Лабораторные, практические и курсовые работы. Расчет электрических цепей на ЭВМ



НазваниеЛабораторные, практические и курсовые работы. Расчет электрических цепей на ЭВМ
страница1/6
Дата08.06.2013
Размер0.84 Mb.
ТипДокументы
источник
  1   2   3   4   5   6

Лабораторные, практические и курсовые
работы. Расчет электрических цепей на ЭВМ


На кафедре электротехники и электроники РХТУ им. Д.И. Менделеева разработано математическое, информационное и программное обеспечение для лабораторных работ, контрольных задач, курсовых работ по электротехнике и электронике (Приложение 1).

Программное обеспечение для контрольных задач позволяет студентам полностью рассчитать и проверить собственные расчеты на ЭВМ. Контрольные задачи содержат 7 типовых задач, каждая из которых включает 30 вариантов заданий. Студентам предоставляется комплекс обучающих программ, где для каждой контрольной задачи приведен пример, в котором поэтапно в динамике на экране монитора показывается алгоритм решения задачи данного типа. В состав обучающего программного обеспечения включены программа «Калькулятор комплексных чисел», с помощью которой можно производить все необходимые арифметические операции с комплексными числами, и программа «Решение линейных алгебраических уравнений для комплексных чисел». Располагая этими программами, студенты освобождаются от сложных рутинных математических расчётов, сосредоточивая свои усилия на анализе и преобразовании электрических цепей. Программа «Справка» содержит сведения об основных понятиях и законах электротехники, способах преобразования электрических величин в комплексные числа и др.

После выполнения всех расчётов студенты вводят промежуточные и конечные результаты расчётов в ЭВМ. Контролирующие программы поэтапно анализируют введенные данные и указывают на допущенные ошибки, если таковые имеются. Если допущена ошибка, то ЭВМ указывает на её характер: например, «произведено неправильно преобразование параметра», «неправильно применён закон Ома» и.т.д. Задача считается решённой, если ошибка в расчётах не превышает 0,5% (от вычислений ЭВМ). Накопление ошибок приводит к снижению итоговой оценки, которая отражается на экране монитора.

Студенты имеют возможность выполнить до 11 различных лабораторных работ, в том числе: работы по неразветвлённым и разветвлённым однофазным электрическим цепям. Они могут: изучить явления резонанса напряжения и токов, исследовать различного вида соединения в трёхфазных электрических сетях, изучить работу трансформатора и электродвигателя, изучить переходные процессы в сетях постоянного тока, исследовать работу различных схем выпрямителей, изучить работу диодов и триодов в различных электрических схемах, изучить работу операционных усилителей, логических и цифровых схем.

Подготовка к исследованию начинается с размещения на «монтажной панели» ЭВМ источника питания, элементов электрических цепей и измерительных приборов. Для этого из представленного набора вызывается изображение того или иного элемента схемы и перемещается в выбранную область на монтажной панели, где фиксируется. После того, как часть или все элементы схемы зафиксированы на монтажной панели, производится соединение их проводами (проводниками). В первую очередь формируются токовые цепи, например, источник питания – амперметр – активное сопротивление – источник питания. Далее производится подключение вольтметров и вольтовых обмоток ваттметров и т.д. В результате на монтажной панели ЭВМ собирается заданная электрическая схема со всеми измерительными приборами, необходимыми для исследования, например, резонанса напряжений в последовательных цепях и т. п.

Основная проблема заключается в анализе правильности собранной электрической и измерительной схемы при произвольной ее конфигурации. Для этой цели используются правила формальных грамматик. Во время сборки схемы при соединении проводниками элементов электрической цепи или других проводников в ЭВМ автоматически записываются элементарные предложения типа A1-p1:p1-R, р2-р3:р3-А1 или р2-р3:р3-р6, обозначающие соответственно, что амперметр А1 соединен проводником р1 с активным сопротивлением R, провод р2 соединен проводом р3 с амперметром А1 или провод р2 соединен проводом р3 с проводом р6. Из подобных элементарных предложений можно построить более сложные предложения, которые соответствуют описанию соединений элементов для участков цепи или для всей цепи.

Непосредственно во время сборки схемы после каждого соединения элементов схемы проводником выявляются некоторые ошибки, которые указывают на недопустимость соединений типа «провод-провод», на недопустимость «шунтирования» элементов, когда проводом соединяются вход и выход элемента, и другие подобные ошибки. Более подробный анализ осуществляется после сборки всей схемы.

На первом этапе производится «статистический» анализ, когда указывается на недостаточность или избыточность измерительных приборов с указанием их типа. Студенты имеют возможность скорректировать схему – вызвать или удалить те или иные измерительные приборы и соединительные провода.

