Демо (html) Электротехника и электроника
Моделирование цепей постоянного тока
Задана схема цепи постоянного тока, представленная на рис. 6.
Рис. 6.
Задача исследования: Определить узловые потенциалы и контурные токи цепи постоянного тока.
Построение схемы исследования цепи рис. 6.
1. На панели инструментов щелкните по кнопке , в появившемся окне создания нового файла установите переключатель напротив и нажмите на кнопку ОК. В случае появления в рабочем окне изображения прибора, нажмите на клавишу ESC.
2. Щелкните по кнопке
панели библиотек компонентов приборов. Появившееся на экране изображение компонента переместите в рабочее окно и разместите в соответствии со схемой рис.6, не отпуская левую кнопку мышки. После отпускания кнопки мышки появится диалоговое окно для задания параметров батареи. Нажмите на кнопку ОК.
3. Щелкните по кнопке
панели библиотек компонентов приборов. Появившееся на экране изображение компонента переместите в рабочее окно и разместите в соответствии со схемой рис.6, при необходимости не отпуская левую кнопку мышки, нажмите на правую кнопку, элемент повернется на 90 град. После отпускания кнопки мышки появится диалоговое окно для задания параметров резистора. Нажмите на кнопку ОК. Аналогично вытащите пиктограммы оставшихся резисторов.
4. Щелкните по кнопке
панели библиотек компонентов приборов. Появившееся на экране изображение компонента переместите в рабочее окно и разместите в соответствии со схемой рис.6. Нажмите на клавишу Esc клавиатуры.
5. Расположите методом буксировки пиктограммы элементов так, как показано на рис. 6, соедините элементы и выведите два проводника под выводы А, В согласно рис. 6. Нажмите на клавишу Esc клавиатуры.
6. Для установки контрольных точек А и В утопите кнопку и указатель мышки направьте на нужную точку на проводнике, затем щелкните мышкой и в открывшемся окне введите символ в английской раскладке клавиатуры.
7. Установите параметры компонентов схемы в соответствии с рис. 6.
8. В строке меню выберите Analysis, а в раскрывающемся списке Dynamic DC… . В появившемся диалоговом окне (рис. 2) проводится настройка режима моделирования (расчет режима по постоянному току в режиме диалогового изменения параметров схемы).
Рис. 7.
9. В окне рис. 7 утопите кнопки: ("Показать узловые потенциалы" (Node Voltages)) и ("Показать токи в контурах" (Currents)). В результате на схеме появится информация об узловых потенциалах и контурных токах в цепи (рис. 8). Узловые потенциалы в контрольных точках А и В показаны в овальных рамках (В), токи в резисторах (токи в контурах) показаны в прямоугольных рамках, стрелки показывают направление токов.
Рис.8. Схема цепи постоянного тока (результаты моделирования в режиме Dynamic DC)
Вариант
Измерение узловых потенциалов и контурных токов в сложной цепи постоянного тока
Многоконтурная цепь постоянного тока
Вариант
Измерение узловых потенциалов и контурных токов в сложной цепи постоянного тока
Многоконтурная цепь постоянного тока
Вариант
Измерение узловых потенциалов и контурных токов в сложной цепи постоянного тока
Многоконтурная цепь постоянного тока
Вариант
Измерение узловых потенциалов и контурных токов в сложной цепи постоянного тока
Многоконтурная цепь постоянного тока
Вариант
Измерение узловых потенциалов и контурных токов в сложной цепи постоянного тока
Многоконтурная цепь постоянного тока
Моделирование цепей постоянного тока с использованием программы Micro-Cap 9.0
Программа Micro-Cap 9.0 запускается при помощи ярлыка на рабочем столе Windows. После этого появляется окно программы Micro-Cap 9.0, которое сверху содержит главное меню (File, Edit, Component, Windows, Options, Analysis, Design, Model, Help), панель графических изображений выполняемых функций и панель библиотек компонентов следующего вида:
Для создания схем необходимые элементы нужно выбирать из панели с изображением "земли", резистора, конденсатора, катушки индуктивности, диода, биполярного и полевого транзисторов, операционного усилителя, источников сигналов, включая батарею. Полная библиотека электронных компонентов находится в выпадающем меню Component.
Перенос компонент с панели на рабочий экран программы проводится в режиме Select mode. Выбор режима осуществляется утоплением кнопки . После выбора элемента на строке панели библиотек компонентов, он перетаскивается мышкой на экран.
Основные, наиболее часто применяемые команды связаны с пиктограммами, расположенными на третьей строке панели. Остальные команды могут быть найдены в выпадающих меню. Пиктограммы активных команд освещены, пиктограммы не работающих в данном режиме команд являются темными.
Ниже приведен список основных команд режима редактирования.
Таблица 1. Команды режима редактирования
Часть команд редактора служит для отображения информации на схеме. Некоторые из этих команд являются активными сразу, остальные становятся активными после проведения цикла моделирования, в котором рассчитываются соответствующие величины.
Таблица 2. Команды режима редактирования
Следующая группа команд меню Edit позволяет изменять параметры схемы.
Таблица 3. Команды изменения параметров схемы
Меню электронных компонентов Component включает в себя обширные библиотеки аналоговых и цифровых элементов. Меню построено по иерархическому принципу и содержит, в частности, библиотеки типовых цифровых и аналоговых примитивов (Analog Primitives, Digital Primitives), а также библиотеку Animation. В этой библиотеке находятся, в частности, индикаторы и измерительные приборы.
Для выбора компонента из меню по его имени необходимо щелкнуть мышкой. После этого компонент появляется на экране и его можно перемещать, не отпуская левую кнопку мышки. Если одновременно нажать на правую кнопку, элемент повернется на 90 град. После отпускания кнопок мышки появится диалоговое окно для задания параметров этого компонента.
Меню Analysis (Анализ) позволяет выбрать режим моделирования электронной схемы. Команды этого меню приведены в следующей таблице.
Таблица 4.. Режимы моделирования электронных схем
Переход от одного режима работы программы Micro-Cap к другому удобно проводить при помощи функциональных клавиш. Приведем список выполняемых команд.
0646.01.03;ЭПТЛ2.01;1
Тема:
Моделирование цепей постоянного тока
Используемые программы:
Micro-Cap 9.0
Тестирование
Укажите команду контекстного меню Analysis окна программы Micro-Cap 9.0, с помощью которой проводится настройка режима моделирования электронной схемы для анализа вольтамперных характеристик по постоянному току
DC …
Вариант 5
Задана схема одноконтурной цепи переменного тока
Амплитудное значение напряжения генератора синусоидального напряжения Е1 = 220 В, частота ¦=50 Гц.
Емкость конденсатора С1 = 0.2mF = 0.2uF.
Вариант 3
Задана схема одноконтурной цепи переменного тока
Амплитудное значение напряжения генератора синусоидального напряжения Е1 = 220 В, частота ¦=50 Гц.
Емкость конденсатора С1 = 0.5mF = 0.5uF.
Вариант 1
Задана схема одноконтурной цепи переменного тока
Амплитудное значение напряжения генератора синусоидального напряжения Е1 = 220 В, частота ¦=50 Гц.
Емкость конденсатора С1 = 1mF = 1uF.
Вариант 2
Задана схема одноконтурной цепи переменного тока
Амплитудное значение напряжения генератора синусоидального напряжения Е1 = 220 В, частота ¦=50 Гц.
Емкость конденсатора С1 = 4mF = 4uF.
Вариант 4
Задана схема одноконтурной цепи переменного тока
Амплитудное значение напряжения генератора синусоидального напряжения Е1 = 220 В, частота ¦=50 Гц.
Емкость конденсатора С1 = 6mF = 6uF.
Измерение значений тока и напряжения в цепи
Задана схема одноконтурной цепи переменного тока, представленная на рис. 1. В данной схеме источник переменного напряжения подключен к последовательно соединенным: активному сопротивлению, индуктивности и емкости.
Рис. 1.
Задача исследования:
- отобразить осциллограммы напряжений на источнике питания, индуктивности, конденсаторе и тока, проходящего через резистор;
- определить амплитуды напряжения на L1, C1 и тока в R1;
- определить сдвиг фаз между напряжением Е1 и током в R1.
Построение схемы, представленной на рис. 1.
1. Щелкните по кнопке
панели библиотек компонентов приборов. Появившееся на экране графическое изображение универсального источника сигналов переместите в рабочее окно и разместите в соответствии со схемой рис.1, не отпуская левую кнопку мышки. После отпускания кнопки мышки появится диалоговое окно для задания параметров батареи. Нажмите на кнопку ОК.
2. Щелкните по кнопке
панели библиотек компонентов приборов. Появившееся на экране изображение компонента переместите в рабочее окно и разместите в соответствии со схемой рис.1, при необходимости не отпуская левую кнопку мышки, нажмите на правую кнопку, элемент повернется на 90 град. После отпускания кнопки мышки появится диалоговое окно для задания параметров резистора. Нажмите на кнопку ОК. Аналогично вытащите пиктограммы оставшихся резисторов.
3. Щелкните по кнопке
панели библиотек компонентов приборов. Появившееся на экране изображение катушки индуктивности переместите в рабочее окно и разместите в соответствии со схемой рис.1. Нажмите на кнопку ОК.
4. Щелкните по кнопке
панели библиотек компонентов приборов. Появившееся на экране изображение конденсатора переместите в рабочее окно и разместите в соответствии со схемой рис.1, при необходимости не отпуская левую кнопку мышки, нажмите на правую кнопку, элемент повернется на 90 град. Нажмите на кнопку ОК.
5. Щелкните по кнопке
панели библиотек компонентов приборов. Появившееся на экране изображение компонента переместите в рабочее окно и разместите в соответствии со схемой рис.1. Нажмите на клавишу Esc клавиатуры.
6. Расположите методом буксировки пиктограммы элементов так, как показано на рис.1 и соедините элементы согласно рис. 1. Нажмите на клавишу Esc клавиатуры.
