Если у вас возникли сложности с курсовой, контрольной, дипломной, рефератом, отчетом по практике, научно-исследовательской и любой другой работой - мы готовы помочь.
Предоплата всего
Подписываем
1. МЕТОДИЧЕСКИЕ УКАЗАНИЯ К ВЫПОЛНЕНИЮ
ВИРТУАЛЬНЫХ ЛАБОРАТОРНЫХ РАБОТ
Виртуальное моделирование осуществляется с помощью пакета расширения Simulink, входящих в комплекс математического пакета MatLab.
Математическая модель представляет собой набор взаимосвязанных блоков, включающих в себя электрические элементы и измерительные приборы.
1.1. Общие рекомендации к выполнению виртуальных
практических работ
Перед выполнением работ все студенты должны изучить правила техники безопасности применительно к центру компьютерных технологий, для чего преподавателем проводится инструктаж. Краткий инструктаж проводится также перед каждым занятием.
При подготовке к практической работе необходимо:
1) ознакомиться с ее содержанием и, пользуясь рекомендованной
литературой и конспектом лекций, изучить теоретические положения, на которых базируется работа;
2) выполнить предварительные расчеты и построения, указанные в
задании для своего варианта;
3) изучить схему виртуальной модели и продумать методику
выполнения практической работы;
4) ответить на контрольные вопросы.
Перед выполнением каждой практической работы необходимо сдать коллоквиум и представить отчет по предыдущей работе.
1.2. Краткие рекомендации по работе с математического пакетом MatLab+Simulink
Запуск MatLab и открытие файла
Для запуска программы, необходимо щелкнуть два раза правой клавишей мыши на пиктограмму «MatLab» , расположенную на рабочем столе. Далее в меню «File» (Файл) выбрать пункт «Open» (открыть) (рис. 1) или нажать на кнопку «Открыть модель», расположенную на панели инструментов (рис. 2).
В открывшемся диалоговом окне найти и выбрать необходимый файл, после чего нажать кнопку «Открыть».
Рис. 1. Диалоговое окно программы MatLab
Рис. 2. Фрагмент панели инструментов
Аналогичный результат можно получить при двойном (или
одинарном – в зависимости от настроек компьютера) щелчке левой
кнопки мыши по выбранному файлу с расширением «.mdl».
Ввод и изменение параметров блоков Simulink и SimPowerSystems
Функции, которые выполняет любой блок из библиотек MatLab, зависят как непосредственно от назначения блока, так и от установленных значений в окне параметров этого блока. Установка этих значений осуществляется в окне настройки, которое вызывается после двойного щелчка левой кнопки мыши на изображении блока в блок-схеме [4, 5].
У каждого блока есть имя, соответствующее его функциональному назначению. С учетом возможностей математического пакета Matlab имена блоков рекомендуется давать на английском языке или латинскими буквами. Обозначения, принятые на блок-схемах, приведены в скобках при описании каждой виртуальной модели.
При вводе численных параметров в блоках MatLab дробная часть от числа отделяется точкой.
Запуск расчета модели
Запустить расчет модели позволяет кнопка «Пуск» , расположенная на панели инструментов (рис. 1). После запуска процесса моделирования данная кнопка преобразуется в кнопку – «Пауза» , а кнопка «Стоп» , расположенная рядом, становится активной. В нижней части окна моделирования при этом можно увидеть индикаторы хода расчета – секундный и графический (рис. 3). Здесь же отображается метод расчета. Например, ode23tb соответствует методу Рунге-Кутта 2 порядка [4, 5].
Рис. 3. Индикатор хода расчета
Редактирование осциллограмм в среде MatLab+ Simulink
Электронный осциллограф (блок Scope) предназначен для вывода на экран компьютера графика входного сигнала в функции времени. Если на вход прибора подается сигнал XВХ, то на экране представляется зависимость XВХ = f(t).
Открывается окно Scope двойным щелчком левой клавиши мыши по его изображению (по аналогии с любым другим блоком). Виртуальный экран осциллографа имеет вид показанный на рис. 4.
Рис. 4. Внешний вид экрана виртуального осциллографа
Размер и пропорции окна можно изменять произвольно, используя курсор мыши.
По оси ординат шкалы измерений откладываются значения
наблюдаемой (входной) величины, по оси абсцисс – значения модельного времени.
Если входная величина блока Scope является вектором, то в окне строятся графики изменения всех элементов этого вектора. В этом случае для каждого элемента вектора в окне строится отдельная кривая, отражающая динамику его изменения. Выводимые кривые различаются цветом, который устанавливается автоматически. Одновременно в окне Scope может отображаться до 30 кривых.
Для управления параметрами окна Scope в нем имеется панель меню, содержащая одиннадцать кнопок (рис. 5).