На втором этапе производится анализ наличия токовых цепей, которые соответствуют заданному типу соединений – последовательное соединение, параллельное соединение, соединение звездой или треугольником и т.п. При этом необходимо учитывать произвольный характер соединений. Так, последовательное соединение источник питания - ваттметр - амперметр - активное сопротивление - источник питания будет соответствовать предложению формальных грамматик U- W-A1-R-U. Правильные соединения будут соответствовать предложениям U-W-A1-R-U, U-A1-W-R-U, U-W-R-A1-U и U R-W-A1-U и др., всего 6 вариантов, равное числу перестановок из трех . Предложение U-A1-R-W-A2-U свидетельствует об избыточности приборов измерения (два амперметра в последовательной цепи), предложение U-R-W-U – об отсутствии амперметра в цепи, а предложение, например, ^ R-U-W-A -U свидетельствует о неправильно собранной схеме. Символом «|» (или) обозначаются параллельные соединения элементов. Например, предложение U-((A1-R1) | (A2-R2))-U соответствует электрической цепи с параллельным подключением цепочек A1-R1 и A2-R2 к общему источнику питания. Достаточно сложным является анализ наличия избыточных проводов, приводящих к замыканию отдельных участков цепи. Например, предложение U-W-A1-R-(A1|U) означает, что второй конец активного сопротивления соединен как с источником питания, так и с началом амперметра, что является недопустимым.

Следующим этапом является анализ соединений вольтметров и вольтовой обмотки ваттметра для измерения напряжений. Проводники, соединяющие вольтметр с другими элементами, выделяются (серым) цветом, показывающим отсутствие в проводнике тока (идеальный вольтметр). Анализ правильности подсоединений измерительных приборов также происходит на основе формальных грамматик. Так, соединения V1-R-V1, V1-A-R-V1 и V1-W-R-A-V1 являются правильными (допустимыми) соединениями при измерении падения напряжения на сопротивлении R.

Несмотря на относительно небольшое количество элементов, предоставляемое для сборки электрических цепей, количество вариантов, (в том числе и неправильных соединений), весьма велико. Анализ предложений в правильно собранной схеме указывает на отсутствие разрывов в токовой цепи источник питания – источник питания, на отсутствие короткозамкнутых контуров и на правильность подключений амперметров, вольтметров и обмоток ваттметров.

Таким образом, использование формальных грамматик дает возможность описать и анализировать электрические схемы и схемы измерений и при этом указывать на допущенные ошибки.

Заключительным этапом сборки схемы является выбор шкалы измерительных приборов, которые после выбора диапазона измерений фиксируются на изображении измерительного прибора.

После того как анализ электрической схемы и схемы измерений показывает, что они собраны правильно, монтажная панель дополняется окнами в нижней части экрана монитора ЭВМ, в которых изображены задатчики величин сопротивлений, напряжения и частоты источника питания. Изменением положения движка задатчика изменяется и соответствующая величина сопротивления или напряжения. Студенты приступают к исследованию собранной схемы.

Аналогичные действия по сборке измерительных схем производятся при изучении на ЭВМ работы оборудования – трасформатора и электродвигателей. На монтажную панель вызывается изображение источника питания и изображение оборудования. Ставится задача правильно подключить оборудование к источнику питания и собрать схему измерения основных характеристик оборудования. После того, как подключение оборудования и схема измерения выполнены правильно, производится исследование рабочих характеристик оборудования.

Сложность собранной электрической схемы определяется количеством элементов, которые можно разместить на монтажной панели ЭВМ. В действующих программах размер монтажной панели составляет 640·300 пикселов, а размер изображения элемента схемы – 66·55 пикселов. При уменьшении размеров изображения число элементов, размещаемых на монтажной панели, увеличивается, однако при этом исчезают детали изображения и эти элементы становятся трудно различимыми. При существующих размерах на монтажной панели можно разместить до 12 изображений элементов цепи или измерительных приборов.

Использование монтажной панели ЭВМ для сборки и исследования электрических цепей имеет определенные преимущества по сравнению с физическими стендами в части различных комбинаций элементов схем и их соединений и в наглядности процессов, протекающих в электрических цепях. Режим работы электрической цепи разъясняется с помощью векторных диаграмм, отображающих в реальном времени все изменения режимов или параметров электрической цепи, или с помощью построения рабочих характеристик оборудования. Оптимальным вариантом проведения лабораторных работ является вариант, при котором работа на ЭВМ предшествует работе на физических стендах.

Учитывая то, что сборка схемы является самым трудоёмким элементом лабораторных работ, студентам могут выдаваться программы сборки и анализа электрических схем и схем измерений на ЭВМ. Используя лекционный материал и инструкции, студенты собирают электрическую схему и схему измерений на ЭВМ вне аудитории. Собранная схема записывается в файл, который воспроизводит ее на лабораторных ЭВМ.

