Лабораторная работа № 1 (ПК) ________________________________ Цель работы:

Лабораторная работа № 1 (ПК)
«Экспериментальное исследование
электрических цепей при негармоническом воздействии»
Выполнил студент группы ________
________________________________
Цель работы: освоение методики экспериментального
исследования линейных электрических цепей при воздействии
на них несинусоидального источника ЭДС, уяснение основных
соотношений, имеющих место в этих цепях, и изучение влияния
характера цепи на форму кривой тока.
Программа работы:
- выполнить компьютерное моделирование исследуемой
электрической цепи в соответствии с программой эксперимента
Рис.1. Электрическая схема №1 для исследований
Рис.2. Электрическая схема №2 для исследований
Исходные параметры заданного варианта лабораторной
работы из табл.6 и 7 занести в табл.1.
1
Таблица 1
Исходные параметры заданной электрической цепи
Форма
источника ЭДС
U, В
ƒ(1), кГц
L, Гн
C,
мкФ
R,Ом
Рассчитать амплитудные значения гармонических составляющих
заданного входного напряжения. Результаты расчётов занести в
табл.2, в графу «расчёт».
Порядок выполнения экспериментальной части
Для решения поставленной задачи лабораторным
моделированием данной схемы с помощью программы
Electronics Workbench необходимо:
1. Запустить программу.
2. Собрать схему для исследования электрической цепи
при негармоническом воздействии в соответствии с рис.3 и
инструкцией пользователя программой Electronics Workbench.
RК
C
L
1
2
1
2
R
R=1 Ом
А
А
В
Рис.3 Эскиз схемы рис.1
лабораторного моделирования
R=1 Ом
В
Рис.4 Эскиз схемы рис.2
лабораторного моделирования
 Обозначить все точки схемы. Нумерация точек должна
соответствовать нумерации, приведённой на рис.3. С этой
целью:
- правой клавишей мыши выделить узел красным
цветом;
- в появившемся подменю выбрать раздел Сomponent
Properties;
2
-в появившемся меню Сonnector Рroperties выбрать
раздел Node. В этом разделе в окне Node Id установить номер
узла, а в окне Display Node Label поставить «галочку» и нажать
клавишу Ok.
3. К клеммам «А-В» следует подключить источник ЭДС,
форма которого соответствует заданной. Для этого к клеммам
«А-В»
подключается
функциональный
генератор,
расположенный в окне Instruments(крайнее справа). После
открытия данного окна следует нажать левой клавишей мыши
на второй прибор слева и не отпуская клавиши перенести его в
рабочее окно, подключив к клеммам «А-В». При этом к клемме
«А» подключается «+» генератора, а к клемме «В» – средняя
точка генератора. Активизация источника производится путём
двойного нажатия на нём левой клавиши мыши, после чего
выполняется выбор формы и параметров источника (параметр
Freguency соответствует заданной частоте источника, а
параметр Amplitude – максимальному значению заданного
напряжения U).
4. Экспериментально определить гармонический состав
входного напряжения цепи, для чего необходимо:
- заземлить точку В схемы;
- в меню программы выбрать раздел Analysis, а в
подменю – раздел Fourier;
- в меню Fourier Analysis установить следующие
значения:
- в окне Output Node установить номер точки 2;
- в окне Fundamental freguency установить частоту
основной гармоники;
- в окне Number of harmonics установить
максимальный номер гармонической составляющей -7;
- в разделе Results:
- установить режим Linear;
- в окне Output as line graph поставить «галочку»;
- нажать на кнопку Simulate.
3
 в появившемся окне Analysis Graphs в строке команд
нажать клавишу Toggle Cursors (третья справа);
 установить левый вертикальный указатель на значении
Х1 равном частоте основной гармоники источника ЭДС и
зафиксировать значение Y1, соответствующее амплитудному
значению основной гармоники входного напряжения;
 установить поочерёдно данный указатель на значениях
Х1 равным частотам источника ЭДС и зафиксировать
соответствующие им значения Y1;
полученный спектр может быть развернут на весь экран
путем нажатия средней клавиши в правом верхнем углу
монитора;
 результаты измерений следует занести в табл.2
5. Экспериментально определить гармонический состав
тока цепи, для чего необходимо:
- в меню программы выбрать раздел Analysis,а в
подменю – раздел Fourier;
- в меню Fourier Analysis установить следующие
значения:
в окне Output Node установить номер точки 1;
в окне Fundamental freguency установить частоту
основной гармоники;
в окне Number of harmonics установить
максимальный номер гармонической составляющей -7;
в разделе Results:
- установить режим Linear;
- в окнах Display phase и Output as line graph
поставить «галочки»;
- нажать на кнопку Simulate;
 в появившемся окне Analysis Graphs отметить верхний
график, представляющий собой амплитудный спектр, щёлкнув
на нём левой клавишей мыши;
 в строке команд нажать клавишу Toggle Cursors
(третья справа);
4

установить левый вертикальный указатель на
значении X1 равном частоте основной гармоники источника
ЭДС и зафиксировать значение Y1,соответствующее
амплитудному
значению
напряжения
на
резисторе
сопротивлением 1 Ом (численно это значение соответствует
току);
 отметить нижний график, представляющий собой
фазовый спектр, щёлкнув на нём левой клавишей мыши;
 в строке команд нажать клавишу Toggle Cursors
(третья справа);
 установить левый вертикальный указатель на значении
X1 равном частоте основной гармоники источника ЭДС и
зафиксировать значение Y1, соответствующее начальной фазе
напряжения на резисторе сопротивлением 1 Ом (численно это
значение соответствует начальной фазе тока);
 установить поочерёдно вертикальные указатели на
значениях X1 равным частотам источника ЭДС и
зафиксировать соответствующие им значения Y1 по верхнему
и нижнему графикам;
 полученные спектры могут быть развернуты на весь
экран путем нажатия средней клавиши в правом верхнем углу
монитора;
 результаты всех измерений следует занести в табл.3
6. Для выполнения исследований с
осциллографом
необходимо:
 на нижней строке выпадающих меню нажать клавишу
Instruments (крайняя справа) и мышью перенести в рабочее
окно осциллограф (Oscilloscope)–третий элемент слева;
 оба вертикальных выхода осциллографа заземлить;
5
 к левому горизонтальному
входу осциллографа следует
подключить 1 точку схемы;
 подключить схему к источнику и активировать работу
осциллографа путём нажатия на него дважды
левой
клавишей мыши.:
 развернуть осциллограф на весь экран, нажав
на нём
клавишу Expand;
 нажать клавишу Pause и с помощью развёртки в окне Time
base и вертикальных указателей ▲▼установить один – два
периода исследуемого напряжения;
 по левому входу осциллографа (Channel A) выбрать режим
AC и с помощью вертикальных указателей ▲▼ подобрать
необходимый масштаб по напряжению;
 полученная
осциллограмма
вручную с указанием
должна быть зарисована
масштабов по оси времени и по
напряжению
7. Собрать схему для исследования электрической цепи
при негармоническом воздействии в соответствии с рис.4 и
инструкцией пользователя программой Electronics Workbench.