Рис. 5. Панель инструментов управления осциллографом
На рис. 5 приняты следующие обозначения кнопок управления:
1 – печать содержимого окна Scope;
2 – вызов диалогового окна настройки параметров блока Scope;
3 – изменение масштаба осей графика;
4 – изменение масштаба по оси абсцисс;
5 – изменение масштаба по оси ординат;
6 – автоматическая установка оптимального масштаба осей
(автошкалирование);
7 – сохранить текущие параметры настройки осей;
8 – восстановить сохраненные параметры настройки осей;
9 – плавающая граница;
10 – разблокировать выбор осей;
11 – выбор сигнала.
Кнопки 3 – 5 являются альтернативными, т.е. в каждый момент
времени может быть нажата только одна из них. Кнопки недоступны до тех пор, пока в окне Scope не отобразится график.
Кнопки 10 и 11 становятся активными при нажатии кнопки 9.
Для изменения масштаба по выбранной оси координат необходимо выполнить следующие действия:
– нажать соответствующую кнопку изменения масштаба;
– подвести курсор мыши к тому участку графика, который должен
быть отображен в новом масштабе;
– нажать один раз левую кнопку мыши.
Первое нажатие левой кнопки мыши приводит к четырехкратному увеличению масштаба, каждое последующее дает увеличение масштаба в два раза.
Можно также растянуть необходимый участок по любой из осей. Для этого:
– нажать соответствующую кнопку изменения масштаба (по оси Х
или Y)
– подвести курсор мыши к тому участку графика, который должен
быть отображен в новом масштабе;
– нажать левую кнопку мыши и, не отпуская ее, выделить отрезок
(движением курсором мыши вверх/вниз или влево/вправо по оси Y или Х), который необходимо растянуть.
Нажатие два раза левой кнопки мыши (в любой точке графика) приводит к возвращению автомасштаба графика, т.е. результат получается, аналогичен действию кнопки 6 (см. рис. 5).
Некоторые настройки осциллограммы (в частности уменьшение масштаба, автомасштаб, сохранение текущих параметров настроек осей, выбор сигнала и свойства осей), могут быть также выполнены с помощью команд контекстного меню, которое вызывается на экран щелчком правой кнопки мыши, курсор мыши следует устанавливать непосредственно на осциллограмму (рис. 6). Первые три команды этого окна становятся активными только после изменения масштаба графика.
или
Рис. 6. Окно масштабирования и выбора свойств графика блока Scope
Причем если на экране виртуального осциллографа изображено несколько графиков один под другим (см. рис. 4), то контекстное меню и сделанные в нем настройки (см. рис. 6) отображаются непосредственно на том из графиков осциллографа, на котором был установлен курсор мыши.
Команда «Уменьшить» – при ее выборе возвращает предыдущий (последний) масштаб графика, т.е. изменяется масштаб на один шаг назад.
Действия команд «Автомасштаб», «Сохранить текущие
параметры …» и «Выбор сигнала» аналогичны нажатию кнопок 6, 7 и 11 соответственно (см. рис. 5).
Команда «Выбор Сигнала» становится активной при работе
осциллографа в режиме Floating Scope (с «плавающей» границей).
Выбор команды «Свойства осей…» открывает окно представленное на рис. 7. В окне устанавливаются верхняя (Ymax) и нижняя (Ymin) границы оси ординат, а также заголовок графика. Заголовок будет отображаться (при нажатии кнопки ОК или Принять) непосредственно в окне Scope над изображением соответствующего графика. Название графика следует написать вместо надписи «%<SignalLabel>».
Внимание! В названии графиков рекомендуется использовать только латинские буквы!
Рис. 7. Окно задания свойства осей блока Scope
При щелчке по кнопке Параметры (Properties) открывается окно параметры осциллографа (Properties Scope), содержащее две вкладки (рис. 8).
а) б)
Рис. 8. Параметры блока Scope
Первая вкладка – Основное окно (General) (рис. 8 а) – содержит элементы для управления форматом вывода графиков:
– текстовое поле «Число осей» (Numbers of axes) предназначено для ввода числа подокон (графиков), создаваемых в окне Scope; оси Y всех создаваемых графиков являются независимыми по отношению друг к другу, а для формирования координаты Х используются одни и те же моменты модельного времени. Одновременно с вводом этого параметра изменяется количество входов блока Scope.
Внимание! Для наглядности результата рекомендуется на одном осциллографе выводить не более 5 графиков!
– текстовое поле «Диапазон» (Time range), где указывается верхнее граничное значение диапазона по оси модельного времени (оси Х).
Если задано не числом, а ключевым словом «auto», то граничное значение времени совпадает с конечным значением модельного времени, установленного для сеанса моделирования.
Можно также задать любой меньший диапазон. Причем если величина заданного интервала моделирования не превышает
установленного в этом поле значения (то есть весь процесс «умещается» в окне Scope), то под графиком в строке Time offset (Сдвиг по времени) выводится значение 0.