Опыт работы показал ряд преимуществ методики проведения лабораторных работ на ЭВМ:

а) студенты получают возможность более углубленно заниматься исследованием электрических цепей, так как на физических стендах более половины времени занимает сборка электрической цепи с помощью коммутационных шнуров и поиски потерь в контактах. За время лабораторных работ появляется возможность изучить и проанализировать значительно больше ситуаций и режимов, которые могут возникнуть в электрических цепях;

б) ЭВМ позволяет моделировать и предупреждать возникновение предаварийных и аварийных ситуаций. «Короткое замыкание» или значительное «зашкаливание» приборов вследствие ошибок, допущенных студентами, не приводит к выходу из строя физических приборов. О неправильных действиях студенты предупреждаются звуковым сигналом и мигающими рамками в изображениях приборов;

в) в электрическую цепь всегда можно включить «идеальные» элементы, например, катушку, обладающую нулевым активным сопротивлением, диод, не имеющий внутреннего сопротивления и т.п;

г) при работе на ЭВМ в режиме реального времени можно изучить, например, изменение векторов напряжений, токов или мощностей при любом изменении параметров электрической цепи;

д) ЭВМ позволяет измерять реактивную мощность, cos, эквивалентную емкость или индуктивность в схемах замещения и т.п.

Проведение лабораторных работ по электротехнике и электронике на ЭВМ является перспективным направлением и, безусловно, не исключает использования физических стендов. Так как в основу электронных моделей ЭВМ положены реальные элементы физических стендов, особенно эффективна параллельная работа студентов на ЭВМ и на физических стендах. При этом студенты предварительно производят все необходимые действия на ЭВМ, получают представление об изменениях параметров электрической цепи, а затем переходят к работе на физическом стенде.

Использование информационной базы математических моделей аппаратов химической технологии делает курс электротехники более предметным. В этом случае на экране монитора одновременно отображаются как технологические процессы, протекающие в аппаратах, так и процессы в электрических цепях, образуемых электрооборудованием (приводами насосов, нагревателями и т.п.).

Применение ЭВМ существенно смещает акценты преподавания, настраивая студентов на самостоятельное выполнение задания и самооценку результатов расчётов. Преподаватель в определённой мере освобождается от контроля промежуточных математических расчётов, сосредоточивая свое внимание на объяснении принципиальных ошибок, допущенных при анализе или преобразовании электрических цепей или в применении законов электротехники. Это особенно важно при массовых потоках студентов. Относительная легкость изменения вариантов начальных условий позволяет существенно разнообразить задачи, не допуская их повторения.

Сборка измерительной электрической схемы на ЭВМ.
Измерительные приборы


Амперметр измеряет силу тока в цепи и включается последовательно (в разрыв цепи) с элементами цепи. При подключении амперметра необходимо отключить цепь от источника питания, произвести подключение амперметра и вновь подключить источник питания цепи. Условное изображение и схема включения амперметра приведена на рис.2.34.

Амперметр измеряет действующую силу тока, равную модулю комплексного значения силы тока в цепи I=|I|.

Вольтметр измеряет падение напряжения на участке цепи и подключается параллельно этому участку цепи. Измерение падения напряжения можно производить не отключая цепь

от источника питания. Условное обозначение и схема подключения вольтметра изображены на рис.2.35.

Вольтметр измеряет действующее напряжение, равное модулю комплексного значения падения напряжения на участке цепи U=|U|.

Ваттметр измеряет активную мощность, потребляемую на участке электрической цепи. Ваттметр имеет две обмотки: токовую обмотку и обмотку напряжения. Токовая обмотка включается в цепь последовательно, а обмотка напряжения – параллельно измеряемому участке цепи. Для правильного включения один из выводов токовой обмотки и обмотки напряжения помечены звездочками (*). Эти выводы необходимо




Рис.2.34. Схема включения амперметра в электрическую сеть

Рис.2.35. Схема включения вольтметра к электрической цепи









Рис.2.36. Схема включения ваттметра в электрическую сеть

Рис.2.37. Схема включения приборов для измерения активной и полной мощности цепи

Рис.2.38. Схема подключения двух ваттметров для измерения
активной мощности в трехфазной сети


включать со стороны источника питания. При подключении ваттметра необходимо отключить цепь от источника питания, произвести подключение токовой и вольтовой обмотки ваттметра и вновь подключить источник питания цепи.

Условное изображение и схема включения ваттметра в электрическую цепь изображены на рис.2.36. Измеряемая активная мощность на участке цепи W=P=Re(S)=Re(U I*)=
=S cos=RI2=YU2 (I*- сопряженный комплекс тока).

Для того чтобы измерить полную S, активную P и реактивную Q мощности, а также cos, необходимо включить амперметр, вольтметр и ваттметр по схеме, изображенной на рис.2.37.

