г. Мощность, поглощаемая приемником, равна сумме мощностей падающих и отраженных волн.
8. Для того чтобы перенапряжения, возникшие на одном участке линии, не распространялись по всей ее длине, между отдельными участками линии включают …активные сопротивления а. индуктивные сопротивления б. емкостные сопротивления в. активные сопротивления
ЧАСТЬ III. КОМПЬЮТЕРНОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ ПРОЦЕССОВ НА ОСНОВЕ ПРО-
ГРАММЫ MULTISIM
Введение
Одним из важных моментов при изучении дисциплины является применение практических работ, которые позволяют закрепить и углубить теоретические знания и вместе с тем способствуют приобретению практических знаний. В последнее время в нашей стране и за рубежом активно внедряют в учебный практикум лабораторные работы, созданные на основе математических моделей – так называемые виртуальные лабораторные работы (ВУЛ).
На примере дисциплины ТОЭ проведем сравнительный анализ лабораторий, созданных на разных принципах – виртуальном и физическом. Достоинства виртуальных лабораторий:
1.В процессе выполнения лабораторных работ приобретается опыт компьютерных технологий исследования физических объектов. Следует отметить, что широкое использование компьютеров для моделирования различных процессов современным инженером является обязательным.
2.Возможность проводить исследования аномальных режимов (короткие замыкания; превышение предельно допустимых напряжений и токов и т. д.), в то время как такие исследования на физических моделях могут вызвать невосполнимую их поломку.
3.Возможность исследований влияния изменений параметров первичных источников (промышленной сети) на изучаемый объект, например установка несимметрии в 3-фазных цепях; колебания напряжения, возникающие от мощной, резко переменной нагрузки; введение в сеть высших гармоник, порож-
даемых нелинейной нагрузкой и т. д. Для физических моделей для осуществления этих опытов потребуется большие экономические затраты. Поэтому такие исследования на физических моделях не проводят.
4.ВУЛ позволяют исследовать процессы систем, которые невозможно создать в учебных лабораториях. Например, определение напряженности электрического поля высоковольтных и сверхвысоковольтных воздушных линий электропередач.
5.Экономия материально-временных ресурсов. Часто одна физическая модель по стоимости значительно больше одного компьютерного класса. На одной физической модели могут выполнять одновременно исследования не более 3-х человек. При размещении виртуальных компьютеров с лицензионными программами для моделирования на сервере можно организовать одновременное прохождение лабораторного практикума на многих компьютерах. При этом создаются одинаковые возможности для всех студентов независимо от места их нахождения и формы обучения. Существующие лабораторные стенды недостаточно оснащены современными приборами и требуют регулярных затрат на их модернизацию и поддержку рабочего состояния. Время прохождения лабораторного практикума на физической модели, как правило, значительно больше, чем на аналогичной виртуальной модели.
6.Организация дистанционного прохождения виртуального практикума не только на иногородних филиалах, но и на домашних компьютерах. Организацию дистанционного практикума на физической модели путем создании физической модели, управляемой компьютером возможно выполнить. Однако при этом физическая модель для удаленного пользователя превращается в виртуальную (квазивиртуальную) модель, но со всеми недостатками, присущими физическим моделям. К квазивиртуальной модели можно подключить только один удаленный компьютер, так как управлять одновременно одной физической моделью разными пользователями невозможно.
7.ВУЛ позволяют устранить недостаток традиционного способа обучения – это отдельное проведение лекционных и лабораторных работ, как по времени, так и по теме.
8.Отдельные фрагменты ВУЛ можно демонстрировать во время лекции, т. е. в дополнение к лекционным материалам, что способствует повышению качества образования.
9.ВУЛ могут использоваться не только в лабораторном практикуме, но и
вконтрольных работах, курсовом и дипломном проектировании, в учебноисследовательской работе студентов.
Вцелом, виртуальная лаборатория с дистанционным доступом обеспечи-
вает:
- новое качество в системе дистанционного образования; -один стенд-сервер может обслуживать весь университет и несколько фи-
лиалов; -полная загрузка лаборатории – 24 часа в сутки без выходных.
-уникальные возможности для активизации самостоятельной работы студентов;
-уменьшение материальных затрат на лабораторное оборудование и обслуживание;
-освобождаются помещения, увеличивается коэффициент их использова-
ния.
Поэтому ВУЛ полностью удовлетворяют методам подготовки специалистов в рамках технологии e-learnining.