Если же интервал моделирования превышает установленное значение, то в окне Scope отображается только график, соответствующий последнему отрезку времени. При этом в строке Time offset выводится величина «скрытого» интервала времени.
Параметр – Метки осей (Tick labels) – задает вид оформления осей в графиках окна Scope. Возможны варианты:
− отображаются все оси, т.е. (деления по горизонтальным осям (Х)
будут наноситься вдоль каждой из осей всех графиков, хотя масштаб по осям Х одинаковый);
− нет осей и надписей на них, т.е. оси графика не отображаются, и
график занимает всю рабочую область окна;
− отображается только одна нижняя ось Х, деления по горизонтальным осям остальных графических полей (если их несколько) будут отсутствовать.
Построение графических зависимостей в функции Y = f(Х)
Блок XY Graph обеспечивает построение двумерных графиков произвольных величин (по осям Х и Y) (рис. 9).
Блок XY Graph имеет два входа, первый из которых предназначен для ввода аргумента (ось Х), второй – для ввода значений функции этого аргумента (ось Y).
Окно XY Graph, в котором непосредственно отображается
зависимость Y = f(X) открывается автоматически при запуске модели.
Двойной щелчок левой кнопкой мыши на изображении блока (предварительно помещенного из библиотеки в окно блок-схемы), открывает окно настройки параметров блока XY Graph (см. рис. 9).
Рис. 9. Внешний вид окна настройки блока XY Graph
Окно настройки параметров блока XY Graph включает в себя:
• диапазоны осей графика (X-min, Х-mах – для оси абсцисс и Y-min, Y-max – для оси ординат);
• шаг модельного времени (Sample time), по умолчанию его значение равно «–1». Это обозначает, что величина шага блока XY Graph, совпадает с шагом установленным для модели в целом, либо со значением одноименного параметра предшествующего блока.
Блок Display
Блок Display предназначенный для отображения (вывода на экран) численных значений величин, фигурирующих в модели.
Блок имеет 4 параметра настройки (рис. 10):
1. Format – с помощью выпадающего меню задает формат вывода, содержащего 5 пунктов: short, long, short_e, long_e, bank;
2. Decimation (Прореживание) – определяет периодичность вывода значений в окне Display. При значении 1 блок Display выводит все данные вектора, при значении 2 – каждый второй, при 3 – каждый третий элемент вектора и т.д.;
3. Переключатель Floating display (Подвижное отображение) позволяет указывать способ использования блока Display в блок- диаграмме – аналогично блоку Floating Scope;
4. Поле Sample Time задает величину шага модельного времени, т.е. дискретность вывода данных в окно Display. Данный параметр используется только для дискретных во времени процессов. По умолчанию его значение установлено равное «–1», для непрерывных процессов и блоков изменять не рекомендуется.
Рис. 10. Внешний вид окна настройки блока Display
Дисплей обеспечивает динамическое отображение данных, то есть можно наблюдать их изменение в процессе моделирования.
1.3. Рекомендации по работе с графической средой Paint
Полученные в процессе виртуального моделирования зависимости (временные или одной величины от другой) удобно обрабатывать в графическом редакторе Paint, который является стандартным приложением среды Windows.
Для этого необходимо выполнить следующие действия:
1. В среде MatLab преобразовать графическое изображение к необходимому виду. Менять внешний вид изображения в соответствии с рекомендациями описанными выше. Например, оставить два полных последних периода (режим близкий к установившемуся).
2. Скопировать все изображение с экрана монитора в буфер с помощью клавиши «Print Screen» на клавиатуре.
3. Открыть редактор «Paint» щелкнув на ярлычок расположенный, на рабочем столе или зайти в меню «Пуск → Программы → Стандартные → Paint».
4. Из буфера вставить в Paint изображение, выбрав команду «Правка → Вставить», расположенную в верхней части окна редактора Paint (рис. 11).
Рис. 11. Панель инструментов графической среды Paint
5. Для удобства, графическое изображение на черном фоне можно инвертировать (в первую очередь это относится к временным диаграммам). Для этого в верхней части окна редактора Paint выбрать команду «Рисунок → Обратить цвета» (рис. 12).
Рис.12. Внешний вид вкладки «Рисунок» на панели инструментов
6. Оставшийся серый фон также можно сделать белым, если нажать на кнопку Заливка , расположенную на боковой панели инструментов и выбрать цвет заливки – белый, щелкнув на соответствующий цвет на палитре цветов (рис. 13), расположенной в нижней части экрана графического редактора.
Рис. 13. Палитра цветов редактора Рaint
Затем курсор мыши (преобразовавшийся к виду ) установить на область, цвет которой следует изменить и щелкнуть правой кнопкой мыши.
7. Выделить необходимую часть графического изображения можно, нажав на кнопку «Выделить» или «Выделение произвольной области» , которые расположены на боковой панели графического редактора Paint.
8. Скопировать выделенную часть графического изображения позволяет команда «Правка => Копировать», расположенная в верхней части окна редактора Paint.