Примечание: Для соединения элементов друг с другом нужно щелкнуть по кнопке (активизировав режим Wire mode), аккуратно подвести курсор к одному из выводов элемента и нажать кнопку мыши. Затем, удерживая нажатой кнопку перемещать мышь, подводя курсор к выводу другого элемента, после чего отпустить кнопку мыши.
Задание параметров элементов схемы
7. Установите курсор на пиктограмме источника сигналов и двойным щелчком кнопки мыши откройте диалоговое окно для задания его параметров Рис.2.
Рис. 2. Окно настройки источника сигнала
8. В диалоговом окне Рис. 2. выберите строчку Part и в окошке Value введите имя батареи - Е1. На вкладке выбора типа источника сигнала нажмите кнопку с надписью Sin.
9. Убедитесь в том, что активирован режим VALUE и последовательно заполните поля:
VA = 100 (В) – амплитуда синусоидального напряжения Аm;
AC Phase = 0 – начальная фаза синусоидального сигнала φ;
F0 = 50 (Гц) – частота синусоидального сигнала.
В результате окно настройки источника синусоидального сигнала должно принять вид, показанный на Рис.3.
Рис. 3. Окно настройки источника синусоидального сигнала
Настройку завершите нажатием кнопки ОК.
10. Установите курсор на пиктограмме индуктивности и двойным щелчком кнопки мыши откройте диалоговое окно для задания его параметров Рис.4.
Рис. 4 Окно настройки индуктивности
11. В диалоговом окне Рис. 4 выделите строчку INDUCTANCE, а в поле Value введите величину индуктивности 400mH (400 мГн =4 10-1 Гн, в поле также можно ввести 4e-1), так как показано на Рис.5. Нажмите на кнопку ОК.
Рис. 5.
12. Установите курсор на резисторе и двойным щелчком кнопки мыши откройте диалоговое окно для задания его параметров. В окне Value установите значение сопротивления резистора согласно схеме Рис. 1 равным 150 Ом. Нажмите на кнопку ОК.
Примечание. Для задания сопротивления резистора достаточно ввести, например, 150 - это равнозначно 150 Ом, При вводе, например, 1.3K=1,3кОм, необходимо также учитывать, что целая часть должна отделяться от дробной точкой, а не запятой.
13. Установите курсор на конденсаторе и двойным щелчком кнопки мыши откройте диалоговое окно для задания его параметров. В окне Value установите значение емкости конденсатора согласно схеме Рис. 1 равным 1uF (1). Нажмите на кнопку ОК.
Измерение значений напряжения и тока
Для схемы Рис. 1 необходимо отобразить осциллограммы напряжений на источнике питания, индуктивности и конденсаторе, тока, проходящего через резистор, т.е. построить четыре осциллограммы.
14. В строке меню окна программы выберите Analysis, а в раскрывающемся списке Transient… . В появившемся диалоговом окне проводится настройка режима анализа переходных процессов.
15. Перед началом анализа необходимо установить время моделирования (Time Range). В поле Time Range введите время 0.05 с и щелчком мышки установите галочки напротив Operating Point, Auto Scale Ranges и Accumulate Plots.
В нижней части диалогового окна (см. Рис. 6) указываются параметры выводимых графиков.
Рис. 6.
В столбце Р вводят номера зависимостей от времени различных переменных состояния схемы, которые выводятся в отдельном графическом окне так же как на экране осциллографа. В столбце X Expression вводятся имена переменных, откладываемые по горизонтальной оси графика (Т – время, сек.), а в столбце Y Expression вводятся имена переменных, откладываемые по вертикальной оси графиков. В полях X Range и Y Range откладываются через запятую диапазон изменения сигнала, начальное значение и шаг вывода результатов по осям X и Y, соответственно.
16. Щелчком мышки по кнопке Add добавьте строчку в окне Рис. 6, так как необходимо отобразить четыре осциллограммы (лишние строки удаляются кнопкой Delete) и введите значения в полях: Р, Y Expression, X Range согласно рис. 7.
Рис. 7.
Назначение введенных в строках на рис. 7 символов:
· E1, L1, C1, R1 – имена компонентов на схеме.
· V – команда построения графика напряжения на компоненте.
· I – команда построения графика тока, проходящего через компонент.
17. Запустите процесс моделирования нажатием кнопки Run. В результате на экране появится четыре графических окна Рис. 8. На них по горизонтальной оси отложено время, изменяющееся от 0 до 0.05 с = 50 мс. Каждый график соответствует одной строке в окне настроек, представленном на рис. 7.
Рис. 8. Графики напряжений и токов в компонентах схемы, представленной на рис. 1.
Из графиков Рис. 8 видно, что после включения напряжения в схеме протекают переходные процессы, заканчивающиеся примерно через 30 мс. Далее напряжения и токи в компонентах схемы изменяются по синусоиде.
18. Для измерения на экране осциллографа амплитуд сигналов на панели инструментов окна анализа переходных процессов Рис. 9 утопите кнопку , подведите указатель мышки к максимуму графика напряжения (или тока) так как показано на Рис. 10 и не отпуская левую кнопку мышки отведите указатель до ближайшего минимума его значения, опуская его по вертикали вниз до пересечения с минимумом, а затем отпустите кнопку мышки. Графическое окно должно принять вид, показанный на Рис. 10.
Рис. 9
Рис. 10.
По результатам измерений определяются значения амплитуд сигналов путем деления полученных результатов пополам.
Амплитуда напряжения на L1 = 8.222/2=4.11 В, целая часть амплитуды [4.11] В = 4 В.
Амплитуда напряжения на C1 = 207.934/2=103,967 В, [103,967] В = 103 В.
Амплитуда тока в R1 = 65. 33/2 =32.79 мА, [32.79] мА = 32 мА
19. Для измерения на экране осциллографа разности фаз между синусоидами напряжения источника питания и током в цепи отобразим оба этих графика в одном окне. С этой целью на панели инструментов окна анализа переходных процессов Рис. 9 утопите кнопку .
В появившемся диалоговом окне настройки режима анализа переходных процессов Transient Analysis Рис. 7 удалите вторую и третью строки, установив курсор в соответствующую строчку и нажав на кнопку Delete, и введите значение – 1 в поле Р для графика тока, в результате окно должно принять вид, показанный на Рис. 11, а оба графика должны появиться в одном окне.
Рис. 11.
Запустите процесс моделирования нажатием кнопки Run.
20. Полученные результаты изменения тока в цепи необходимо отмасштабировать по оси ординат, для этого дважды щелкните мышкой в поле окна анализа переходных процессов . В появившемся окне свойств перейдите на вкладку Scales and Formats и удалите галочку напротив . В результате окно свойств должно принять вид Рис. 12. Щелкните по кнопке ОК, а затем на панели инструментов диалогого окна анализа переходных процессов Рис. 9 утопите кнопку , в появившемся окне в поле Y Range второй строки введите Auto и нажмите на кнопку Run.
Рис. 12.
Масштаб отображения тока в графическом окне должен измениться, теперь можно нанести на графики значение разности фаз между синусоидами тока и напряжения, измеренное в единицах времени.
21. На панели инструментов окна анализа переходных процессов Рис. 9 утопите кнопку , подведите указатель мышки к максимуму графика напряжения, так как показано на Рис. 13 и, не отпуская левую кнопку мышки, отведите указатель до ближайшего максимума значения тока, опуская его по вертикали вниз до пересечения с максимумом, а затем отпустите кнопку мышки. Графическое окно должно принять вид, показанный на Рис. 13. Нажмите на клавишу Esc.
Рис. 13 Графики напряжения в источнике Е1 и тока в резисторе
Разность фаз в град определяется по формуле
,
где = 15 мс = 0,015 с (по результатам измерений); =20 мс = 0,02 с.
Подставляя значения, находим = 270 град или = - 90 град.
Моделирование цепей однофазного синусоидального тока
Общие теоретические сведения
Основными параметрами синусоидального сигнала являются:
1. Мгновенное значение синусоидального сигнала
,
где t – текущее время; - амплитуда; - угловая частота; - начальная фаза.
2. Действующие значения синусоидального тока и напряжения
;
,
где и - амплитуды тока и напряжения.
При сложении двух взаимно перпендикулярных синусоидальных сигналов напряжения х==cos(ωt) по оси Х и тока y= по оси Y, имеющих одинаковую частоту, но сдвинутых по фазе на угол φ, образуется эллипс фигуры Лиссажу: замкнутая траектория, прочерчиваемая точкой, совершающей одновременно два гармонических колебания в двух взаимно перпендикулярных направлениях.
0646.01.03;ЭПТЛ2.02;1
Тема:
Моделирование цепей однофазного синусоидального тока
Используемые программы:
Micro-Cap 9.0
Тестирование
Диалоговое окно настройки режима анализа переходных процессов имеет вид
Укажите число графических окон, отображенных на экране анализа переходных процессов, в которых появятся осциллограммы переменных состояния схемы, при запуске процесса моделирования
- 2
Вариант 1
Задана схема исследования RL – цепи
Параметры источника входных сигналов:
- форма сигналов – синусоидальная;
- амплитуда колебаний AC magnitude – 1 В;
- частота колебаний – 50 Гц.
R1=10 Ом = 10m;
L1= 0.1Гн=100 mH.
Построить АЧХ и ФЧХ схемы. Границы изменения частоты Frequency Range подобрать в процессе эксперимента.
Вариант 2
Задана схема исследования RL – цепи
Параметры источника входных сигналов:
- форма сигналов – синусоидальная;
- амплитуда колебаний AC magnitude – 1 В;
- частота колебаний – 50 Гц.
R1=10 Ом = 10m;
L1= 0.2Гн=200 mH.
Построить АЧХ и ФЧХ схемы. Границы изменения частоты Frequency Range подобрать в процессе эксперимента.