В этом случае активная мощность ^ Р измеряется ваттметром W, полная мощность S равна произведению показаний амперметра А и вольтметра V (S=VA), cos=^ P/S, а реактивная мощность Q=jSsin.

Измерение активной мощности трехфазной сети можно проводить с помощью метода двух ваттметров. Если ваттметры включить, например, по схеме рис.2.38, то активная мощность сети будет равна Р= Re(UACIA*+UBCIB*)=PW1+PW2.

Измеряемая мощность не зависит от вида нагрузок (симметричная, несимметричная) и способа включения нагрузок, кроме звезды с нейтральным проводом.

Сборка схемы измерений на панели ЭВМ

При вызове программы на экране монитора высвечивается "монтажная панель" с источником питания и исследуемыми элементами электрической цепи.

В нижней части экрана монитора расположены два окна:

– окно с информацией о возможных действиях – серый фон;

– окно сообщений – коричневый фон.

Для того чтобы составить электрическую схему эксперимента, следует:

а) разместить на монтажной панели измерительные приборы, необходимые для исследования;

б) соединить проводниками элементы электрической цепи и измерительные приборы в единую электрическую схему.

Составление электрической схемы начинается с размещения на монтажной панели монитора ЭВМ измерительных приборов.

^ Как вызвать изображение измерительного прибора?

При нажатии клавиши "А" или "а" (лат), "V" или "v", "W" или "w" в левой верхней части монтажной панели появится изображение амперметра, вольтметра, ваттметра соответственно.

^ Как разместить измерительный прибор на монтажной панели?

С помощью клавиш можно перемещать изображение прибора по панели. При нажатии клавиши "Insert" изображение прибора фиксируется на монтажной панели.

При размещении приборов следует ориентироваться на то, что амперметры и токовая обмотка ваттметров включаются в электрическую цепь последовательно (в "разрыв цепи") (рис.2.1, 2.3) , а вольтметры и вольтовая обмотка ваттметра подключаются параллельно измеряемым участкам (рис.2.2, 2.3).

Информация о возможных ошибках при размещении измерительных приборов появляется в окне сообщений.

^ Как удалить измерительный прибор с монтажной панели?

Если появляется необходимость удаления измерительного прибора во время перемещения его по монтажной панели (до нажатия клавиши "Insert"), то это можно сделать нажав клавишу "Delete"

Если изображение измерительного прибора необходимо исключить после фиксации его на монтажной панели, то для этого следует с помощью клавиш установить маркер на изображении прибора (в любой его части) и нажать клавишу "Delete".

^ Как произвести соединение элементов электрической цепи?

Изображение каждого элемента электрической цепи имеет две (или четыре для вольтметра и ваттметра) выделенные горизонтальные и вертикальные "точки" для подсоединения проводников. Желтым цветом выделены точки для последовательного включения элемента в цепь, а серым цветом – для параллельного подключения к участкам электрической цепи.

Для соединения элементов электрической схемы необходимо:

а) с помощью клавиш подвести маркер к соответствующей точке присоединения прибора или проводника и нажать клавишу "Ноmе" – начало проводника;

б) с помощью клавиш подвести линию проводника к выбранной точке на схеме и нажать клавишу "End" – конец проводника. При передвижении маркер оставляет след – желтую линию – линию проводника.

Если конец проводника пересекает другой проводник, то конец проводника фиксируется автоматически.

Проводники, соединяющие вольтметр и вольтовую обмотку ваттметра с другими проводниками или элементами цепи, имеют серый цвет.

^ Как удалить проводник из схемы?

Если необходимо удалить проводник во время перемещения по монтажной панели, то достаточно нажать клавишу " Delete" и линия проводника исчезнет с монтажной панели.

Если проводник на монтажной панели зафиксирован, то для его удаления необходимо с помощью клавиш установить маркёр на одном из участков линии и нажать клавишу "Delete", при этом линия полностью исчезает. Если установить маркёр в узле – точке соединения нескольких проводников и нажать клавишу "Delete", то с монтажной панели удаляются все проводники, принадлежащие данному узлу.

После окончания сборки электрической схемы для анализа соединений следует нажать клавишу F1. Все ошибки, связанные с неправильной сборкой электрической схемы, указываются в окне сообщений.

Если схема собрана правильно, то в нижней части экрана появляются окно с задатчиками параметров электрической цепи и окно векторных диаграмм.

Примечание: Правильно собранная схема измерения активной и полной мощности электрической цепи (рис.3.4.) в начальном эксперименте лабораторной работы переносится на монтажную панель монитора ЭВМ следующих экспериментов.

  1   2   3   4   5   6

Добавить документ в свой блог или на сайт


Похожие:



Если Вам понравился наш сайт, Вы можеть разместить кнопку на своём сайте или блоге:
refdt.ru


©refdt.ru 2000-2013
условием копирования является указание активной ссылки
обратиться к администрации
refdt.ru