9. Для сравнения полученных результатов в процессе разных опытов некоторые осциллограммы (по указанию преподавателя) удобно располагать на одних осях координат. С этой целью оказывается удобен прозрачный фон, который можно установить в окне графического
редактора Paint с помощью нажатия на нижнюю кнопку, расположенной на боковой панели. Для возврата к белому фону следует нажать на верхнюю кнопку. Данные кнопки становятся активны при предварительном нажатии на одну из кнопок «Выделение» или «Выделение произвольной области».
Аналогичные действия можно выполнить, если в верхней части окна редактора Paint выбрать команду «Рисунок → Непрозрачный фон» (см. рис. 12).
10. При отсутствии необходимой панели с инструментами на экране графического редактора ее следует активизировать, пометив галочкой в меню Вид (рис. 14).
Рис. 14. Панель инструментов редактора Paint
11. Удалить часть изображения поможет кнопка «Ластик».
При выборе какого-либо другого цвета, кроме белого, из палитры
цветов, расположенной в нижней части экрана графического редактора, ластик оставляет за собой цветной след.
12. Остальные кнопки из набора инструментов имеют следующее функциональное назначение:
– выбор цветов – по выполняемым функциям это кнопка противоположна и используется в паре с кнопкой Заливка ; – изменение масштаба, – карандаш для рисования; – кисть; – распылитель; – надпись (доступна только при выбранном масштабе
1:1); – прямая и волнистая линия; – прямоугольник и многоугольник; – овал и скругленный прямоугольник.
1.4. Оформление отчетов по виртуальным лабораторным работам
В отчете должна быть представлены следующие материалы:
1. Заголовок.
2. Цель работы.
3. Исходные данные по варианту.
4. Предварительное домашнее задание (для своего подварианта).
5. Схемы эксперимента: принципиальные схемы и виртуальные модели (для своего подварианта).
6. Обработанные осциллограммы и таблицы результатов измерений. Выводы по каждому пункту исследований.
7. Заключение. Обобщающие выводы, в том числе выводы о
причинах различий значений рассчитанных и полученных
экспериментально (анализ экспериментальных данных, вида кривых, причин погрешностей и т.д.).
Не допустимо оформлять отчет карандашом, исключение составляют графики и принципиальные схемы. Отчет может быть напечатан на принтере.
На всех графиках приводят название, обозначают, к какому опыту они относятся, и указывают постоянные величины, определяющие условия опыта. На осях координат следует указать, какая величина по ним отложена, в каких единицах она измеряется.
2. КОМПЛЕКС ВИРТУАЛЬНЫХ ЛАБОРАТОРНЫХ РАБОТ
Работа №1. Исследование однофазных неуправляемых
Выпрямителей
Цель работы: исследование электромагнитных процессов и основных соотношений в неуправляемых выпрямителях, выполненных по однофазной однополупериодной и однофазной мостовой схемам при работе на различные виды нагрузки. Приобретение навыков анализа схем силовой электроники с помощью математического пакета MatLab+Simulink.
Описание виртуальных моделей
Принципиальная схема однофазного однополупериодного
неуправляемого выпрямителя, его схема замещения, а также виртуальная модель, предназначенная для исследования, изображены на рис. 1.
В комплект виртуальной модели входят следующие блоки: источник ЭДС (Е2), выпрямительный диод (Diode), нагрузка (Rd, Ld, E), датчики напряжения и тока (Dat e2, Dat u2, Dat ia, Dat ua, Dat id, Dat ud), осциллограф (Scope), блоки разложения в ряд Фурье (Fourier Ud, Fourier Id, Fourier Ia) и дисплей (Display).
Перечисленные блоки имеют следующие назначения и изменяемые параметры:
1) источник синусоидальной ЭДС (Е2) – имитирует ЭДС на вторичной стороне трансформатора.
Изменяемый параметр блока:
– амплитуда ЭДС на вторичной стороне трансформатора. Установить действующее значение ЭДС Е2 в соответствии с таблицей вариантов и умножить на ;
2) активное сопротивление (ra), позволяет учесть активное
сопротивление обмоток трансформатора, приведенное к его вторичной стороне. Вводится в схему студентами самостоятельно. Установить сопротивление ra = 10 Ом;
3) выпрямительный диод (Diode). Изменяемые параметры блока:
– дифференциальное сопротивление вентиля во включенном состоянии rд (Resistance Ron (Ohms)). Установить rд = 1 Ом);
– пороговое напряжение вентиля U0 (Forward voltage Vf (V)).
Установить U0 = 0,8 В;
– начальный ток, протекающий через диод (Initial current Ic (A)).