Что касается физических стендов , то следует отметить, что с целью сокращения площадей лаборатории и экономической целесообразности, как правило весь ряд лабораторных работ выполняется на одном стенде. В таких стендах элементы упрятаны в глубь стенда и тем самым студент плохо представляет внешний вид изучаемого объекта, а стенд превращается в некий «черный ящик» с множеством клемм и обозначений. По этому принципу строятся и лабораторные стенды, на которых выполняется только одна лабораторная работа. При этом в этих стендах с целью повышения их надежности при интенсивной эксплуатации в процессе учебного процесса сборка электрических цепей заменяется различными переключателями, а элементы находятся, так же внутри стенда.
Использование современных программных продуктов для создания ВУЛ, например программа Multisim? дает возможность студенту шаг за шагом осмысленно извлекать нужный элемент, саму «собирать» электрическую схему на мониторе, произвести установку нужных параметров выбранных элементов, выполнить необходимую настройку виртуальных приборов. При этом настройка виртуальных приборов и их лицевые панели аналогичны физическим приборам. Недостатком виртуальных работ, на который указывают сторонники применения физических моделей в учебном процессе, является отсутствия у сту-
дентов «контакта» с исследуемыми элементами, но он легко устраним. Для этого достаточно иметь и демонстрировать студенту физические элементы, образы которых используются в виртуальной лаборатории. При этом стоимость отдельных элементов очень низкая, а если иметь элементы с внутренним невидимым дефектом, то их стоимость равна нулю. Для студентов, выполняющих лабораторный практикум на домашнем компьютере, можно демонстрировать на мониторе изображения реальных элементов. Это несколько снижает уровень восприятия реальных элементов. Для студентов, которые проходят обучение без отрыва от производства, эта проблема, как правило, отсутствует.
Для специальных дисциплин актуальным становится приобретение практических навыков на физических моделях, и самое оптимальное на действующих промышленных предприятиях.
Следует отметить, что программа Multisim выбрана авторами, как отличающаяся от других программ, преследующие те же цели, простым и легко осваиваемым пользовательским интерфейсом. В распоряжении авторов имеется лицензионная усовершенствованная (десятая) версия программы Multisim 10. Поэтому в дальнейшем описание процесса моделирования представлено этой версией. Программа Multisim обладает преемственностью, т. е. все схемы созданные в ранних версиях могут быть промоделированы в версии Multisim 10.
ГЛАВА 10. Методика применения программыMultisim
10.1. Назначение и состав программы Multisim
Программа Multisim представляет собой компьютерное средство для схемотехнического моделирования и анализа электротехнических и электронных устройств и установок. Программа Multisim является усовершенствованной версией программы Е1есtrоnics Wоrkbеnсh (EWB).
Программа Multisim 10 содержит в своем составе практически все известные элементы современных электрических цепей: источники неизменного и регулируемого постоянного и переменного напряжения и тока, резистивные индуктивные и емкостные элементы, трансформаторы, электрические машины, всевозможные электронные элементы, а также информационно-измерительную технику: амперметры, вольтметры, ваттметры, мультиметры, генераторы, осциллографы и т. д.
Правила сборки виртуальных электрических цепей, измерения и другие исследования выполняются по тем же правилам, что и для реальной цепи. Чис-
ло и вид электрических схем самого разного назначения, которые можно собрать и исследовать, не ограничено.
Программа Multisim 10 является, в сущности, превосходной виртуальной лабораторией, помещенной в компьютер.
В последнее время появилось много книг [1, 2, 3, 4], где подробно дано описание работы с программой Multisim и более ранней ее версии EWB. Поэтому здесь приводится краткое описание только основных правил работы с
Multisim.
10.2. Открытие программы, ее составляющие и сборка схемы
Для обращения к программе Multisim необходимо создать ярлык на рабочем столе и им пользоваться для обращения к программе.
После запуска на экране появляется графическая оболочка интерфейса программы (рис. 10.1), посредством которой и осуществляется компьютерное моделирование поставленных задач.
Экран дисплея делится на три части.
1.Зона в верхней части экрана – командное меню, содержащее команд возможных действий программы.
2.3она в правой части экрана – меню условных обозначений оборудования. Она содержит условные графические обозначения оборудования, которые могут быть использованы для компьютерного моделирования процессов.
3.Зона в верхней части экрана меню условных обозначений элементов. Она содержит условные графические обозначения элементов, которые могут быть использованы для компьютерного моделирования процессов.
4.Остальная часть экрана – рабочая зона, в которой осуществляется построение необходимых схем.
5.Кнопка выхода из программы. При подведении к ней курсора мыши и нажатии левой кнопки будет произведён выход из программы.
