ИЗУЧЕНИЕ ПЕРЕХОДНЫХ ПРОЦЕССОВ В ЛИНЕЙНЫХ ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ ЦЕПЯХ С ПРИМЕНЕНИЕМ ПРОГРАММНОГО ПРОДУКТА Горохов А.Ю.

Нижегородский государственный технический университет им. Р.Е. Алексеева


Номер: 3-2
Год: 2017
Страницы: 75-80
Журнал: Актуальные проблемы гуманитарных и естественных наук

Ключевые слова

компьютерная среда Multisim, моделирование, осциллограмма, computer environment Multisim, modeling, oscillogram

Просмотр статьи

⛔️ (обновите страницу, если статья не отобразилась)

Аннотация к статье

Статья посвящена применению компьютерной программы Multisim 14 для моделирования и анализа переходных процессов в линейных электрических цепях. Даются краткие сведения по работе с этой программой. Приводятся примеры моделирования переходных процессов с использованием осциллографа. Показано, что эта компьютерная программа может использоваться в учебном процессе при изучении темы «Переходные процессы в линейных электрических цепях».

Текст научной статьи

В электрических цепях постоянного и переменного тока режимы работы подразделяются на установившиеся и переходные. Установившимися называются режимы, при которых в цепях постоянного тока токи и напряжения неизменны во времени, а в цепях переменного тока токи и напряжения являются периодическими функциями времени. Переходными процессами (режимами) называются процессы, возникающие в электрических цепях при переходе от одного установившегося режима к другому, отличающемуся от предыдущего. При переходном процессе значения токов и напряжений на отдельных участках цепи могут существенно отличаться от этих значений при установившемся режиме, что в ряде случаев приводит к нарушениям нормальной работы электрических устройств. Исключительную роль играют переходные процессы в системах автоматического управления, в импульсной и измерительной технике. Изучение переходных процессов требует понимания физики происходящих явлений и умения анализировать переходные процессы в электрических цепях. Поэтому задача получения студентами навыков проведения количественного и качественного анализа переходных процессов в электрических цепях очень актуальна. Также важно студентам приобрести навык экспериментального анализа переходных процессов. В данной статье рассматриваются возможности применения компьютерной программы IN MULTISIM компании National Instruments для моделирования и изучения переходных процессов в линейных электрических цепях. Интерфейс программы имитирует виртуальную лабораторию с большим набором различных активных и пассивных элементов электрических цепей и широкий спектр контрольно-измерительных приборов, что приближает ее к реальному лабораторному стенду [1] Перед проведением моделирования в среде Multisim студенты должны знать основные теоретические положения классического метода анализа переходных процессов в линейных цепях [2]. Важным понятием при изучении переходных процессов является понятие независимых начальных условий. В качестве независимых начальных условий берут величины токов в индуктивностях и напряжений на конденсаторах в момент коммутации (магнитная и электрическая энергия, запасенная в цепи до коммутации). Если коммутация происходит мгновенно, то в этом случае выполняются следующие законы: токи в индуктивностях и напряжения на конденсаторах в момент коммутации не изменяются скачками, т.е. они являются непрерывными функциями времени: , . Постановка задач моделирования переходных процессов перед студентами должна включать иллюстрацию основных законов протекания переходных процессов в электрической цепи и элементы научно-исследовательской работы. Процесс моделирования начинается с запуска программы Multisim. На рабочем столе дисплея появляется главное окно программы (рабочее окно). В рабочем окне программы из необходимых элементов собирается или открывается из файла исследуемая модель с измерительными приборами. Элементы цепи и измерительные приборы расположены на различных панелях (рис.1). Например, на панели виртуальных пассивных элементов расположены пассивные элементы электрической цепи (резисторы, индуктивности, конденсаторы, реле и т.д.), а на панели виртуальных источников сигналов источники электрической энергии. При моделировании переходных процессов используются, в основном, эти панели. Все напряжения в виртуальной модели измеряются относительно одной точки модели - «земли». Осциллографы размещены на панели приборов в главном окне программы и предназначены для наблюдения осциллограмм изменяющихся электрических сигналов. Программа содержит двухканальный и четы-рехканальный осциллографы. Двухканальный осциллограф имеет два информационных входа (Канал A и Канал B), отмеченных символом «плюс» на условном обозначении осциллографа. Знаком «минус » отмечены общие входы «земля». Каналы имеют раздельное регулирование чувствительности и смещение по вертикали Y. Режим развертки выбирается кнопками Y/T, Add, B/A и A/B. В режиме Y/T отображается напряжение в зависимости от времени. В режиме Add возможно получить сумму сигналов каналов А и В. Изображение суммарного сигнала воспроизводится с параметрами, установленными для канала А. В режиме A/B по вертикали воспроизводится сигнал канала А, по горизонтали - сигнал канала В. В режиме B/A по вертикали воспроизводится сигнал канала В, по горизонтали - сигнал канала А. Для режима Y/T возможен запуск развертки только при наступлении некоторого события - ждущий режим. В ждущем режиме запуск развертки (Запуск) может производиться по переднему или заднему фронту синхросигнала c возможностью регулировки запуска уровня напряжения синхросигнала (Уровень). Также можно осуществлять запуск развертки в режиме автозапуска (Авто) от канала А или В и от внешнего источника синхросигнала (Внеш ), который нужно подключить к выводу осциллографа Exit Trigger. Для обработки осциллограмм имеются две перемещаемые