Вариант 5
Задана схема исследования RL – цепи
Параметры источника входных сигналов:
- форма сигналов – синусоидальная;
- амплитуда колебаний AC magnitude – 1 В;
- частота колебаний – 50 Гц.
R1=15 Ом = 15m;
L1= 0.1Гн=100 mH.
Построить АЧХ и ФЧХ схемы. Границы изменения частоты Frequency Range подобрать в процессе эксперимента.
Вариант 4
Задана схема исследования RL – цепи
Параметры источника входных сигналов:
- форма сигналов – синусоидальная;
- амплитуда колебаний AC magnitude – 1 В;
- частота колебаний – 50 Гц.
R1=20 Ом = 20m;
L1= 0.15Гн=150 mH.
Построить АЧХ и ФЧХ схемы. Границы изменения частоты Frequency Range подобрать в процессе эксперимента.
Вариант 3
Задана схема исследования RL – цепи
Параметры источника входных сигналов:
- форма сигналов – синусоидальная;
- амплитуда колебаний AC magnitude – 1 В;
- частота колебаний – 50 Гц.
R1=20 Ом = 20m;
L1= 0.2Гн=200 mH.
Построить АЧХ и ФЧХ схемы. Границы изменения частоты Frequency Range подобрать в процессе эксперимента.
Исследование частотных характеристик RL - и RC – цепей
Рассмотрим схему последовательной электрической RC - цепи с одним реактивным сопротивлением, представленную на рис. 1.
Рис. 1. Схема последовательной электрической сети с конденсатором
Исходные данные:
· Параметры источника входных сигналов:
- форма сигналов – синусоидальная;
- амплитуда колебаний – 1 В;
- частота колебаний – 100 Гц.
· Сопротивление резистора R = 2 Ком;
· Емкость конденсатора C = 2 .
Задача исследования: Получить амплитудно-частотную и фазо-частотную характеристики RC – цепи.
Построение схемы рис. 1
1. Перетащите со второй строки панели программы Micro-Сар изображения универсального источника сигналов, резистора и конденсатора. Соедините элементы согласно рис. 1, создайте ответвление под клемму А. Нажмите на клавишу Esc клавиатуры.
2. Щелкните по кнопке , а затем в рабочем окне. В открывшемся окне ввода текста на вкладке Text введите обозначение клеммы А. Нажмите на клавишу Esc клавиатуры и поместите А на проводник, так как показано на рис.1.
Примечание: Для соединения элементов друг с другом нужно щелкнуть по кнопке (активизировав режим Wire mode), аккуратно подвести курсор к одному из выводов элемента и нажать кнопку мыши. Затем, удерживая нажатой кнопку перемещать мышь, подводя курсор к выводу другого элемента, после чего отпустить кнопку мыши.
Задание параметров элементов схемы
Настройка параметров компонентов схемы проводится в диалоговом окне для задания его параметров путем ввода необходимых параметров. Диалоговое окно открывается двойным щелчком мышки по изображению выбранного компонента.
3. Откройте диалоговое окно для задания параметров источника сигнала. На вкладке выбора типа источника сигнала нажмите кнопку с надписью Sin. Окно настройки примет вид, показанный на рис. 2.
Рис. 2. Окно настройки источника синусоидального сигнала
4. Убедитесь в том, что активирован режим VALUE и последовательно заполните поля:
AC magnitude = 1 – Амплитуда синусоидального напряжения в режиме построения АЧХ;
VA = 100 (В) – амплитуда синусоидального напряжения Аm;
AC Phase = 0 – начальная фаза синусоидального сигнала φ;
F0 = 100 (Гц) – частота синусоидального сигнала.
В результате окно настройки источника синусоидального сигнала должно принять вид, показанный на Рис.3. Настройку завершите нажатием кнопки ОК.
Примечание: Параметр AC magnitude задает напряжение источника (1В), применяемое только при построении АЧХ и ФЧХ. Малая величина этого напряжения позволяет достаточно точно строить характеристики схем с нелинейными компонентами.
5. Откройте диалоговое окно для задания параметров конденсатора С1:
Рис. 3. Окно настройки конденсатора
6. Убедитесь в том, что активирован режим CAPACITANCE в верхнем окошке окна. В окне Value установите значение емкости конденсатора согласно схеме Рис. 1 равным 2uF (1). Нажмите на кнопку ОК.
7. Откройте диалоговое окно для задания параметров резистора. В окне Value установите значение сопротивления резистора согласно схеме Рис. 1 равным 2k (2 Ком). Нажмите на кнопку ОК.
Получение амплитудно и фазо – частотной характеристик
8. В строке меню окна программы выберите Analysis, а в раскрывающемся списке AC … В появившемся диалоговом окне AC Analysis Limits проводится настройка режима построения частотных характеристик.
Перед построением необходимо настроить графические окна для вывода результатов. Всего предполагается отобразить два окна: для зависимости выходного напряжения и для сдвига фаз между входным и выходным напряжением в зависимости от частоты сигнала.
9. Щелчком мышки установите галочку напротив Auto Scale Ranges. Напротив Frequency Range введите через запятую значения верхней и нижних границ частоты – 10000,1 Гц согласно рис. 4. В процессе построения АЧХ и ФЧХ программа будет проводить изменение частоты сигнала генератора Е1 в пределах от частоты 10 кГц до 1 Гц.
Рис. 4. Настройка параметров при построении АЧХ и ФЧХ
10. Введите через запятую значения в полях: Р, X Expression, Y Expression, Range согласно рис. 5.
Рис. 5. Окно настройки параметров при построении АЧХ и ФЧХ
В столбце Р задано, чтобы график АЧХ был построен в окне 1, а график ФЧХ – в окне 2. По оси Х графиков (X Expression) будет отложена частота F. По оси Y графиков (Y Expression) будет отложено: для АЧХ – напряжение в точке А схемы - v(A), для ФЧХ – фаза напряжения в этой точке ph(v(A).
11. В окне настройки AC Analysis Limits крайний левый столбец кнопок определяет масштаб вывода результатов по оси абсцисс, а справа от него - по оси ординат. По умолчанию в окне настройки AC Analysis Limits рис. 5 установлен логарифмический масштаб вывода частотного диапазона (на рис.5 кнопки имеют вид )и линейный масштаб переменных по оси ординат (на рис.5 кнопки имеют вид ).
Традиционно по оси Y графика АЧХ откладывается напряжение v(A), измеренное в децибелах
y = 20 log10 v(A)),
а по оси Х откладывается частота в логарифмическом масштабе. На графике ФЧХ по оси Y откладываются значения в линейном масштабе, а по оси Х в логарифмическом. По этим графикам удобно определять характеристики RC-цепи.
12. В поле первой строки Y Expression вместо v(A) введите db(v(A)) и запустите процесс моделирования нажатием кнопки Run. В результате на экране должны появиться два графических окна Рис. 6. На них по горизонтальной оси отложена частота в логарифмическом масштабе, изменяющаяся в диапазоне от 1 до 10 кГц. Каждый график соответствует одной строке в окне настроек, представленном на рис. 5.
Рис. 7. АЧХ и ФЧХ RC – цепи в логарифмическом масштабе по осям Х, логарифмическом масштабе по оси Y на графике АЧХ и линейном масштабе по оси Y на графике ФЧХ. По оси Y графика АЧХ отложено напряжение в db.
13. Определите значение граничной частоты fгр (на ней сдвиг фаз равен -45 град). Для этого щелкните мышкой в пределах окна графика ph(v(А)), а затем на панели инструментов утопите кнопку , в результате в окне ФЧХ появятся две визирные линии с индикаторными окошками, окрашенными в желтый цвет. Установите визирную линию на графике ФЧХ в точку, в которой сдвиг фаз равен - 45о (вторая цифра в индикаторном окошке должна принять значение максимально близкое к -45) (см. рис. 8).
Рис. 8. Определение граничной частоты
Теперь можно снять показания граничной частоты. В нашем примере экспериментальное значение граничной частоты fгр = 39.9 Гц или после округления до целого числа fгр = 40 Гц.
Вычислите теоретическое и экспериментальное значения постоянной времени цепи Т:
- Расчетное, теоретическое значение T = RC=2 103 [Ом] * 2 10-6 [Ф]= 0.004 с = 4 мс.
- Экспериментальное значение T = 1/(2π fгр) = 0.00399 с или после округления до целого числа T =0.004 с.
14. Определите на графике АЧХ значение коэффициента передачи RC-цепи на частоте f = 100 Гц. Для этого щелкните мышкой в пределах окна графика db(v(A)), а на панели инструментов утопите кнопку и затем кнопку , в появившемся окне Go To X на вкладке Value введите 100 и нажмите на кнопку Right, закройте окно Go To X. Снимите показания коэффициента передачи, в нашем примере К(100) = -8.6 дБ » 0.37. Аналогично определите на графике АЧХ значение коэффициента передачи RC-цепи на граничной частоте fгр = 39.9 Гц.
0646.01.03;ЭПТЛ2.03;1
Тема:
Исследование частотных характеристик RL - и RC – цепей
Используемые программы:
Micro-Cap 9.0
Исследование частотных характеристик RL - и RC – цепей
Частотные характеристики RL - и RC – цепей
Пассивные RC- и RL-цепи применяют в фазосдвигающих устройствах и фильтрующих звеньях. Сопротивления индуктивности XL = wL и конденсатора XС = 1/wC зависят от частоты w = 2pf входного сигнала UВХ, поэтому амплитуда и фаза тока I, протекающего по элементам цепи, или напряжения UВЫХ на выходе цепи также изменяются в зависимости от частоты.
Важное значение при описание цепей переменного тока имеют частотные характеристики.
Комплексной частотной характеристикой (КЧХ) называется зависимость от частоты отношения комплексной амплитуды сигнала (тока или напряжения) на выходе линейной цепи к комплексной амплитуде сигнала на входе:
где ==sin(ωt) – гармонический сигнал (например, входной сигнал UВХ) c амплитудой ; - ток или напряжение UВЫХ.