Установить Ic = 0 A);
– индуктивность вентиля во включенном состоянии (Inductance Lon
(H)). Установить Lon = 0 Гн;
– демпфирующая цепь (Snabber) – цепь, состоящая из последовательно включенных активного сопротивления Rs и конденсатора Cs. Эта схема подключается параллельно диоду. Установить Rs = 106 Ом, Cs = inf (емкость равна бесконечности, что соответствует перемычке в схеме). Ввод таких параметров имитирует обратное сопротивление диода;
Надо нарисовать в компасе
а) б)
в)
Рис. 1. Принципиальная схема (а), схема замещения (б) и виртуальная модель (в) однофазного однополупериодного неуправляемого выпрямителя
4) нагрузка (Rd, Ld, E) состоит из двух последовательно соединенных блоков: активно-индуктивной нагрузки (Rd, Ld) и противо-ЭДС (E). Для выбора параметра активно-индуктивной части нагрузки необходимо дважды щелкнуть по блоку Rd, Ld и в раскрывающейся вкладке «Branch type» установить параметры R, L. Для выбора противо-ЭДС необходимо дважды щелкнуть по блоку Е.
В зависимости от установленных параметров меняется характер нагрузки:
– активная, если Ld = 0, E = 0; Rd – установить в соответствии с
заданным вариантом (см. таблицу вариантов);
– активно-индуктивная, если E = 0; Rd – установить в соответствии с заданным вариантом (см. таблицу вариантов). Для расчета Ld индуктивное сопротивление Хd принять равным Rd (см. примечание 2 после таблицы вариантов);
– активно-индуктивная с противо-ЭДС – Rd, Ld, Е – установить в
соответствии с заданным вариантом и примечанием 3 к таблице вариантов.
5) датчик напряжения (Dat е2) – позволяет осциллографировать ЭДС на вторичной стороне трансформатора;
6) датчик напряжения (Dat u2) – позволяет осциллографировать напряжение на вторичной стороне трансформатора;
7) датчик тока (Dat ia) и датчик напряжения (Dat uа) – позволяют осциллографировать анодный ток диода и напряжение на вентиле (анодное напряжение);
8) датчик тока (Dat id) – позволяет осциллографировать
выпрямленный ток, протекающий через нагрузку;
9) датчик напряжения (Dat ud) – позволяет осциллографировать выпрямленное напряжение;
10) осциллограф (Scope) – блок, позволяющий наблюдать
осциллограммы мгновенных значений токов и напряжений.
11) блоки разложения в ряд Фурье (Fourier Ud, Fourier Id, Fourier Ia)
– предназначенные для выделения основной составляющей (среднее
значение) из мгновенных значений напряжения и токов:
Fourier Ud – среднее значение выпрямленного напряжения;
Fourier Id – среднее значение выпрямленного тока;
Fourier Ia – среднее значение анодного тока.
Для корректности работы схемы и исключения появления сообщения об ошибке в схеме не используемые выходы рекомендуется подключать к блокам Terminator.
12) дисплей (Display) – блок, предназначенный для цифрового отображения средних значений напряжения и тока, снимаемых с блоков разложения в ряд Фурье (Ud, Id, Ia).
Принципиальная схема однофазного неуправляемого выпрямителя, выполненного по мостовой схеме, его схема замещения, а также виртуальная модель, предназначенная для исследования, изображены на рис. 2.
В комплект виртуальной модели входят следующие блоки: источник ЭДС (Е2), трансформатор (TR), диодный мост (Universal Bridge), нагрузка (Rd, Ld, E), датчики напряжения и тока (Dat е2, Dat u2, Dat i2, Dat id,Dat ud), мультиметр (Multimeter), осциллограф (Scope), блоки разложения в ряд Фурье (Fourier Ud, Fourier Id, Fourier Ia) и дисплей (Display).
Перечисленные блоки имеют следующие назначения и изменяемые параметры:
1) источник синусоидальной ЭДС (Е2) – имитирует ЭДС на вторичной стороне трансформатора. Установить действующее значение ЭДС Е2 в соответствии с таблицей вариантов и умножить на ;
2) трансформатор (TR) – блок, реализованный на базе RL – цепи; имитируется схема замещения трансформатора, приведенного ко вторичной стороне. Изменяемые параметры блока:
– индуктивность рассеяния трансформатора установить La=0,03Гн;
– активное сопротивления обмоток трансформатора, приведенное ко вторичной стороне. Установить ra = 10 Ом;
рисовать
а) б)
Рис. 2. Принципиальная схема (а), схема замещения (б) и виртуальная модель (в) неуправляемой однофазной мостовой схемы выпрямления
3) диодный мост (Universal Bridge) – блок, имитирующий
однофазную мостовую схему выпрямления. Изменяемые параметры блока:
– тип силового полупроводникового элемента (Power Electronic
device) – установить – диод (Diodes);
– количество плеч универсального моста (Numbers of bridge arms) –
установить равное 2;
– демпфирующая цепь (Snubber) – цепь, состоящая их последовательно включенных активного сопротивления Rs и конденсатора Cs. Эта схема подключается параллельно диодам – установить Rs = 106 Ом, Cs = inf (емкость равна бесконечности, что соответствует перемычке в схеме). Ввод таких параметров имитирует обратное сопротивление диодов.