вертикальные разноцветные линии (визиры). Перемещение визиров осуществляется «перетаскиванием» их за треугольные флажки вверху визиров или кнопками со стрелками «вправо-влево» левее обозначений Т1 и Т2. Для каждого из визиров указываются значения времени и напряжения для каналов А и В. Кроме того, показывается значение разности времен и напряжений для моментов времени, установленных положений визиров. Для управления положением визира можно также использовать команды контекстного меню, которое открывается при совмещении указателя с визиром и щелчке правой кнопки мышки. При подключении осциллографа желательно задавать различные цвета осциллограмм каналов. Это достигается заданием различных цветов соединительных проводов осциллографа со схемой. Кроме того, у каждого входа осциллографа имеются переключатели AC, 0 и DC, позволяющие измерять переменную (АС) или постоянную (DC) составляющие измеряемого сигнала, а также устанавливать нулевой уровень канала. Переходные процессы, возникающие от включения (отключения) источника постоянного напряжения, удобно моделировать подачей на вход цепи прямоугольных импульсов (при этом длительность импульса должна быть много больше постоянной времени цепи). Для этого в работе используется импульсный источник напряжения. В дальнейшем под включением цепи понимается процесс воздействия прямоугольного импульса на электрическую цепь, а под отключением - процесс снятия прямоугольного импульса. На канал А осциллографа подается напряжение, подаваемое на вход цепи. В задании можно указать измерение по осциллограммам постоянной времени переходного процесса цепи, коэффициента затухания, декремента затухания и периода собственных колебаний, независимых начальных условий, моментов времени, в которые индуктивность и емкость запасают максимальную энергию. и т.д. Важно, чтобы в заданиях присутствовали и пункты сравнения расчетных параметров с измеренными параметрами на модели. Рис. 1. Модель и осциллограммы напряжений в RС-цепи при подключении (отключении) к источнику постоянного напряжения Использование программы Multisim для исследования переходных процессов продемонстрируем на конкретных примерах. Эти примеры посвящены характерным цепям исследования переходных процессов с использованием двухканального осциллографа. Пример 1. Электрическая цепь с одним накопителем энергии. Задание: провести анализ переходных процессов в RС- цепи при подключении (отключении) источника постоянного напряжения (рис. 1). Клавиша Q клавиатуры управляет переключателем K, который позволяет выбрать сигнал (напряжение), подаваемый на вход канала B.. Блок v1 выполняет роль датчика тока (напряжение, подаваемое на вход канала В осциллографа, по форме повторяет кривую тока в цепи). Определите по осциллограмме напряжения на емкости (переключатель K должен находиться в положении 1) постоянную времени переходного процесса τ1 при включении RС-цепи на постоянное напряжение, воспользовавшись визирными линиями и таблицей параметров, выводимой внизу экрана осциллографа. Для этого на нарастающем участке кривой напряжения следует отметить ординату, равную 0,63 от установившегося значения напряжения. Этой ординате соответствует абсцисса, равная постоянной времени τ1. Определите по осциллограмме постоянную времени переходного процесса τ2 при отключении цепи. Для этого на спадающем участке кривой напряжения следует отметить ординату 0,37 от установившегося значения. Этой ординате соответствует абсцисса, равная постоянной времени τ2. Установите переключатель K в положение 2 (рис. 2). Определите по осциллограмме тока постоянные времени переходного процесса τ1 и τ2. Рис. 2. Модель и осциллограммы тока и напряжения в RС-цепи при подключении к источнику постоянного напряжения По формуле τ1= рассчитайте теоретическое значение постоянных времени RС-цепи и сравните с аналогичными величинами, полученными при моделировании из осциллограмм переходных напряжения и тока. Аналогичное исследование можно провести и для RL-цепи. Пример 2. Изучение переходного процесса в электрической цепи с двумя накопителями энергии. Задание: провести анализ переходных процессов в RLС- цепи при подключении (отключении) источника постоянного напряжения (рис. 3). Определите по осциллограмме переходного напряжения на емкости период колебаний Т и амплитуды колебаний А1 и А2 (рис. 3). По формуле рассчитайте логарифмический декремент затухания. Рис. 3. Модель и осциллограммы напряжений в RLС-цепи при подключении (отключении) к источнику постоянного напряжения в рабочем окне программы Multisim Установите переключатель K в положение 2 (рис. 4). Определите по осциллограмме переходного тока в цепи (рис. 4) период колебаний Т и амплитуды колебаний А1 и А2, рассчитайте логарифмический декремент затухания. . Теоретически по формулам , , , , рассчитайте период колебаний Т, коэффициент затухания α, логарифмический декремент затухания θ и волновое сопротивление цепи r. Убедитесь в том, что R<2r,что соответствует колебательному режиму. Сравните расчетные значения Т, α и θ с экспериментальными полученными по осциллограммам напряжения и тока . Рис. 4. Модель и осциллограммы напряжения и тока в RLС-цепи при подключении (отключении) к источнику постоянного напряжения в рабочем окне программы Multisim Таким образом, компьютерная программа Multisim обладает большими возможностями моделирования различных режимов переходных процессов в линейных цепях. Использование этой программы в учебном процессе предоставляет преподавателю большие возможности в наглядном разъяснении физических явлений и зависимостей при изучении переходных процессов, происходящих в линейных электрических цепях.

Научные конференции

 

(c) Архив публикаций научного журнала. Полное или частичное копирование материалов сайта возможно только с письменного разрешения администрации, а также с указанием прямой активной ссылки на источник.