Модуль комплексной частотной характеристики называется амплитудно-частотной характеристикой (АЧХ) и обозначается:
K(w)=.
Аргумент комплексной частотной характеристики называется фазочастотной характеристикой (ФЧХ) и обозначается:
F(w)=arg
Свойства цепи с одним реактивным C или L элементом зависят от коэффициента преобразования K и постоянных времени T = RC или T = L/R, с учетом которых модуль амплитудно-частотной характеристики K(w) и фазочастотная характеристика F(w) описываются выражениями:
· Инерционное звено
K(w) = ; Ф(w) = –arctg(wT) .
· Форсирующее звено
K(w) = ; Ф(w) = p/2 – arctg(wT) .
На граничной частоте wГР = 1/T или fГР=1/2pТ модуль АЧХ уменьшается в раз по сравнению с его максимальным значением, а угол фазового сдвига между входным и выходным сигналами составляет 45° для форсирующего звена и минус 45° для инерционного звена.
Т.о. значение постоянной времени цепи Т [с] можно определить:
- теоретически, вычислив значение по формуле T = RC или T = L/R;
- экспериментально путем построения графика ФЧХ, определения на нем значения частоты fгр, на которой сдвиг фаз по модулю равен 45 град, и вычисления по формуле T= 1/(2π fгр).
При построении логарифмических частотных характеристик обычно используют логарифмические координаты. По оси ординат откладывают усиление, измеряемое в децибелах (дБ). На графиках модуль АЧХ K(w) выражают в децибелах W(w)=20lgK(w). В этом случае изменению отношения двух величин в 10 раз соответствует изменение усиления на 20 дБ. Значение W(w) для инерционного и форсирующего звеньев на граничной частоте становится на 3дБ ниже максимального.
Последовательное или параллельное подключение резисторов к реактивному элементу изменяют: коэффициент преобразования K ; эквивалентное сопротивление (R = R1 + R2, R = R1||R2); постоянную времени Т и граничную частоту wГР. Однако форма графиков АЧХ и ФЧХ при этом не изменяется.
Тестирование
В последовательной RC –цепи
Напряжение на конденсаторе отстает от входного напряжения в предельном случае на 90 град
Вариант 1
Задана схема последовательного колебательного контура
Параметры источника входных сигналов:
· Параметры генератора переменного напряжения:
- действующее (эффективное) значение напряжения – 1 В;
R=100 Ом =100;
L= 2 Гн =2H;
С=2 =2uF
Построить амплитудно-частотную и фазо-частотную характеристики RLC – цепи. Границы изменения частоты Frequency Range окна настройки AC Analysis Limits подобрать в процессе эксперимента, параметр Maximum Change выбрать равным 0.1.
Вариант 5
Задана схема последовательного колебательного контура
Параметры источника входных сигналов:
· Параметры генератора переменного напряжения:
- действующее (эффективное) значение напряжения – 1 В;
R=40 Ом =40;
L= 4 Гн =4H;
С=2 =2uF
Построить амплитудно-частотную и фазо-частотную характеристики RLC – цепи. Границы изменения частоты Frequency Range окна настройки AC Analysis Limits подобрать в процессе эксперимента, параметр Maximum Change выбрать равным 0.1.
Вариант 2
Задана схема последовательного колебательного контура
Параметры источника входных сигналов:
· Параметры генератора переменного напряжения:
- действующее (эффективное) значение напряжения – 1 В;
R=50 Ом =50;
L= 1 Гн =1H;
С=1 =1uF
Построить амплитудно-частотную и фазо-частотную характеристики RLC – цепи. Границы изменения частоты Frequency Range окна настройки AC Analysis Limits подобрать в процессе эксперимента, параметр Maximum Change выбрать равным 0.1.
Вариант 4
Задана схема последовательного колебательного контура
Параметры источника входных сигналов:
· Параметры генератора переменного напряжения:
- действующее (эффективное) значение напряжения – 1 В;
R=60 Ом =60;
L= 4 Гн =4H;
С=3 =3uF
Построить амплитудно-частотную и фазо-частотную характеристики RLC – цепи. Границы изменения частоты Frequency Range окна настройки AC Analysis Limits подобрать в процессе эксперимента, параметр Maximum Change выбрать равным 0.1.
Вариант 3
Задана схема последовательного колебательного контура
Параметры источника входных сигналов:
· Параметры генератора переменного напряжения:
- действующее (эффективное) значение напряжения – 1 В;
R=70 Ом =70;
L= 4 Гн =4H;
С=2 =2uF
Построить амплитудно-частотную и фазо-частотную характеристики RLC – цепи. Границы изменения частоты Frequency Range окна настройки AC Analysis Limits подобрать в процессе эксперимента, параметр Maximum Change выбрать равным 0.1.
Исследование частотных характеристик последовательного колебательного контура
Задана схема последовательной RLC – цепи (рис. 1).
Рис. 1. Схема последовательного колебательного контура
Исходные данные:
· Параметры генератора переменного напряжения:
- действующее (эффективное) значение напряжения – 1 В;
- частота колебаний – 100 Гц.
· Сопротивление резистора R = 1 Кoм=1K;
· Емкость конденсатора C = 2 =2uF;
· Индуктивность L= 0.5 Гн = 0.5 H.
Задача исследования:
1. Получить амплитудно-частотную и фазо-частотную характеристики.
2. Получить осциллограмму сигналов в последовательном контуре.
3. Определить экспериментальным путем резонансную частоту fР, получить осциллограмму сигналов в последовательном контуре на частоте резонанса, измерить падение напряжения на элементах цепи, измерить ток в цепи.
Схема исследования цепи, изображенной на рис. 1, имеет вид:
Рис. 2. Схема последовательного колебательного контура
В схеме исследования цепи для моделирования источника синусоидальных сигналов используется генератор переменного напряжения. Получение осциллограмм сигналов производится в режиме Analysis/Transient … , а расчет амплитудно-частотной и фазо-частотной характеристик в режиме Analysis/AC … .
Построение схемы исследования цепи.
1. Запустите при помощи ярлыка на рабочем столе Windows программу Micro-Cap.
2. Щелкните по кнопке
панели библиотек компонентов приборов. Появившееся на экране графическое изображение универсального источника сигналов переместите в рабочее окно и разместите в соответствии со схемой рис.2, не отпуская левую кнопку мышки. После отпускания кнопки мышки появится диалоговое окно для задания параметров батареи. Нажмите на кнопку ОК. Щелкая по кнопке
добейтесь расположения знаков на источнике синусоидального сигнала согласно рис. 2.
3. Щелкните по кнопке
панели библиотек компонентов приборов. Появившееся на экране изображение компонента переместите в рабочее окно и разместите в соответствии со схемой рис. 2. После отпускания кнопки мышки появится диалоговое окно для задания параметров резистора. Нажмите на кнопку ОК.
4. Щелкните по кнопке
панели библиотек компонентов приборов. Появившееся на экране изображение катушки индуктивности переместите в рабочее окно и разместите в соответствии со схемой рис. 2. Нажмите на кнопку ОК.
5. Щелкните по кнопке
панели библиотек компонентов приборов. Появившееся на экране изображение конденсатора переместите в рабочее окно и разместите в соответствии со схемой рис. 2. Нажмите на кнопку ОК.
6. Щелкните по кнопке
панели библиотек компонентов приборов. Появившееся на экране изображение компонента переместите в рабочее окно и разместите в соответствии со схемой рис. 2. Нажмите на клавишу Esc клавиатуры.
7. Расположите методом буксировки пиктограммы элементов так, как показано на рис.2 и соедините элементы согласно рис. 2. Нажмите на клавишу Esc клавиатуры.
Примечание: Для соединения элементов друг с другом нужно щелкнуть по кнопке (активизировав режим Wire mode), аккуратно подвести курсор к одному из выводов элемента и нажать кнопку мыши. Затем, удерживая нажатой кнопку перемещать мышь, подводя курсор к выводу другого элемента, после чего отпустить кнопку мыши.
Задание параметров элементов схемы
8. Установите курсор на пиктограмме источника сигналов и двойным щелчком кнопки мыши откройте диалоговое окно для задания его параметров рис.3.
Рис. 3. Окно настройки источника сигнала
9. На вкладке выбора типа источника сигнала нажмите кнопку с надписью Sin. Убедитесь в том, что активирован режим VALUE и последовательно заполните поля:
VA = 1 (В) – амплитуда синусоидального напряжения Аm;
AC Phase = 0 – начальная фаза синусоидального сигнала φ;
F0 = 100 (Гц) – частота синусоидального сигнала.
10. Напротив Show установите галочку. В результате окно настройки источника синусоидального сигнала должно принять вид, показанный на Рис.4.
Рис. 4. Окно настройки источника синусоидального сигнала
Настройку завершите нажатием кнопки ОК.
11. Установите курсор на пиктограмме индуктивности и двойным щелчком кнопки мыши откройте диалоговое окно для задания его параметров Рис.5.
Рис. 5. Окно настройки индуктивности
12. В диалоговом окне Рис. 4 выделите строчку INDUCTANCE, а в поле Value введите величину индуктивности 0.5H, так как показано на Рис.6.
Рис.6. Окно настройки параметров индуктивности
Нажмите на кнопку ОК.
13. Установите курсор на конденсаторе и двойным щелчком кнопки мыши откройте диалоговое окно для задания его параметров. В окне Value установите значение емкости конденсатора согласно схеме Рис. 1 равным 2uF (2). Нажмите на кнопку ОК.
14. Установите курсор на резисторе и двойным щелчком кнопки мыши откройте диалоговое окно для задания его параметров. В окне Value установите значение сопротивления резистора согласно схеме Рис. 1 равным 1K (1 кОм). Нажмите на кнопку ОК.
Получение амплитудно и фазо – частотной характеристик
15. В строке меню окна программы выберите Analysis, а в раскрывающемся списке AC … . В появившемся диалоговом окне AC Analysis Limits проводится настройка режима анализа.
