Iн=(Ег- Iн*Rг)/ Eг=1- Iн*Rг/ Ег= Rн/(Rн+Rг). При холостому ході ( ХХ ) Rн.=∞: Iн=0, U=0, Ег= Uн, Рг=0, Рн=0, η=1.

При короткому замиканні (КЗ) Rн.=0: Iн= Iкз= Ег/ Rн, U= Eг, Uн=0, Рг= Eг2/ Rг, Рн=0, η=0.

Визначимо значення опору навантаження, при якому в ньому виділяється максимальна потужність: d Рн /d Rн= Ег2/( Rн+Rг)2- 2 Rн Eг2/( Rн+Rг)3=0, звідси одержуємо умову максимальної потужності в навантаженні: Rн=Rг.

При цьому: Iн= Ег/2 Rн= Iн/2, U= Ег/2, Uн= Ег/2, Рг= Eг2/(2 Rн,* Рн)== Eг2/(4* Rн,) η=0.5.

Такий режим передачі енергії має малу ефективність, (η=0.5). Цей режим передачі використовується при передачі невеликих потужностей і в тому випадку, якщо необхідно одержати максимальну потужність в навантаженні при заданомій напрузі генератора. При передачі великих потужностей на постійному і низькочастотному змінному струмі, необхідно значення η= 0.94…0.97., що досягається вибором Rн>> Rг.

Необхідну потужність в навантаження можна передавати по ланцюгах зв’язку при різних напругах генератора. При цьому для досягнення необхідної потужності в навантаженні змінюється опір навантаження Rн, але при цьому змінюється струм Iн. Якщо струм зменшується, то зменшується

втрата енергії при передачі: Р= Iн2* Rг= (Рн/ Uн)2* Rг.

Таким чином, підвищується ефективність передачі енергії від генератора до навантаження:

η= Рн/ (Рн+ Р).

10

Лабораторна робота № 3

ЗАКОНИ ОМА І КІРХГОФА. ПОТЕНЦІЙНА ДІАГРАМА ЕЛЕКТРИЧНОГО ЛАНЦЮГА Короткий зміст роботи

Впроцесі виконання роботи вимірюють:

-силу струму, напруги на елементах в нерозгалуженому ланцюзі і перевіряють закон Ома;

-силу струму, напруги на елементах в складному ланцюзі і перевіряють закони Кірхгофа;

-перевіряють принципи суперпозиції для лінійного ланцюга.

Аналітично розраховують силу струмів в обох ланцюгах і порівнюють з дослідними даними. Будують потенційні діаграми для одного і того ж контуру при різних силах струмів в його елементах. Аналітично визначають потенціали в ланцюзі і порівнюють з дослідними даними.

Підготовка до роботи

При підготовці до роботи необхідно ознайомитися з методичними вказівками, робочим завданням, вивчити навчальну літературу, зробити всі розрахунки, зазначені в робочому завданні (в першу чергу див. п. 4) та відповісти на наступні питання:

1.Як формулюються перший і другий закони Кірхгофа?

2.Чому при розрахунку ланцюга число незалежних рівнянь, що складаються по першому закону Кірхгофа, на одиницю менше числа вузлів?

3.Скільки незалежних рівнянь необхідно складати за другим законом Кірхгофа?

4.Як перевірити, чи задовольняють отримані дослідним шляхом сили струмів і напруги відповідно першому і другому законам Кірхгофа?

5.Що таке потенційна діаграма контуру електричного ланцюга?

6.Як побудувати потенційну діаграму за результатами досліду?

7.Як визначити з потенційної діаграми силу і напрямок струму в гілці контуру?

8.Як визначити з потенційної діаграми значення і знак напруги між будь-якими двома точками електричного ланцюга?

9.Що таке принцип суперпозиції для лінійного ланцюга і як він формулюється і перевіряється?

10.Як вплине на вигляд потенційної діаграми вибір іншої точки з нульовим потенціалом? Привести аргументи.

11.Використовуючи дані варіанту завдання розрахувати напруги та струми табл. 3.1 та взаємні

провідності Gк1, Gк2 у відповідності з принципом суперпозиції струму у вітці (k), обумовленому дією джерел E1, E2. Де (k) – номер варіанту завдання. Для дев’ятого варіанту вітка-R01, десятого R02.

Робоче завдання

1.В схемі, зображеній на рис.3.1, задати ЕДС Е1 и E2 джерел енергії і їх внутрішні опори R01 і R02,

атакож номінали елементів ланцюга відповідно варіанту завдання, наведеного в табл.3.2. В якості відлікового потенціалу, вибрати потенціал зазначеної точки (ЗАЗ).

2.Вимірити силу струмів, напруги між іменованими точками ланцюга і потенціали цих же точок

по значенню і знаку. Розглянути три варіанта стану ланцюга в залежності від значень джерел напруги. Результати вимірів звести в табл.3.1.

Примітки: А) Так як безпосередньо вимірити потенціал якої-небудь точки принципово неможливо, то завжди вимірюють різницю потенціалів між досліджуваною точкою і тою ж точкою, потенціал якої умовно прийнятий рівним нулю (відлікова точка для потенціалів).

Б) При усіх вимірах необхідно враховувати не тільки значення, але й знак різниці потенціалів.

3.По відомим з досліду п.2 напругам, ЕДС і опорам обчислити силу струмів на ділянці ланцюга, що не містить ЕДС, на ділянці ланцюга з ЕДС і в нерозгалуженому ланцюзі в цілому і перевірити справедливість закону Ома в усіх цих випадках.

4.Обчислити аналітично, з використанням рівнянь за законами Кірхгофа, силу і напрямки струмів

вгілках для вихідних варіантів схем, а також напруги на елементах. Занести їх в табл.3.1 і порівняти з обмірюваними значеннями при досліді.

5.За даними досліду п.2 побудувати потенційні діаграми зовнішнього контуру ланцюга для усіх трьох варіантів ланцюга (див. табл. 3.1) на одному графічному полі.

6.За даними табл. 3.1 перевірити дотримання принципу суперпозиції (привести приклади).

7.Зробити висновки по роботі.