– дифференциальное сопротивление вентиля во включенном состоянии (Resistance Ron (Ohms)). Установить rд = 1 Ом;
– индуктивность вентиля во включенном состоянии (Inductance Lon
(H)). Установить Lon = 0 Гн;
– пороговое напряжение вентиля U0 (Forward voltage Vf (V)). Установить U0 = 0,8 В;
4) нагрузка (Rd, Ld, E) состоит из двух последовательно
соединенных блоков: активно-индуктивной нагрузки (Rd, Ld) и противо-ЭДС (E). Для выбора параметра активно-индуктивной части нагрузки необходимо дважды щелкнуть по блоку Rd, Ld и в раскрывающейся вкладке «Branch type» установить параметры R, L. Для выбора противо- ЭДС необходимо дважды щелкнуть по блоку Е.
В зависимости от установленных параметров меняется характер нагрузки:
– активная, если Ld = 0, E = 0; Rd – установить в соответствии с
заданным вариантом (см. таблицу вариантов);
– активно-индуктивная, если E = 0; Rd – установить в соответствии с заданным вариантом (см. таблицу вариантов). Для расчета Ld индуктивное сопротивление Хd принять равным Rd (см. примечание 2 после таблицы вариантов);
– активно-индуктивная с противо-ЭДС – Rd, Ld, Е – установить в
соответствии с заданным вариантом и примечанием 3 к таблице вариантов.
5) датчик напряжения (Dat е2) – позволяет осциллографировать ЭДС на вторичной стороне трансформатора;
6) датчики напряжения и тока (Dat u2, Dat i2) – позволяют
осциллографировать напряжение и ток на вторичной стороне
трансформатора (на входе блока вентилей);
7) датчики напряжения и тока (Dat ud, Dat id) – позволяют
осциллографировать выпрямленное напряжение и выпрямленный ток;
8) мультиметр (Multimeter) – блок, позволяющий измерять все токи и напряжения в схеме. В однофазной мостовой схеме выпрямления измеряет все токи и напряжения блока диодный мост (Universal Bridge);Во вкладке «Measurements» выбрать «All voltages and currents», что обозначает измерение всех токов и напряжений в блоке Universal Bridge. С помощью блока мультиметр (Multimeter) можно передать их на осциллограф.
9) осциллограф (Scope) – блок, позволяющий наблюдать
осциллограммы мгновенных значений токов и напряжений, снимаемых со всех датчиков напряжения и тока, а также мультиметра.
10) блоки разложения в ряд Фурье (Fourier Ud, Fourier Id, Fourier Ia)
– предназначенные для выделения основной составляющей (среднее
значение) из мгновенных значений напряжения и токов:
Fourier Ud – среднее значение выпрямленного напряжения;
Fourier Id – среднее значение выпрямленного тока;
Fourier Ia – среднее значение анодного тока.
11) дисплей (Display) – блок, предназначенный для цифрового отображения средних значений напряжения и тока, снимаемых с блоков разложения в ряд Фурье (Ud, Id, Ia).
Предварительное домашнее задание
а) изучить темы курса «Однофазные выпрямители» [1 (4.1 – 4.2)] и содержание данной работы, быть готовым ответить на все контрольные вопросы;
б) для чисто активной нагрузки построить в масштабе временные диаграммы вторичной ЭДС е2, выпрямленного напряжения ud, анодного тока ia и напряжения на вентиле ua . Действующее значение ЭДС E2 взять из таблицы вариантов. Вентиль считать идеальным;
в) определить значения напряжений и токов приведенные в табл. 1 для однофазной однополупериодной или мостовой схемы выпрямления в соответствии с подвариантом;
г) для активной нагрузки с противо-ЭДС построить в масштабе временные диаграммы ЭДС е2, выпрямленного напряжения ud, анодного тока ia и напряжения на вентиле ua . Действующее значение ЭДС E2 взять из таблицы вариантов. Вентили считать идеальными.
д) по построенным в п. г) временным диаграммам определить амплитудные значения напряжений и токов в схеме.
Таблица 1-Основные соотношения для однофазных выпрямителей
|
Однополупериодный выпрямитель |
Мостовой выпрямитель |
|
|
Среднее значение идеального выпрямленного напряжения |
||
где U2m – амплитуда напряжения на вторичной стороне трансформатора.
U2m = 2 ⋅U2 (2)
U2 – действующее значение напряжения на вторичной стороне трансформатора.
