Введение. Министерство образования и науки Российской Федерации

О. Д. Лобунец

ЭЛЕКТРОТЕХНИКА В ЭКСПЕРИМЕНТАХ

Министерство образования и науки Российской Федерации

Уральский федеральный университет

имени первого Президента России Б. Н. Ельцина

О. Д. Лобунец

ЭЛЕКТРОТЕХНИКА В ЭКСПЕРИМЕНТАХ

Учебное пособие

Екатеринбург

УрФУ

Научный редактор –

проф. д-р техн. наук Ф. Н. Сарапулов

УДК 621.3(076.5)

ББК 31. 2я 73-5

Л 68

Рецензенты:

кафедра общей электротехники Рос. гос. проф.-пед. ун-та;

канд. физ.-мат. наук Голобородский Б.Ю.

Научный редактор – проф. д-р техн. наук Ф.Н. Сарапулов

Лобунец О.Д.

Л 68 Электротехника в экспериментах: учебное пособие по моделированию электрических цепей в приложении Multisim 10.1.1./О.Д. Лобунец. ̶ Екатеринбург: УрФУ, 2012. ̶ 105 с.

ISBN 978-5-321-02161-3

Издание предназначено для изучения основных законов в электрических цепях постоянного и переменного тока с помощью системы схемотехнического моделирования и автоматизированного проектирования Multisim. Рассматриваются также элементы цепей, резонансные явления в электрических схемах, трехфазные цепи и переходные процессы в линейных цепях.

Учебное пособие может быть полезным студентам технических специальностей вузов, а также специалистам, занимающимся экспериментальными исследованиями и автоматизированным проектированием электротехнических и радиоэлектронных устройств.

Библиогр: 9 назв. Табл. 30. Рис. 37. Прил. 1.

УДК 621.3(076.5)

ББК 31. 2я 73-5

ISBN 978-5-321-02161-3 © УрФУ, 2012

© Лобунец О.Д., 2012

Оглавление

Предисловие ……………………………………………………………………. 5

Введение ………………………………………………………………………… 8

Глава 1. Программа Multisim 10.1.1 ………………………………………... 10

1.1. Возможности программной среды Multisim ………………………11

1. 2. Компоненты программы Multisim ………………………………...14

1. 3. Приборы программы Multisim …………………………………… 19

1. 4. Примеры моделирования схем …………………………………… 21

Глава 2. Электроизмерительные приборы и измерения ……………………...26

2.1. Амперметры и вольтметры ………………………………………... 27

2. 2. Мультиметр …………………………………………………………35

Глава 3. Линейные и нелинейные цепи постоянного тока …………………..41

3.1. Линейные электрические цепи постоянного тока ……………….. .42

3. 2. Нелинейные электрические цепи постоянного тока ……………..51

Глава 4. Электрические цепи синусоидального тока ……………………….. .57

4.1. Экспериментальное определение параметров элементов цепей переменного тока ……………………………………………………………….58

4. 2. Электрическая цепь переменного тока с последовательным соединением элементов ………………………………………………………..65

4. 3. Электрическая цепь переменного тока с параллельным соединением элементов…………………………………………………………70

Глава 5. Трехфазные электрические цепи ……………………………………76

5.1. Трехфазная цепь при соединении потребителей по схеме «звезда»…………………………………………………………………………...77

5. 2. Трехфазная цепь при соединении потребителей по схеме «треугольник» …………………………………………………………………. 82

Глава 6. Переходные процессы в цепях с одним и с двумя накопителями энергии …………………………………………………………………………..87

6.1. Переходные процессы в цепях с одним накопителем энергии …..88

6.2. Переходные процессы в цепях с двумя накопителями энергии …94

Литература ……………………………………………………………………100

Приложение …………………………………………………………………...104

Предисловие

Электротехника принадлежит к той области технических наук, в которой процессы познания и развития требуют неразрывной связи теоретического анализа и экспериментальных исследований.

Усилиями многих специалистов персональный компьютер стал основным инструментом в руках человека, который используется для проникновения в тайны природы. Более того, в настоящее время стало очевидно, что дальнейшее изучение электротехники и других наук, возникших на ее основе, практически имеет мало смысла без применения компьютерных технологий.

Настоящее пособие ориентировано на достаточно широкую аудиторию студентов и специалистов, которые занимаются исследованиями и автоматизированным проектированием электротехнических систем.

Более или менее успешные попытки компьютерного моделирования и проектирования в различных направлениях исследований и разработок предпринимались уже со времени появления вычислительных машин, которые собственно и предназначены для выполнения аналогичных функций. Однако, в известной мере, универсальная и мощная, специализированная применительно к решению задач электротехники и электроники система Electronics Workbench получила распространение только к середине девяностых годов прошедшего столетия. В последующие годы произошло дальнейшее развитие этой плодотворной системы.