 Обозначить все точки схемы. Нумерация точек должна
соответствовать нумерации, приведённой на эскизе рис.4.
С этой целью необходимо:
 правой клавишей мыши выделить узел красным
цветом;
6
 в появившемся подменю выбрать раздел Сomponent
Properties;
 в появившемся меню Сonnector Рroperties выбрать
раздел Node. В этом разделе в окне Node Id установить номер
узла, а в окне Display Node Label поставить «галочку» и нажать
клавишу Ok.
8. Повторить п.5 и п.6. Результаты измерений следует
занести в табл.4.
9. Для завершения работы программы следует нажать
», которая расположена в правом верхнем углу
рабочего окна.
10. По данным табл.2 ,3 и 4 определить доли высших
гармоник токов и входного напряжений по отношению к
основным гармоникам. Результаты расчёта занести в табл.5.
Таблица 2
Результаты исследований заданного входного напряжения
Амплитудные значения гармоник входного
напряжения
U m (1)
U m (3)
U m (5)
U m (7)
Расчёт
Опыт
Таблица 3
Результаты исследований первой электрической цепи
Амплитудные значения гармоник
тока
I m (1)
I m (3)
I m (5)
I m (7)
Схема
рис. 1
ψi
(1)
Начальные фазы гармоник тока
ψi (3)
ψi (5)
ψi (7)
7
Таблица 4
Результаты исследований второй электрической цепи
Схема
рис. 2
U m(3)/ U m
Im
I
(3)
m
(1)
/I
m
ψi (1)
Начальные фазы гармоник тока
ψi (3)
ψi (5)
ψi (7)
Таблица 5
Результаты экспериментов
U m (5)/ U m (1)
U m (7)/ U m (1)
/ I m (1)
(3)
I m(1)
Амплитудные значения гармоник
тока
I m(3)
I m(5)
Im (7)
(1)
I
I
Схема рис. 1
/ I m (1)
m
I
m
Схема рис. 2
(5)
/ I m (1)
I
m
(5)
m
(7)
/I
(7)
/I m
m
(1)
(1)
Контрольные вопросы
1. Объяснить суть разложения в ряд Фурье.
2. Как аналитически определяются коэффициенты ряда
Фурье?
3. Как численно определяются коэффициенты ряда Фурье?
4. Изложить порядок расчёта линейных электрических цепей
при несинусоидальном источнике ЭДС.
5. Какова особенность рядов Фурье для периодических
зависимостей, обладающих различными видами симметрии?
6.
Как
определяются
действующие
значения
несинусоидальных токов и напряжений?
7. Каково влияние реактивных элементов цепи на форму
кривой тока?
8. Изложить суть баланса мощностей в цепях
несинусоидального тока.
8
9. Как определяется мощность искажения и что она
характеризует?
10. Объяснить причину изменения формы кривой тока в
различных электрических цепях, исследуемых в данной
лабораторной работе.
Таблица 6
Варианты и параметры исследуемой цепи
№
№
строки источника
1
1
2
2
3
1
4
2
5
1
6
2
7
1
8
2
9
1
0
2
9
U, ƒ(1),
В
кГц
500
5
650 12
200 10
300
3
250
2
400 0,8
350 0,3
280 2,5
450 1,5
750
8
Таблица 7
Варианты и параметры исследуемой цепи
№
L,
строки мГн
1
3
2
1
3
1,5
4
2,5
5
5
6
10
7
60
8
4,5
9
7,5
0
1
C,
мкФ
0,35
0,15
0,2
0,9
1,2
3,5
5
0,8
1,5
0,4
R,
Ом
95
80
90
50
65
55
110
70
75
45
Исходные данные несинусоидальных источников ЭДС
№
источника
Форма
Ряд Фурье
u(t) = 1.8·U·sinωt +
0.6·U·sin3ωt
+0.36·U·sin5ωt +
0.26·U·sin7ωt
1
2
u(t) = 1.15·U·sinωt +
+0.13·U·sin(3ωt+180)+
+0.046·U·sin5ωt +
+0.023·U·sin(7ωt+180)
10