Амплитуда выпрямленного напряжения
Ud max =U2m =π ⋅Ud 0 Ud max =U2m =π ⋅Ud 0 / 2 (3)
Амплитуда выпрямленного тока
Id max =π ⋅ Id Id max =π ⋅ Id / 2 (4)
Среднее значение выпрямленного тока
d
d
d R
I = U 0 (5)
Среднее и амплитудное значение анодного тока
Ia = Id , Iamax = Id max =π ⋅ Id
Ia = Id / 2,
Iamax = Id max / 2 =π ⋅ Id / 2
(6)
Амплитуда обратного напряжения на вентиле
Uamax =U2m = 2 ⋅U2 =π ⋅Ud 0 Uamax = 2⋅U2m = 2 2 ⋅U2 =π ⋅Ud 0 (7)
Результаты предварительных расчетов занести в таблицу 2, в отчете
сравнить с результатами, полученными экспериментальным путем.
Таблица 2
Результаты предварительных расчетов и измерений
Пара-
метры
Однополупериодный выпрямитель Мостовой выпрямитель
Предв.
расчет
Rd=
Нагрузка Влияние Предв.
расчет
Rd=
Нагрузка Влияние
Rd= Rd=
Ld=
Rd=
Ld=
E=
ra= Ld= Rd= Rd=
Ld=
Rd=
Ld=
E=
La= Ld =
Ud0
U2m
Udmax
Idmax
Id
Ia
Uamax
Программа исследования схем однофазных неуправляемых
выпрямителей
1. Исследование модели однополупериодного неуправляемого
выпрямителя:
1.1. Изучение модели и ввод параметров для номинального режима.
1.2. Осциллографирование и измерение электрических величин при
различных видах нагрузки.
1.3. Исследование влияния параметров элементов схемы на вид
осциллограмм и результаты измерений.
2. Исследование модели однофазного мостового неуправляемого
выпрямителя:
2.1. Изучение модели и ввод параметров для номинального режима.
2.2. Осциллографирование и измерение электрических величин при
различных видах нагрузки.
2.3. Исследование влияния параметров элементов схемы на вид
осциллограмм и результаты измерений.
3. Составление отчета.
Экспериментальное исследование
1. Исследование модели однополупериодного неуправляемого
выпрямителя:
1.1. Изучение модели и ввод параметров для номинального режима.
а) запустить программу «MatLab»;
б) открыть файл «neupr_odnopolup.mdl». После открытия на экране
появится виртуальная модель неуправляемого выпрямителя,
представленная на рис. 1 в;__
в) установить все необходимые параметры в блоках, в соответствии с
приведенным выше описанием модели однофазного однополупериодного
неуправляемого выпрямителя.
1.2. Осциллографирование и измерение электрических величин при
различных видах нагрузки.
а) запустить расчет модели (см. общие рекомендации к выполнению
виртуальных лабораторных работ, приведенные в главе 1);
б) снять осциллограммы мгновенных значений токов и напряжений
для активной нагрузки. Для этого после окончания расчета модели
(пусковая кнопка вновь приняла вид треугольника ) направить курсор
мыши на блок (Scope) и щелкнуть два раза левой кнопкой мыши. После
этих действий появится окно, имитирующее экран реального
осциллографа, содержащего пять каналов.
Осциллограммы можно растягивать по осям X и Y или менять
масштаб осей, используя методику, приведенную в общих рекомендациях
к виртуальным лабораторным работам.
Добившись нужного изображения (два полных периода в конце
осциллограммы – в установившемся режиме), обработать эти
осциллограммы с помощью графической среды «Paint». Полученный
рисунок нужно сохранить в предварительно созданной папке. Некоторые
пояснения к работе в Paint приведены также в общих рекомендациях к
виртуальным лабораторным работам;
Записать показания измерительных приборов (в табл. 2) и сравнить их
с расчетными;
в) аналогичным образом снять и сохранить осциллограммы,
полученные при расчете с другим характером нагрузки: активно-
индуктивным и при работе выпрямителя на противо-ЭДС. Параметры
нагрузки при этом устанавливать в соответствии с рекомендациями,
приведенными в описании к виртуальным моделям. Объяснить внешний
вид полученных осциллограмм. Записать показания измерительных
приборов (в табл. 2) и сравнить их с показаниями при активной нагрузке;
1.3. Исследование влияния параметров элементов схемы на вид
осциллограмм и результаты измерений.
а) включить в схему последовательно с ЭДС Е2 сопротивление ra (по
указанию преподавателя), исследовать его влияние на осциллограммы и
результаты измерений;
б) увеличить индуктивность нагрузки в 2 раза и исследовать влияние
на осциллограммы и результаты измерений.__
2. Исследование модели однофазного мостового неуправляемого
выпрямителя
2.1. Изучение модели и ввод параметров для номинального режима.
а) открыть файлы «neupr_most.mdl». После открытия на экране
появится виртуальная модель неуправляемого мостового выпрямителя,
представленная на рис. 2 в;
б) установить все необходимые параметры в блоках, в соответствии с
приведенным выше описанием модели однофазного мостового
неуправляемого выпрямителя;
2.2. Осциллографирование и измерение электрических величин при
различных видах нагрузки.