6.Переключатель, при включении которого после сборки схемы и задания параметров её элементов программа начинает компьютерное моделирование.
Сборка схемы
Выбрать элементы схемы из соответствующих библиотек и разместить их на экране, при этом используется метод drag and drop. Элемент выбирается и перетаскивается мышью на отведенное ему место. Выбранный (активный) элемент выделяется красным цветом. При необходимости поворот элемента на 90о
осуществляется с помощью соответствующей "кнопки" на панели инструментов, или щелчком правой клавиши мыши на элементе из контекстного меню на команде"Rotate" (вращение), или выделением элемента одним щелчком левой кнопки мыши, а затем одновременным нажатием на две клавиши – Ctrl и R.
1 |
6 |
3 |
4 |
2 |
5 |
Рис. 10.1. Интерфейс программы Multisim 10
Если в рабочую зону был вынесен неверный элемент и его необходимо удалить или возникла необходимость в корректировке собранной схемы, то для этого необходимо выполнить следующую операцию. К условному обозначению элемента, который подлежит удалению, подвести курсор мыши и выделить его путём однократного нажатия правой кнопки мыши (при этом он будет выделен пунктирными линиями). Если необходимо удалить сразу несколько элементов, то их можно одновременно выделить путём нажатия левой кнопки мыши с последующим её удержанием и перемещением курсора по экрану таким образом,
чтобы в образующийся прямоугольник попали все необходимые элементы, после чего их можно удалить путём нажатия клавиши "Dе1еtе" на клавиатуре.
Для рисования соединительных линий (проводов) между выбранными элементами необходимо подвести курсор мыши к изображению одного из двух соединяемых элементов в том месте, где из него выходит конец соединительной линии; после чего надо нажать левую кнопку мыши и, удерживая её в этом положении, подвести курсор к краю изображения другого соединяемого элемента; после чего надо левую кнопку мыши отпустить, а затем однократно нажать снова левую клавишу. В результате произведённых операций будет нарисована соединительная линия между двумя элементами схемы (рис. 3.5.2).
Рис. 10.2. Последовательное соединение двух элементов схемы
Установка параметров собранной схемы
После того как необходимая схема будет собрана в рабочей зоне, необходимо задать как параметры отдельных её элементов (сопротивления, ёмкости, индуктивности, источника напряжения), источника тока, так и измерительных приборов (амперметра, вольтметра), включенных в схему.
Данная операция осуществляется в следующей последовательности: а) выбрать элемент схемы путём подведения к нему курсора мыши;
б) сделать два быстрых щелчка левой кнопкой "мыши" на изображении выбранного элемента;
в) в появившемся окне (рис. 10.3) задать необходимые параметры элемента путем подводки курсора в соответствующую область и нажатия левой клавиши мыши. При необходимости в корректировке введенного значения следует удалить старое значение нажатием клавиши "Васksрасе", а затем ввести новое значение;
Рис. 10.3. Установка параметров элемента
г) установить нужный порядок измерения задаваемой величины при помощи кнопок прокрутки путём подведения к ним курсора и нажатия левой кнопки мыши;
д) подтвердить заданное значение параметра путём нажатия "ОК".
Окно задачи параметров ёмкости и индуктивности выглядит аналогичным образом. Процесс задачи значений их параметров происходит также по пунктам "а-д".
Источники
Все источники в Multisim идеальные. Внутреннее сопротивление идеального источника напряжения равно нулю, поэтому его выходное напряжение не зависит от нагрузки. Идеальный источник тока имеет бесконечно большое внутреннее сопротивление, поэтому его ток не зависит от сопротивления нагрузки.
Установка параметров источников
Данная операция осуществляется в следующей последовательности: а) выбрать из тематической библиотеки соответствующий источник;
б) сделать два быстрых щелчка левой кнопкой "мыши" на изображении выбранного источника (для примера выбран источник переменного тока;
в) в появившемся окне (рис. 10.4) последовательно задать необходимые параметры источника путём подводки курсора в соответствующую область ок-
на и нажатия левой кнопки мыши, после чего ввести значение параметра с клавиатуры. При необходимости в корректировке введенного значения следует удалить старое значение нажатием клавиши "Васksрасе ", а затем ввести новое значение;
г) подтвердить заданные значения параметров источника напряжения путём нажатия "ОК".
Установка параметров измерительных приборов
Данная операция осуществляется в следующей последовательности:
а) выбрать измерительный прибор (вольтметр, амперметр) на собранной схеме, параметры которого необходимо задать путём подведения к нему курсора "мыши";
б) сделать два быстрых щелчка левой кнопкой мыши на изображении выбранного измерительного прибора;
в) в появившемся окне задать режим работы прибора - «АС», что соответствует работе его на переменном токе.