Перед началом анализа необходимо настроить графические окна для вывода результатов анализа. Всего предполагается отобразить четыре окна: для зависимостей напряжений на элементах схемы рис.2 и для сдвига фаз между входным и выходным напряжениями в зависимости от частоты сигнала.
16. Щелчком мышки установите галочку напротив Auto Scale Ranges. Нажатием на кнопку Add добавьте строчку в окне Рис. 7, так как необходимо отобразить четыре осциллограммы (лишние строки удаляются кнопкой Delete). Напротив Frequency Range введите через запятую значения верхней и нижних границ частоты – 510,10 Гц (этот диапазон частот уточняется по результатам эксперимента по виду графику), а также значения в полях: Р, X Expression, Y Expression, Range согласно рис. 7.
Рис. 7. Окно настройки AC Analysis Limits
17. В окне настройки AC Analysis Limits крайний левый столбец кнопок определяет масштаб вывода результатов по оси абсцисс. По умолчанию на рис. 7 установлен логарифмический масштаб вывода частотного диапазона. Последовательно щелчком мышки по этим кнопкам настройте линейный масштаб вывода частот, при этом каждая из этих кнопок столбца должна принять следующий вид - .
18. Запустите процесс моделирования нажатием кнопки Run. В результате на экране появится четыре графических окна Рис. 8. На них по горизонтальной оси отложена частота в линейном масштабе, изменяющаяся в диапазоне от 10 до 510 Гц. Каждый график соответствует одной строке в окне настроек, представленном на рис. 7.
Рис. 8. Графики напряжений на компонентах колебательного контура
Напряжение на резисторе R1 (v(R1)) пропорционально току в цепи последовательного колебательного контура и при резонансе достигает максимального значения, а фаза напряжения на резисторе ph(v(R1)) при резонансе равна 0. Напряжения на индуктивности L1 и конденсаторе С1 зависят от частоты.
Примечание: Если графики напряжений имеют ломаный вид, уменьшите параметр Maximum Change в диалоговом окне AC Analysis Limits (по умолчанию установлено 5%).
Определение экспериментальным путем резонансной частоты fр
19. Определите значение резонансной частоты fР (сдвиг фаз равен нулю). Для этого щелкните мышкой в пределах окна графика ph(v(R1)), а затем на панели инструментов утопите кнопку в появившемся диалоговом окне GoToY на вкладке Value введите значение 0 и нажмите на кнопку Left, в результате в информационном окошке, появившемся у точки пересечения графика с осью ординат появится значение резонансной частоты (fP = 159,664 Гц). Это экспериментальное значение резонансной частоты, полученное по результатам имитационного моделирования в программе Micro-Cap, теоретическое значение резонансной частоты fP = 159 Гц. Закройте диалоговое окно GoToY.
20. Убедитесь, что фаза напряжения на резисторе R1 на резонансной частоте равна нулю, другими словами, совпадает по фазе с напряжением источника синусоидального напряжения V1, а амплитуда напряжения на резисторе v(R1) = 1 В, т.е. совпадает с напряжением на источнике сигналов.
Обратите внимание, что с ростом частоты амплитуда на емкости уменьшается, а амплитуда напряжения на индуктивности растет.
Определение добротности колебательного контура
Добротность Q контура экспериментальным путем определяется по формуле (1) на резонансной частоте. Входное напряжение UВХ равно напряжению источника V1. Это напряжение установлено в окне параметров источника и равно VA = 1 В. Необходимо измерить напряжение на емкости или индуктивности на резонансной частоте.
21. Щелкните стрелкой мышки в окне графика v(С1), а на панели инструментов утопите кнопку GoToX на вкладке Value введите значение резонансной частоты 159.664 и нажмите на кнопку Left, в результате в информационном окошке с текущим значением частоты на желтом фоне, появится значение напряжения, как показано на рис.9.
Рис. 9.
Теперь можно снять показания UC » 0.5 В. Вычисляя добротность по формуле (1), получим Q »0.5. Теоретическое значение добротности QТ = 0.5. Закройте окна GoToX и AC Analysis.
Получение осциллограммы сигналов в последовательном контуре
22. Щелкните стрелкой мышки в окне графика ph(v(R1)), а на панели инструментов утопите кнопку GoToX на вкладке Value введите значение частоты 500 и нажмите на кнопку Left, в результате в информационном окошке с текущим значением частоты на желтом фоне, появится значение сдвига фаз между напряжением на резисторе и входным напряжением –54,501 град.
Сдвиг фаз можно определить и построив осциллограммы входного и выходного сигналов. Для получения осциллограммы входного и выходного сигналов необходимо запустить процесс моделирования в режиме анализа переходных процессов (Analysis/Transient … ). Выберем частоту F0 = 500 Гц и установим ее в окне настройки источника синусоидального сигнала (рис. 3) на схеме.
23. Закройте окно AC Analysis, а на схеме рис. 2 в окне настройки источника синусоидального сигнала рис. 3 в окошке F0 введите значение частоты равное 500.
24. В строке меню окна программы выберите Analysis, а в раскрывающемся списке Transient… . В появившемся диалоговом окне проводится настройка режима анализа переходных процессов.
25. Перед началом анализа необходимо установить время моделирования (Time Range). В поле Time Range введите время 0.005 (сек) и щелчком мышки установите галочки напротив Operating Point, Auto Scale Ranges.
26. Установив курсор в любую ячейку нижней строчки окна настройки Transient Analysis Limits, щелчком мышки по кнопке Delete удалите ее, так как необходимо отобразить две осциллограммы и введите значения в полях: Р, XExpression, Y Expression, X Range согласно рис. 10.
Рис. 10. Диалоговое окно настройки Transient Analysis Limits
27. Запустите процесс моделирования, нажав кнопку Run.
Примечание: При построении осциллограмм время моделирования Time Range выбирается так, чтобы переходный процесс успел закончиться и установился процесс колебаний с постоянной амплитудой.
Рис.10. Осциллограммы входного напряжения v(V1) и выходного напряжения v(R1)
Примечание: Если графики напряжений недостаточно гладки, установите параметр Maximum Time Step (например, 0.00001) в диалоговом окне Transient Analysis Limits (по умолчанию установлено 0, что означает автоматический выбор шага).
28. На панели инструментов окна анализа переходных процессов утопите кнопку , подведите указатель мышки к максимуму графика напряжения так как показано на Рис. 11 и не отпуская левую кнопку мышки отведите указатель до ближайшего максимума значения тока, опуская его по вертикали вниз до пересечения с максимумом, а затем отпустите кнопку мышки. Снимите показания периода колебаний (Т = 2 мс = 0.002 с) Аналогично проведите измерение сдвига фаз напряжений по времени (t = 300 мкс = 0.3мс). Нажмите на клавишу Esc.
Рис.11. Измерение характеристик осциллограмм входного и выходного напряжений
29. Определите разность фаз в град по формуле
,
где =0.002 с.
=360´0.0003´500= 54 град
30. Измерьте амплитуду напряжения с этой целью дважды щелкните на v(R1)(V) в левом нижнем углу экрана рис.11, в появившемся диалоговом окне нажмите на кнопку ОК. На панели инструментов окна анализа переходных процессов утопите кнопку , щелкните мышкой на графике напряжений v(R1), появившийся визир переместите при помощи мышки в крайнюю правую точку максимума сигнала, снимая в индикаторном окошке визира показания напряжения на резисторе R1 - 0.552 В.
Исследование последовательных резонансных цепей
Резонансом называют явление, при котором индуктивное и емкостное сопротивления в пассивной RLC - цепи по модулю равны.
При последовательном соединении RLC - элементов возникает резонанс напряжений: напряжение на индуктивности UL = UВХwРL/R и на конденсаторе UC = UВХ/wРRC превышают входное UВХ в Q раз, т.е.
Q= UL / UВХ = UC / UВХ (1)
При этом входной ток IВХ = UВХ /R ограничивается только резистором R и совпадает по фазе с входным сигналом. Добротность контура Q = r /R и его коэффициент затухания d = 1/Q зависят от характеристического сопротивления и его сопротивления потерь R.
Резонансная частота контура при малом сопротивлении потерь зависит только от LC-элементов: .
Амплитудно-частотная характеристика (АЧХ) для последовательного резонансного контура определяется формулой:
К(w) =.
0646.01.03;ЭПТЛ2.04;1
Тема:
Исследование последовательных резонансных цепей
Используемые программы:
Micro-Cap 9.0
Тестирование
Для экспериментального определения значения резонансной частоты по результатам имитационного моделирования достаточно построить зависимость
- сдвига фаз между током и входным напряжением в зависимости от частоты
- сдвига фаз между напряжением на резисторе и входным напряжением в зависимости от частоты
Вариант 2
Задана схема параллельного колебательного контура
Параметры источника входных сигналов:
· Параметры генератора переменного напряжения:
- действующее (эффективное) значение напряжения – 1 В;
R1=1 КОм =1K;
L1= 0.5 Гн =0.5H;
С1=0.5 =0.5uF
Построить амплитудно-частотную и фазо-частотную характеристики RLC – цепи. Границы изменения частоты Frequency Range окна настройки AC Analysis Limits подобрать в процессе эксперимента, параметр Maximum Change выбрать равным 0.1.
Вариант 1
Задана схема параллельного колебательного контура
Параметры источника входных сигналов:
· Параметры генератора переменного напряжения:
- действующее (эффективное) значение напряжения – 1 В;
R1=1 КОм =1K;
L1= 1 Гн =1H;
С1=1 =1uF
Построить амплитудно-частотную и фазо-частотную характеристики RLC – цепи. Границы изменения частоты Frequency Range окна настройки AC Analysis Limits подобрать в процессе эксперимента, параметр Maximum Change выбрать равным 0.1.