а) запустить расчет модели;
б) снять осциллограммы мгновенных значений токов и напряжений
для активной нагрузки для мостовой схемы выпрямления.
Обработать осциллограммы по аналогии с п. 1.2.б;
в) аналогичным образом снять и сохранить осциллограммы,
полученные при расчете с другим характером нагрузки: активно-
индуктивным и/или при работе выпрямителя на противо-ЭДС (по
указанию преподавателя). Параметры нагрузки при этом устанавливать в
соответствии с рекомендациями, приведенными в описании к виртуальным
моделям. Объяснить внешний вид полученных осциллограмм, определить
режим работы в схеме (непрерывный, граничный, прерывистый). Записать
показания измерительных приборов (в табл. 2) и сравнить их с
показаниями при активной нагрузке;
2.3. Исследование влияния параметров элементов схемы на вид
осциллограмм и результаты измерений.
а) исследовать влияние параметров схемы Ld, La (см. рис. 2) на форму
выпрямленного напряжения ud и анодного тока ia, режим работы, а также
на результаты измерений;
б) назовите, какие параметры схемы нужно изменить, чтобы
изменился режим работы; произвести изменение параметра (по указанию
преподавателя), приводящие к изменению режима.
Рекомендации к оформлению отчета
Отчет к лабораторной работе в соответствии с программой
исследования должен содержать:
1. Заголовок.
2. Цель работы.
3. Исходные данные по варианту.
4. Предварительное домашнее задание (для своего подварианта).__
5. Схему эксперимента: принципиальную схему и виртуальную
модель для исследования однофазного неуправляемого выпрямителя (для
своего подварианта).
6. Осциллограммы и таблицу результатов измерений исследованных
схем:
а) для активной нагрузки;
б) для активно-индуктивной нагрузки;
в) для активно-индуктивной нагрузки с противо-ЭДС;
г) для случаев исследования влияния изменения параметров
элементов схемы, которые снимали по указанию преподавателя.
На осциллограммах отметить амплитуды и сравнить с
предварительными домашними расчетами (см. табл. 2).
Сделать выводы о причинах различия рассчитанных значений и
полученных экспериментальным путем.
7. Обобщающие выводы.
По осциллограммам и результатам измерений сравнить однофазную
однополупериодную и мостовую схемы выпрямления:
а) по качеству выпрямленного напряжения;
б) по величине выпрямленного напряжения;
в) по величине обратного напряжения (по отношению к
выпрямленному);
По осциллограммам и результатам измерений определить, на что
влияет характер нагрузки
Контрольные вопросы
1. По каким признакам классифицируются выпрямители?
2. Какова наиболее полная структурная схема выпрямителя и почему
она может упрощаться?
3. Какие схемы применяются для выпрямления однофазного тока?
4. Как работают однофазные схемы выпрямления?
5. Какие допущения принимаются при анализе схем выпрямления?
6. Какие допущения принимаются при создании схем замещения?
7. Как учитывается неидеальность вентилей?
8. Какие возможны виды нагрузок выпрямителя?
9. Как и зачем строятся временные диаграммы токов и напряжений?
10. Назовите основные величины, используемые при описании работы
выпрямителей.
11. Назовите режимы работы выпрямителя и их отличия.
12. Какова частота пульсаций в изучаемых схемах?
13. Почему и как влияет характер нагрузки на форму токов в
выпрямителе?__
14. Как определяются основные соотношения между токами и
напряжениями в схемах выпрямления?
15. Пояснить назначение блоков виртуальной модели имитирующей
однофазный однополупериодный неуправляемый выпрямитель.
16. Пояснить назначение блоков виртуальной модели имитирующей
однофазную мостовую схему выпрямления.
Таблица 3
Таблица вариантов
варианта
ЭДС на вторичной стороне
трансформатора
Активное
сопротивление
нагрузки
E2, В Rd, Oм
1, 13 51 100
2, 14 50 120
3, 15 52 140
4, 16 49 100
5, 17 54 140
6, 18 48 120
7, 19 55 140
8, 20 47 100
9, 21 44 80
10, 22 46 90
11, 23 53 100
12, 24 45 90
Примечания:
1. Студенты, получившие подвариант А, выполняют пункты 1 а, б, в
для однополупериодной схемы выпрямления; Б – пункты 1 а, б, в для
мостовой схемы выпрямления; В – пункты 1а, г, д для однополупериодной
схемы выпрямления.
2. При определении индуктивного сопротивления нагрузки принять
Xd = Rd. Тогда L Xd /ω d = Гн, где ω = 314 при частоте 50 Гц.
3. При работе на активную и активно-индуктивную нагрузку с ПЭДС
принять E = 0,95 E2, а Rd и Xd уменьшить в 10 раз по сравнению с случаем
активной или активно-индуктивной нагрузки.