Рекомендуется оставить значения внутренних сопротивлениий измерительных приборов "по умолчанию", то есть не изменять их.
Необходимо учесть, что АС – измерение переменного напряжения; DС – измерение постоянного напряжения.
Рис. 10.4. Окно задачи параметров источника переменного тока
10. 3. Виртуальные измерительные приборы
Виртуальные измерительные приборы, представленные в программе Multisim имеют внешние лицевые панели приборов, которые достаточно близко совпадают с панелями физических приборов.
Амперметр
Амперметр - измерительный прибор, который измеряет действующее значение тока в амперах. На панели прибора может быть указано значение тока в миллиамперах. В данном случае действующее значение тока, указанное на панели амперметра, равно 8,020 мА. Вольтметр
Вольтметр - измерительный прибор, который измеряет действующее значение тока в вольтах. Вольтметр подключают параллельно участку цепи, на котором следует измерить напряжение. В данном случае действующее значение напряжения на сопротивлении R2 , указанное на панели вольтметра, равно
3,208 В.
Ваттметр
Ваттметр измерительный прибор, который измеряет активную мощность и коэффициент мощности. Ваттметр имеет две обмотки – обмотку напряжения, которая включается параллельно исследуемому участку цепи и токовую обмотку, которая включается последовательно с исследуемым участком. В данном случае указаны свернутая и развернутая панели ваттметра. На развернутой панели указаны активная мощность – 25,748 мВт и коэффициент мощности – 0,454. Свернутую панель используют для подключения вольтметра к исследуемой цепи.
Рис. 10.7. Четырехканальный осциллограф
Двух- и четырехканальный осциллографы работают практически одинаково и отличаются только количеством каналов. Осциллограф Agilent работает так же, как и обычный лабораторный высокочастотный осциллограф.
Рис. 10.8. Осциллограф Agilent
Следует отметить, что настройка осциллографа является достаточно сложной. Поэтому дадим описания работы и настройки осциллографа подробно. При этом укажем настройку двухканального осциллографа. Настройка четырехканального аналогична.
Настройки виртуальных осциллографов напоминают настройки обычного осциллографа. Их основные параметры — это: напряжение в вольтах по верти-
_ A B
_ 
_
Рис. 10.10. Панель виртуального осциллографа 2. Поле управления синхронизацией (запуском);
3.Поле управления каналом А;
4.Поле управления каналом В.
Управление масштабом времени
Поле управления горизонтальной разверткой (масштабом времени) слу-
жит для задания масштаба горизонтальной оси осциллографа при наблюдении напряжения на входах каналов А и В в зависимости от времени. Временной масштаб задается от 10+12с/дел до 10–12с/дел. Масштаб может дискретно уменьшаться на один шаг при щелчке мышью на кнопке (^) справа от поля и увеличиваться при щелчке на кнопке (\/).
Чтобы получить удобное для наблюдения изображение на экране осциллографа, установите масштаб времени таким образом, чтобы цена двух делений на горизонтальной оси примерно была равна величине, обратно пропорциональной частоте исследуемого сигнала, т. е. составляла бы период сигнала.
Например, если Вы хотите исследовать сигнал с частотой 1 кГц, установите масштаб времени равным 0,05 мс.
C помощью кнопок, расположенных в поле строки Х Рosition, можно дискретно сдвигать начало осциллограммы по горизонтальной оси.
В этом же поле расположены три кнопки: У/Т, А/В, В/А, позволяющие задавать вид зависимости отображаемых сигналов. При нажатии на кнопку У/Т по вертикальной оси откладывается напряжение, по горизонтальной оси — время, при нажатии на кнопку А/В по вертикальной оси откладывается амплитуда напряжения на входе канала А, по горизонтальной оси - канала В и при нажатии на кнопку В/А, наоборот. При этом масштаб осей определяется установками соответствующих каналов. В режимах А/В и В/А можно наблюдать частотные и фазовые сдвиги (фигуры Лиссажу), петли гистерезиса, вольтамперные характеристики и т.д.
Управление каналами А и В
Две нижние части панели осциллографа являются полями управления отображением сигналов, поданных на входы каналов А и В соответственно,
Верхнее окно в поле позволяет управлять масштабом оси отображаемого напряжения по вертикальной или горизонтальной оси. Цена деления может дискретно устанавливаться от 10–12 В/дел до 10+12 кВ/дел. Масштаб для каждой оси устанавливается отдельно. Чтобы получить удобное для работы изображение на экране осциллографа, перед началом эксперимента установите масштаб, соответствующий ожидаемому напряжению.