Вариант 4
Задана схема параллельного колебательного контура
Параметры источника входных сигналов:
· Параметры генератора переменного напряжения:
- действующее (эффективное) значение напряжения – 1 В;
R1=10 КОм =10K;
L1= 2 Гн =2H;
С1=2 =2uF
Построить амплитудно-частотную и фазо-частотную характеристики RLC – цепи. Границы изменения частоты Frequency Range окна настройки AC Analysis Limits подобрать в процессе эксперимента, параметр Maximum Change выбрать равным 0.1.
Вариант 5
Задана схема параллельного колебательного контура
Параметры источника входных сигналов:
· Параметры генератора переменного напряжения:
- действующее (эффективное) значение напряжения – 1 В;
R1=14 КОм =2K;
L1= 3 Гн =3H;
С1=1 =1uF
Построить амплитудно-частотную и фазо-частотную характеристики RLC – цепи. Границы изменения частоты Frequency Range окна настройки AC Analysis Limits подобрать в процессе эксперимента, параметр Maximum Change выбрать равным 0.1.
Вариант 3
Задана схема параллельного колебательного контура
Параметры источника входных сигналов:
· Параметры генератора переменного напряжения:
- действующее (эффективное) значение напряжения – 1 В;
R1=5 КОм =5K;
L1= 2 Гн =2H;
С1=4 =4uF
Построить амплитудно-частотную и фазо-частотную характеристики RLC – цепи. Границы изменения частоты Frequency Range окна настройки AC Analysis Limits подобрать в процессе эксперимента, параметр Maximum Change выбрать равным 0.1.
Исследование частотных характеристик параллельного колебательного контура
Задана схема параллельной RLC – цепи (рис. 1).
Рис. 1. Схема параллельного колебательного контура
Исходные данные:
· Параметры генератора переменного напряжения:
- действующее (эффективное) значение напряжения – 10 В;
- частота колебаний – 100 Гц.
· Сопротивление резистора R = 10 КOм =10K;
· Емкость конденсатора C = 1 =1uF;
· Индуктивность L= 1 Гн =1H.
Задача исследования:
1. Получить осциллограмму сигналов в параллельном контуре.
2. Получить амплитудно-частотную и фазо-частотную характеристики.
3. Определить экспериментальным путем резонансную частоту fР, измерить токи в цепи и через элементы цепи, получить осциллограмму сигналов в параллельном контуре на частоте резонанса.
4. Получить осциллограмму сигналов в параллельном контуре при f<fР и f>fР .
Схема исследования цепи, изображенной на рис. 1, имеет вид
Рис. 2. Схема параллельного колебательного контура
В схеме исследования цепи для моделирования источника синусоидальных сигналов используется универсальный генератор. В схему дополнительно включен ограничительный резистор R2, предотвращающий режим короткого замыкания в цепи. Получение осциллограмм сигналов производится в режиме Analysis/Transient … , а расчет амплитудно-частотной и фазо-частотной характеристик в режиме Analysis/AC … .
Построение схемы исследования цепи
1. Запустите при помощи ярлыка на рабочем столе Windows программу Micro-Cap.
2. Щелкните по кнопке
панели библиотек компонентов приборов. Появившееся на экране графическое изображение универсального источника сигналов переместите в рабочее окно и разместите в соответствии со схемой рис.2, не отпуская левую кнопку мышки. После отпускания кнопки мышки появится диалоговое окно для задания параметров батареи. Нажмите на кнопку ОК.
3. Щелкните по кнопке
панели библиотек компонентов приборов. Появившееся на экране изображение компонента переместите в рабочее окно. После отпускания кнопки мышки появится диалоговое окно для задания параметров резистора. Нажмите на кнопку ОК. Аналогично переместите в рабочее окно второй резистор.
4. Щелкните по кнопке
панели библиотек компонентов приборов. Появившееся на экране изображение катушки индуктивности переместите в рабочее окно. Нажмите на кнопку ОК.
5. Щелкните по кнопке
панели библиотек компонентов приборов. Появившееся на экране изображение конденсатора переместите в рабочее окно. Нажмите на кнопку ОК. Нажмите на клавишу Esc.
6. Последовательно выделяя пиктограммы источника сигналов, индуктивности, конденсатора, резистора R1 и щелкая по кнопке
разверните компоненты согласно рис. 2.
7. Щелкните по кнопке
панели библиотек компонентов приборов. Появившееся на экране изображение компонента переместите в рабочее окно и разместите в соответствии со схемой рис. 2. Нажмите на клавишу Esc клавиатуры.
8. Расположите методом буксировки пиктограммы элементов так, как показано на рис.2 и соедините элементы согласно рис. 2. Нажмите на клавишу Esc клавиатуры.
Примечание: Для соединения элементов друг с другом нужно щелкнуть по кнопке (активизировав режим Wire mode), аккуратно подвести курсор к одному из выводов элемента и нажать кнопку мыши. Затем, удерживая нажатой кнопку перемещать мышь, подводя курсор к выводу другого элемента, после чего отпустить кнопку мыши.
Задание параметров элементов схемы
9. Установите курсор на пиктограмме источника сигналов и двойным щелчком кнопки мыши откройте диалоговое окно для задания его параметров. На вкладке выбора типа источника сигнала нажмите кнопку с надписью Sin. Убедитесь в том, что активирован режим VALUE и последовательно заполните поля так как показано на рис.3:
AC magnitude= 1 (В) - амплитуду сигнала;
VA = 1 (В) – амплитуда синусоидального напряжения Аm;
AC Phase = 0 – начальная фаза синусоидального сигнала φ;
F0 = 100 (Гц) – частота синусоидального сигнала.
Рис. 3. Окно настройки источника синусоидального сигнала
Настройку завершите нажатием кнопки ОК.
10. Установите курсор на резисторе R1 и двойным щелчком кнопки мыши откройте диалоговое окно для задания его параметров. В окне Value установите значение сопротивление резистора согласно схеме Рис. 2 равным 10 K (10 кОм). Нажмите на кнопку ОК. Аналогично установите значение сопротивление резистора R2 равным 10 (10 Ом).
11. Установите курсор на конденсаторе и двойным щелчком кнопки мыши откройте диалоговое окно для задания его параметров. В окне Value установите значение емкости конденсатора согласно схеме Рис. 2 равным 1uF (1). Нажмите на кнопку ОК.
12. Установите курсор на пиктограмме индуктивности и двойным щелчком кнопки мыши откройте диалоговое окно для задания его параметров. В диалоговом окне Рис. 4 выделите строчку INDUCTANCE, а в поле Value введите величину индуктивности 0.5H, так как показано на Рис.6.
Рис. 4. Окно настройки параметров индуктивности
Нажмите на кнопку ОК.
Анализ амплитудно и фазо–частотной характеристик
Исследование параллельного колебательного контура начнем с построения амплитудно и фазо-частотной характеристик средствами САПР Micro-Cap.
13. В строке меню окна программы выберите Analysis, а в раскрывающемся списке AC … . В появившемся диалоговом окне AC Analysis Limits проводится настройка режима анализа.
Перед началом анализа необходимо настроить графические окна для вывода результатов анализа. В параллельном колебательном контуре происходит резонанс токов, поэтому проводим анализ изменения токов в элементах цепи. Фаза напряжения на резисторе R1 зависит от частоты и при резонансе равна 0. Поэтому предполагается отобразить четыре окна: для зависимостей тока в элементах цепи рис.2 и для сдвига фаз между входным напряжением и напряжением на резисторе R1 в зависимости от частоты сигнала.
14. Щелчком мышки установите галочку напротив Auto Scale Ranges. Нажатием на кнопку Add добавьте строчку в окне Рис. 5, так как необходимо отобразить четыре осциллограммы (лишние строки удаляются кнопкой Delete). Напротив Frequency Range введите через запятую значения верхней и нижних границ частоты – 410,10 Гц (этот диапазон частот уточняется по результатам эксперимента по виду графику I(R1), резонансная частота приблизительно должна быть в средней части экрана), а также значения в полях: Р, X Expression, Y Expression, Range согласно рис. 5.
Рис. 5. Окно настройки AC Analysis Limits
15. В окне настройки AC Analysis Limits крайний левый столбец кнопок определяет масштаб вывода результатов по оси абсцисс. По умолчанию в окне настройки AC Analysis Limits рис. 5 установлен логарифмический масштаб вывода частотного диапазона. Последовательно щелчком мышки по этим кнопкам настройте линейный масштаб вывода частот, при этом каждая из этих кнопок столбца должна принять следующий вид - .
16. Запустите процесс моделирования нажатием кнопки Run. В результате на экране должны появиться четыре графических окна Рис. 6. На них по горизонтальной оси отложена частота в линейном масштабе, изменяющаяся в диапазоне от 10 до 410 Гц. Каждый график соответствует одной строке в окне настроек, представленном на рис. 5.
Рис. 6. Графики токов и напряжений на компонентах колебательного контура
Примечание: Если графики напряжений имеют ломаный вид, уменьшите параметр Maximum Change в диалоговом окне AC Analysis Limits (по умолчанию установлено 5%).
17. Определите значение резонансной частоты fР (сдвиг фаз равен нулю). Для этого щелкните мышкой в пределах окна графика ph(v(R1)), а затем на панели инструментов утопите кнопку , в результате в индикаторной рамке, появившейся у точки пересечения графика с осью ординат появится значение резонансной частоты (fP = 234,757 Гц). Это экспериментальное значение резонансной частоты, полученное по результатам имитационного моделирования в программе Micro-Cap.
Обратите внимание, что с повышением частоты амплитуда тока в емкости увеличивается, а амплитуда тока в индуктивности уменьшается.
18. Щелкните стрелкой мышки в окне графика I(С1), а на панели инструментов утопите кнопку GoToX на вкладке Value введите значение резонансной частоты 234,757 и нажмите на кнопку Left, в результате в информационном окошке с текущим значением частоты на желтом фоне, появится значение тока в цепи конденсатора на резонансной частоте – 1.474m. Закройте окно GoToX.