Один из лидеров мирового уровня – корпорация National Instruments после присоединения к ней компании Electronics Workbench начала выпуск эффективного программного продукта Multisim, предназначенного для моделирования и разработки электрических и электронных схем, и дополнительных модулей к этому продукту. Данное программное обеспечение может быть успешно использовано, в том числе для обучения студентов электротехнике и электронике, для проектирования электрических и электронных схем, разводки монтажных плат и моделирования микропроцессорных систем.

Возможности создания эквивалентных электрических и электронных схем в программе Multisim достаточно широки, в первую очередь благодаря более объемной встроенной библиотеке компонентов и существованию возможности пополнения этой библиотеки вновь созданными, в том числе и пользователями, элементами с заданными характеристиками. Инженеры могут использовать Multisim для интерактивного создания электрических и электронных схем и моделирования различных режимов их работы. В программе Multisim имеется значительное число функций для выполнения профессионального проектирования, представляющих современные средства моделирования, что позволяет увеличить круг пользовательского сообщества.

Среда Multisim позволяет проводить сложные эксперименты, а также позволяет с небольшими затратами труда осуществлять замену компонентов схем, изменять значения их параметров, прогнозировать и отображать результаты моделирования. Студенты, освоившие программу Multisim, имеют возможность самостоятельно пройти все стадии реализации проектов электротехнических устройств и радиоэлектронной аппаратуры от разработки их схем согласно техническому заданию до тестирования готовой продукции. Проектируемые схемы могут быть частично либо полностью протестированы на любом этапе, на основе чего в них могут быть внесены необходимые изменения. Таким образом, число выявленных неисправностей на физическом уровне изготовления устройств и затраты на их устранение будут минимальными.

Совместное использование программного продукта Multisim и технологии виртуальных приборов способствует выполнению учеными-исследователями, инженерами-разработчиками, преподавателями электрорадиотехнических специальностей и студентами стоящих перед ними задач, к которым могут быть отнесены изучение теории, создание электронных моделей проектов и их испытания, разработка моделей или собственно физических прототипов, а также проведение их тестовых испытаний.

Необходимость в проведении работы по расширению применения современных программных сред в учебном процессе в вузах ощущалась на протяжении ряда последних лет. При написании данного учебного пособия использован предшествующий опыт таких известных вузов страны, как Московский государственный технический университет (МГТУ) имени Н.Э.Баумана, Московский государственный институт электронной техники (ТУ), Московский энергетический институт (ТУ), Южно-Уральский государственный университет (ЮУрГУ) и др.

Ощутимую поддержку и помощь в написании данной работы оказал профессорско-преподавательский коллектив кафедры «Электротехника и электротехнологические системы» Уральского энергетического института УрФУ, а также студенты Механико-машиностроительного, Строительного, Физико-технического, Уральского энергетического институтов УрФУ, которым автор выражает глубокую благодарность и признательность.

Введение

Работа в лаборатории считается одним из важных и обязательных компонентов процесса обучения дисциплине электротехника. Это связано с ее специфическим содержанием, объединившим научные достижения в области изучения физических явлений, главным образом электродинамических, достижения в области математики, измерительной техники, а в современном представлении ̶ также и информационных технологий.

Лабораторный практикум студентов при использовании современных информационных технологий является более безопасным, чем при работе с реальными электротехническими объектами. Однако он остается связанным с использованием в качестве первичных источников питания компьютеров электроэнергетической сети, представляющей определенную опасность для здоровья и даже жизни студентов. Поэтому перед началом работы в лаборатории проведение инструктажа по электробезопасности, а также пожарной безопасности и безопасной работе на персональных компьютерах является обязательным.

Порядок работы с приложением Multisim при выполнении установленного объема лабораторных работ в определенной степени изложен в разделах данного учебного пособия. Существует возможность получения дополнительных консультаций у преподавателей кафедры.

При проведении экспериментов их можно считать законченными, если протокол работы проверен и завизирован преподавателем, а в журнале учета сделана отметка о выполнении задания.

При оформлении отчетов по проведенным экспериментам необходимо выполнять следующие требования:

- результаты измерений выражать в международной системе единиц;

- расчеты оформлять в виде последовательной записи формул, подстановки в них значений констант и аргументов и результатов вычислений; при повторении вычислений по одной и той же формуле допускается записывать ее однократно;

- результаты вычислений заносить в приведенные в разделах учебного пособия формы таблиц;

- строить в выбранном масштабе необходимые графики и векторные диаграммы;

- делать выводы по проведенной работе и приводить письменно ответы на контрольные вопросы.

Записи в отчете должны быть разборчивыми, без сокращений, кроме общепринятых. Размеры осей графиков и диаграмм – 100 х 100 мм. Оси координат должны быть отградуированы в принятом масштабе, начиная обязательно с нуля аргумента и функции.

Отчеты хранятся у студентов до окончания цикла лабораторных работ и используются для подготовки к зачету или защите лабораторных работ.