Например, при подаче на вход переменного сигнала амплитудой 3 вольта установите масштаб вертикальной оси 1В/дел.
Ниже расположено поле, которое позволяет дискретно сдвигать ось Х вверх или вниз. Для того, чтобы развести изображения от каналов А и В, воспользуйтесь сдвигом по оси У (У pos ) для одного или двух каналов.
Три нижние кнопки реализуют различные режимы работы осциллографа. Режим работы осциллографа с закрытым входом устанавливается нажатием на кнопку АС. В этом режиме на вход не пропускается постоянная составляющая сигнала. При нажатии на кнопку DС осциллограф переходит в режим с открытым входом. В этом режиме на вход осциллографа пропускаются как постоянная, так и переменная составляющие сигнала. При нажатии па кнопку 0 вход осциллографа соединяется с общим выводом осциллографа, что позволяет определить положение нулевой отметки по оси У.
Управление синхронизацией
Правое поле управления Тrigger (синхронизация) определяет момент начала отображения осциллограммы на экране осциллографа. Первоначально луч
располагается в левой части экрана и не перемещается, пока осциллограф не получит сигнала синхронизации. После получения сигнала луч начинает движение вправо и рисует на экране видимую линию. Достигнув правой части экрана, луч автоматически перемещается в его левую часть. Затем он останавливается и больше не двигается, пока не получит новый сигнал синхронизации. Кнопки в строке Запуск задают момент запуска осциллограммы по фронту, или по срезу, импульса.
Рис. 10.11. Поле управления синхронизацией
Строка Уровень позволяет задавать уровень, при превышении которого происходит запуск осциллограммы. Значение уровня можно сдвинуть на 3 деления вниз или вверх.
Осциллограф имеет три режима синхронизации, – автоматический, нормальный (обычный) и однократный.
1.Автоматический режим (Авто) – запуск осциллограммы производится автоматически при подключении осциллографа к схеме. Когда "луч" доходит до конца экрана, осциллограмма снова прописывается с начала экрана (новый экран).
Запуск может быть по входу "А" или "В", в которых запускающим сигналом является сигнал, поступающий на соответствующий вход.
Запуск может быть внешним (Внеш.). В этом случае сигналом запуска является сигнал, подаваемый на вход синхронизации.
2.Режим обычный (Норм). В этом режиме осциллограмма на экране неподвижна.
3.Режим одноразовый (Одн.). Данный режим работает аналогично режиму Норм, за исключением того, что на экране формируется только одна кривая,
апотом луч отключается.
На экране осциллографа видны два курсора – красный (курсор 1) и синий (курсор 2), при помощи которых можно измерить мгновенные значения напряжений в любой точке осциллограммы. Для этого просто перетащите мышью курсоры за треугольники в их верхней части в требуемое положение. Координаты точек пересечения первого курсора с осциллограммами отображаются на табло (рис. 10.12). Т1 и Т2 – это координаты курсоров 1 и 2 соответственно. В
столбце время приведены координаты каждого курсора по времени. В поле Т2– Т1 показана разность значений напряжений курсоров 2 и 1.
Рис. 10.12. Табло информации о курсорах
Функциональный генератор
Функциональный генератор является идеальным источником напряжения, генерирующим напряжения синусоидальной, прямоугольной и треугольной форм. Его уменьшенное и увеличенное изображения приведены на рис. 10.13.
Средний зажим генератора (Общий) при подключении к схеме обеспечивает общую точку для отсчета амплитуды переменного напряжения.
Рис. 10.13. Уменьшенное и увеличенное изображения функционального генератора
Для отсчета напряжения относительно нуля общий вывод заземляется. Напряжение на левом выводе принимается положительным, на правом — отрицательным
Графопостроитель, или боде-плоттер
Зависимость амплитуды сигнала на элементе электрической цепи или устройства от частоты называют амплитудно-частотной характеристикой (АЧХ). Зависимость фазы сигналов от частоты — фазо-частотной характеристикой (ФЧХ). Боде-плоттер осуществляет измерение сигналов в двух точках схемы и фазовый сдвиг между этими сигналами. Его уменьшенное и увеличенное изображения приведены на рис. 10.14.
Для измерений боде-плоттер генерирует собственный сигнал в спектре частот, который задается при настройке виртуального прибора. Боде-плоттер имеет два входных (Вх) и двавыходных (Вых) зажима.