Получение осциллограммы сигналов в параллельном контуре.
Построим осциллограмму на частоте меньшей резонансной - 100 Гц. Для получения осциллограммы сигналов необходимо запустить процесс моделирования в режиме анализа переходных процессов (Analysis/Transient … ).
19. Закройте окно AC Analysis, а на схеме рис. 2 в окне настройки источника синусоидального сигнала рис. 3 в окошке F0 введите значение частоты равное 100.
20. В строке меню окна программы выберите Analysis, а в раскрывающемся списке Transient… . В появившемся диалоговом окне проводится настройка режима анализа переходных процессов.
21. Перед началом анализа необходимо установить время моделирования (Time Range). В поле Time Range введите время - 6 (сек), шаг интегрирования Maximum Time Step – 0.0001, щелчком мышки установите галочки напротив Operating Point, Auto Scale Ranges. Затем введите значения в полях: Р, XExpression, Y Expression, X,Y Range согласно рис. 7 это позволит отобразить три осциллограммы в одном окне.
Рис. 7. Диалоговое окно настройки Transient Analysis Limits
Примечание: При построении осциллограмм время моделирования Time Range выбирается так, чтобы переходный процесс, связанный с накоплением энергии в индуктивности и емкости, успел закончиться и установился процесс колебаний с постоянной амплитудой.
22. Запустите процесс моделирования, нажав кнопку Run. Результаты моделирования приведены на рис.8.
Рис. 8. Переходный процесс в колебательном контуре
23. Из графиков Рис. 8. видно, что переходный процесс заканчивается приблизительно после 0.3 сек. Для определения параметров сигналов нажмите на клавишу F7 и выделите курсором мышки небольшую область по времени в районе графиков, соответствующих установившемуся процессу (правая часть графиков с временным интервалом кратным 3-5 периодам колебаний). На экране появится выделенная область в увеличенном масштабе.
Рис. 9. Осциллограммы токов в компонентах колебательного контура на частоте 100 Гц
Примечание: Возврат к режиму, представленному на рис. 8, проводится нажатием на кнопу Undo .
На рис. 9 в предпоследней строчке перечислены выводимые сигналы, их цвет совпадает с цветом осциллограммы сигналы. Из анализа осциллограмм следует, что амплитуда тока в индуктивности значительно больше амплитуды тока в емкости.
24. На панели инструментов окна анализа переходных процессов утопите кнопку , подведите указатель мышки к максимуму графика напряжения так как показано на Рис.9 и не отпуская левую кнопку мышки отведите указатель до ближайшего максимума значения тока, опуская его по вертикали вниз до пересечения с максимумом, а затем отпустите кнопку мышки. На экране появятся показания периода колебаний (Т = 10 мс = 0.01 с), аналогично проведите измерение временного сдвига фаз тока в цепи и тока через резистор R1 (t = 5 мс = 0.005 с). Нажмите на клавишу Esc.
Рис. 10. Осциллограммы токов в компонентах колебательного контура на частоте 100 Гц
25. Определите разность фаз в град по формуле
,
где =0.01 с.
=360´0.005´100 град=18 град
26. Для измерения амплитуды тока дважды щелкните на I(R2)(A) в левом нижнем углу экрана рис.10, в появившемся диалоговом окне нажмите на кнопку ОК. На панели инструментов окна анализа переходных процессов утопите кнопку , подведите курсор мышки к максимуму графика тока в резисторе R2, щелкните мышкой на графике, разверните появившеюся стрелку при помощи мышки. Нажмите на клавишу Esc.
27. Аналогично измерьте амплитуду тока в резисторе R1, в конденсаторе С1 и в индуктивности L1.
Исследование параллельных резонансных цепей
Общие теоретические сведения
Резонансом называют явление, при котором индуктивное и емкостное сопротивления в пассивной RLC - цепи по модулю равны.
Параллельный колебательный контур содержит две параллельные цепи: активную (резистор R) и реактивную (параллельно соединенные LиC). При параллельном соединении RLC - элементов возникает резонанс токов. Условием резонанса является отсутствие сдвига фаз между током и напряжением на зажимах цепи, т.е. фаза напряжения на резисторе R при резонансе совпадает с фазой напряжения в источнике, что можно использовать при экспериментальном определении резонансной частоты. Резонансная частота контура определяется из выражения
=.
Добротность контура Q
,
определяет кратность превышения тока в реактивной катушке и в конденсаторе над суммарным током при резонансе.
При резонансе сопротивление реактивной ветви стремится к бесконечности, в результате чего ток в активной ветви (резисторе R) достигает максимума.
0646.01.03;ЭПТЛ2.05;1
Тема:
Исследование параллельных резонансных цепей
Используемые программы:
Micro-Cap 9.0
Тестирование
Для экспериментального определения значение резонансной частоты по результатам имитационного моделирования достаточно построить зависимость
- сдвига фаз между током в цепи резистора R1 и входным напряжением в зависимости от частоты
- сдвига фаз между напряжением на резисторе R1 и входным напряжением в зависимости от частоты
Исследование амлитудно-фазовых соотношений между напряжениями и токами соединения «звезда-звезда»
Задана схема симметричной трехфазной цепи типа "Звезда", представленная на рис. 1.
Рис. 1. Схема симметричной трехфазной цепи типа "Звезда"
Исходные данные:
· Параметры фазных ЭДС:
- действующее (эффективное) значение напряжения – 220 В;
- частота колебаний – 50 Гц.
· Нагрузка, состоящая из соединенных последовательно конденсатора и резистора, симметричная (комплексные сопротивления нагрузки каждой фазы одинаковы):
- сопротивление резисторов R = 0.4 Кoм= 400 Ом;
- емкость конденсатора C = 2 ;
Задача исследования:
- Измерить линейные напряжения, фазные токи и ток нейтрали.
- Получить осциллограммы сигналов и измерить по ним фазовые соотношения между фазными ЭДС и между током в нагрузке и напряжением.
Построение схемы исследования цепи
1. Запустите при помощи ярлыка на рабочем столе Windows программу Micro-Cap.
2. Щелкните по кнопке
панели библиотек компонентов приборов. Появившееся на экране графическое изображение универсального источника сигналов переместите в рабочее окно, не отпуская левую кнопку мышки. После отпускания кнопки мышки появится диалоговое окно для задания параметров батареи. Нажмите на кнопку ОК. Указатель мышки примет вид графического изображения универсального источника сигналов щелкните мышкой и в открывшемся диалоговом окне нажмите на кнопку ОК. Аналогично введите и третий источник.
3. Щелкните по кнопке
панели библиотек компонентов приборов. Появившееся на экране изображение конденсатора переместите в рабочее окно. Нажмите на кнопку ОК. Указатель мышки примет вид графического изображения конденсатора щелкните мышкой и в открывшемся диалоговом окне нажмите на кнопку ОК. Аналогично введите и конденсатор.
4. Щелкните по кнопке
панели библиотек компонентов приборов. Появившееся на экране изображение компонента переместите в рабочее окно. После отпускания кнопки мышки появится диалоговое окно для задания параметров резистора. Нажмите на кнопку ОК. Указатель мышки примет вид графического изображения резистора щелкните мышкой и в открывшемся диалоговом окне нажмите на кнопку ОК. Аналогично введите оставшиеся два резистора. Нажмите на клавишу Esc клавиатуры.
5. Последовательно выделяя пиктограммы источника сигналов и щелкая по кнопке
разверните компоненты согласно рис. 3.
6. Щелкните по кнопке
панели библиотек компонентов приборов. Появившееся на экране изображение компонента переместите в рабочее окно и разместите в соответствии со схемой рис. 3. Нажмите на клавишу Esc клавиатуры.
7. Расположите методом буксировки пиктограммы элементов так, как показано на рис.3 и соедините элементы согласно рис. 3. Нажмите на клавишу Esc клавиатуры.
Примечание: Для соединения элементов друг с другом нужно щелкнуть по кнопке (активизировав режим Wire mode), аккуратно подвести курсор к одному из выводов элемента и нажать кнопку мыши. Затем, удерживая нажатой кнопку перемещать мышь, подводя курсор к выводу другого элемента, после чего отпустить кнопку мыши.
8. Щелкните по кнопке , а затем в рабочем окне. В открывшемся окне ввода текста на вкладке Text введите обозначение клеммы А. Нажмите на клавишу Esc клавиатуры и поместите А на проводник, так как показано на рис.3. Аналогично обозначьте клеммы В, С и D.
Задание параметров элементов схемы
9. Установите курсор на пиктограмме источника сигналов V1 и двойным щелчком кнопки мыши откройте диалоговое окно для задания его параметров. На вкладке выбора типа источника сигнала нажмите кнопку с надписью Sin. Убедитесь в том, что активирован режим VALUE и последовательно заполните поля так как показано на рис.4:
AC magnitude= 1 (В) - амплитуду сигнала;
VA = 220 (В) – амплитуда синусоидального напряжения Аm;
AC Phase = 0 (град) – начальная фаза синусоидального сигнала φ;
F0 = 50 (Гц) – частота синусоидального сигнала;
PH= 0 (град) – фаза.
Настройку завершите нажатием кнопки ОК.
10. Установите курсор на пиктограмме источника сигналов V2 и двойным щелчком кнопки мыши откройте диалоговое окно для задания его параметров. На вкладке выбора типа источника сигнала нажмите кнопку с надписью Sin. Убедитесь в том, что активирован режим VALUE и последовательно заполните поля так как показано на рис.4:
AC magnitude= 1 (В) - амплитуду сигнала;
VA = 220 (В) – амплитуда синусоидального напряжения Аm;
AC Phase = 120 (град) – начальная фаза синусоидального сигнала φ;
F0 = 50 (Гц) – частота синусоидального сигнала;
PH= 120 (град) – фаза.
Настройку завершите нажатием кнопки ОК.
11. Установите курсор на пиктограмме источника сигналов V3 и двойным щелчком кнопки мыши откройте диалоговое окно для задания его параметров. На вкладке выбора типа источника сигнала нажмите кнопку с надписью Sin. Убедитесь в том, что активирован режим VALUE и последовательно заполните поля, так как показано на рис.4:
AC magnitude= 1 (В) - амплитуду сигнала;
VA = 220 (В) – амплитуда синусоидального напряжения Аm;
AC Phase = 240 (град) – начальная фаза синусоидального сигнала φ;
F0 = 50 (Гц) – частота синусоидального сигнала;
PH= 240 (град) – фаза.
Настройку завершите нажатием кнопки ОК.
12. Установите курсор на конденсаторе С1 и двойным щелчком кнопки мыши откройте диалоговое окно для задания его параметров. В окне Value установите значение емкости конденсатора согласно схеме Рис. 3 равным 2uF (2). Нажмите на кнопку ОК. Аналогично установите параметры конденсаторов С2, С3.
13. Установите курсор на резисторе R1 и двойным щелчком кнопки мыши откройте диалоговое окно для задания его параметров. В окне Value установите значение сопротивление резистора согласно схеме Рис. 3 равным 400 (400 Ом). Нажмите на кнопку ОК. Аналогично установите значения сопротивлений резистора R2, R3 равными 400 (400 Ом) и R4 равным 10 (10 Ом). Маленькое сопротивление R4 включено в схему для измерения тока в нейтрали.
1.1. Получение осциллограмм напряжений и токов в трехфазной цепи
Построим осциллограммы линейных напряжений и токов в фазах и нейтрали. Для получения осциллограммы сигналов необходимо запустить процесс моделирования в режиме анализа переходных процессов (Analysis/Transient … ).
14. В строке меню окна программы выберите Analysis, а в раскрывающемся списке Transient… . В появившемся диалоговом окне проводится настройка режима анализа переходных процессов.
15. Перед началом анализа необходимо установить время моделирования (Time Range). В поле Time Range введите время – 0.05 (сек), максимальный шаг интегрирования Maximum Time Step – 0.0001, щелчком мышки установите галочки напротив Operating Point, Auto Scale Ranges. Затем введите значения в полях: Р, XExpression, Y Expression, X,Y Range согласно рис. 7 это позволит отобразить три окна с осциллограммами. В первом окне будут отображены осциллограммы линейных напряжений; во втором - напряжения между фазами и нейтралью и в третьем - линейные токи в резисторах.
Рис. 4. Окно настройки Transient Analysis Limits
16. Запустите процесс моделирования, нажав кнопку Run. Результаты моделирования приведены на рис.5.
Рис. 6. Осциллограммы напряжений и токов в симметричной схеме
На рис. 6 в предпоследней строчке каждого окна результатов перечислены названия выводимых сигналов, их цвет совпадает с цветом осциллограмм. Из осциллограмм видно, что ток в нейтрали (ток в резисторе R4) равен 0, так как схема симметрична.
17. На панели инструментов окна анализа переходных процессов утопите кнопку , подведите указатель мышки к максимуму графика напряжения V(A,B), так как показано на Рис. 7 и не отпуская левую кнопку мышки отведите указатель до ближайшего максимума значения напряжения, опуская его по вертикали вниз до пересечения с максимумом, а затем отпустите кнопку мышки.
Рис. 7. Осциллограммы напряжений и токов в симметричной схеме
Снимите показания периода колебаний
Т = 20 мс = 0.02 с.
18. На панели инструментов окна анализа переходных процессов утопите кнопку , подведите курсор мышки последовательно к максимумам графиков амплитуд напряжения V(A,B), V(A,D) и тока I(R1), так как показано на Рис. 7, щелкните мышкой на графике, разверните появившеюся стрелку при помощи мышки. Нажмите на клавишу Esc.
Для контроля точности проведенных измерений в левом нижнем углу верхнего графического окна щелкните на V(А,В)(V) (в результате примет вид V(А,В)(V) ), а затем щелкая по кнопке Peak на панели инструментов проверьте правильность полученных ранее результатов в появившемся индикаторном окошке.
По результатам измерений получены следующие экспериментальные значения амплитуд
V(A,B)=381,05 В;
V(A,D)=219,992 В, соответствует моменту времени Т=24,973 мс;
I(R1)=133,980 мА, соответствует моменту времени Т=20,773 мс.
Экспериментальное значение отношения амплитуды линейного напряжения к фазному с точностью до двух знаков после запятой
V(A,B)/ V(A,D)=1,73.
Теоретическое значение с точностью до двух знаков после запятой
V(A,B)/ V(A,D)== 1,73.
Экспериментальное значение временного сдвига фазы между фазным напряжением и током в нагрузке фазы
t = 24,973 мс - 20,773 мс = 4,2 мс.
Для периода колебаний Т = 20мс сдвиг фаз в угловых единицах составит
,
где =0.02 с.
Экспериментальное значение сдвига фазы в градусах между фазным напряжением и током в нагрузке фазы
= 360´(4,2/20)= 75,6 град.
Сдвиг фаз связан с наличием реактивной нагрузки в схеме.
Теоретическое значение сдвига фазы в градусах между током в нагрузке фазы и фазным напряжением
»-1592.36 Ом;
=400 Ом
=»75,9 град
19. Сохраните результаты в файле под именем Zan___6___01 в папке с вашей Фамилией.
Вариант 3
Задана схема симметричной трехфазной цепи типа "Звезда".
Исходные данные:
· Параметры фазных ЭДС:
- действующее (эффективное) значение напряжения – 220 В;
- частота колебаний – 50 Гц.
Нагрузка, состоящая из соединенных последовательно катушки индуктивности и резистора для двух вариантов нагрузки
Задача исследования:
Получить осциллограммы линейных и фазных напряжений, фазных токов и тока нейтрали при симметричной и не симметричной нагрузке.
Вариант 2
Задана схема симметричной трехфазной цепи типа "Звезда".
Исходные данные:
· Параметры фазных ЭДС:
- действующее (эффективное) значение напряжения – 220 В;
- частота колебаний – 50 Гц.
Нагрузка, состоящая из соединенных последовательно катушки индуктивности и резистора для двух вариантов нагрузки
Задача исследования:
Получить осциллограммы линейных и фазных напряжений, фазных токов и тока нейтрали при симметричной и не симметричной нагрузке.
Вариант 4
Задана схема симметричной трехфазной цепи типа "Звезда".
Исходные данные:
· Параметры фазных ЭДС:
- действующее (эффективное) значение напряжения – 220 В;
- частота колебаний – 50 Гц.
Нагрузка, состоящая из соединенных последовательно катушки индуктивности и резистора для двух вариантов нагрузки
Задача исследования:
Получить осциллограммы линейных и фазных напряжений, фазных токов и тока нейтрали при симметричной и не симметричной нагрузке.
Вариант 5
Задана схема симметричной трехфазной цепи типа "Звезда".
Исходные данные:
· Параметры фазных ЭДС:
- действующее (эффективное) значение напряжения – 220 В;
- частота колебаний – 50 Гц.
Нагрузка, состоящая из соединенных последовательно катушки индуктивности и резистора для двух вариантов нагрузки
Задача исследования:
Получить осциллограммы линейных и фазных напряжений, фазных токов и тока нейтрали при симметричной и не симметричной нагрузке.
Вариант 1
Задана схема симметричной трехфазной цепи типа "Звезда".
Исходные данные:
· Параметры фазных ЭДС:
- действующее (эффективное) значение напряжения – 220 В;
- частота колебаний – 50 Гц.
Нагрузка, состоящая из соединенных последовательно катушки индуктивности и резистора для двух вариантов нагрузки
Задача исследования:
Получить осциллограммы линейных и фазных напряжений, фазных токов и тока нейтрали при симметричной и не симметричной нагрузке.
Исследование трехфазных цепей
Общие теоретические сведения
Существуют различные способы соединения обмоток генератора с нагрузкой. На рис. 1. представлена схема соединения «звезда-звезда».
Рис. 1. Схема трехфазной цепи типа "Звезда"
Соединение обмоток генератора звездой выполняют, объединяя начала всех его обмоток в одну общую точку (точка О на рис.1), называемую нейтральной точкой. Связь между генератором и нагрузкой осуществляется при помощи проводов А,В,С, идущих от концов всех обмоток, а иногда от нейтральной точки генератора. Провода идущие от обмоток называют линейными, а провод, идущий от нейтральной точки, - нейтральным. Фазные ЭДС определяются следующими соотношениями
;
;
.
где t – текущее время; , и - амплитуды фазного напряжения; - угловая частота.
При соединении генератора в звезду линейное напряжение по модулю в раз больше фазового напряжения генератора (Uф).
При симметричной нагрузке равны комплексы сопротивлений , при этом ток нейтрали I0 равен нулю и нулевой провод может быть изъят из схемы без изменения режима ее работы.
Комплексное сопротивление нагрузки, как и всякое комплексное число, может быть представлено в алгебраической форме:
,
где - реактивная и активная составляющие комплексного сопротивления нагрузки соответствующей фазы; - фазный угол.
Сдвиг фаз между током в нагрузке и фазным напряжением определяется из выражения
Для нагрузки, состоящей из последовательно соединенных конденсатора и резистора, реактивная составляющая комплексного сопротивления нагрузки
.
Для нагрузки, состоящей из последовательно соединенных катушки индуктивности и резистора, реактивная составляющая комплексного сопротивления нагрузки
При неравномерной нагрузке фаз () ток I0 не равен нулю.
0646.01.03;ЭПТЛ2.06;1
Тема:
Исследование трехфазных цепей
Используемые программы:
Micro-Cap 9.0
Тестирование
Диалоговое окно настройки режима анализа переходных процессов имеет вид
Укажите число графических окон, отображенных на экране анализа переходных процессов, в которых появятся осциллограммы переменных состояния схемы, при запуске процесса моделирования
- 2