Отчет по результатам выполнения вычислительной практики

ФЕДЕРАЛЬНОЕ АГЕНТСТВО ВОЗДУШНОГО ТРАНСПОРТА
ФЕДЕРАЛЬНОЕ ГОСУДАРСТВЕННОЕ ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ ВЫСШЕГО ПРОФЕССИОНАЛЬНОГО ОБРАЗОВАНИЯ
«МОСКОВСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ ГРАЖДАНСКОЙ АВИАЦИИ»

Кафедра вычислительных машин, комплексов, систем и сетей





Отчет защищен с оценкой
______________________
______________________
(подпись преподавателя, дата)





ОТЧЕТ
по результатам выполнения вычислительной практики
по дисциплине «Электротехника»









Выполнил студент группы ЭВМ 1-2

__________________________________
(Ф.И.О.)
__________________________________
(подпись, дата)










Москва 2014


Содержание

1. Цель проведения практики………………………………………………..
2. Задачи проведения практики……………………………………………...
3. Требования к уровню освоения содержания практики………………….
4. Разделы практики…………………………………………………………..
5. Содержание разделов практики…………………………………………...
6. Ответы на вопросы по практике………………..………………………….
7. Приложение…………………………………………………………………
























1. Цель проведения практики
- получение навыков проектирования конструкторской (сложных электрических цепей) документации и анализы ее с помощью прикладных программ ElectronicsWorkBench, Multisim, MicroCap, (демо- версий);
- научить студента выполнению основных автоматизированных расчетов сложных электрических цепей на IBMPC .

2. Задачи проведения практики
- подготовка студента для работы на промышленном предприятии.

3. Требования к уровню освоения содержания практики
- знание теоретических основ электротехники, возможность, умение проводить моделирование .

4. Разделы практики
• Правила техники безопасности при работе в лаборатории.
• Проектирование и расчет электрических принципиальных схем в ElectronicsWorkBench, MicroCap, (демо-версий) или Multisim.
• Расчет электрических принципиальных схем
a. с помощью законов Кирхгофа,
b. с помощью метода контурных токов,
c. с помощью метода узловых потенциалов

5. Содержание разделов практики
• По разделу 4.1.1 ознакомление под роспись студентов с инструкцией по технике безопасности при работе с электроинструментом.

• По разделу 4.1.2 разработка электрических принципиальных схем сложных электрических цепей с помощью автоматизированных сред ElectronicsWorkBench, MicroCap (демо- версий) или Multisim 10 в виртуальной лаборатории и их расчет.



















6. Ответы на вопросы по практике:

1. Что называется электрическим сопротивлением?

Электри́ческоесопротивле́ние — физическая величина, характеризующая свойства проводника препятствовать прохождению электрического тока и равная отношению напряжения на концах проводника к силе тока, протекающего по нему.

2. Дать определение узлу, ветви и контуру цепи.
Контуром цепи - называют любой замкнутый путь, включающий одну или
несколько ветвей.

Ветвью электрической цепи (схемы) называют участок цепи, через каждый компонент которого текущее значение тока в любой момент времени имеет
одну и ту же величину. Ветвь обычно располагается между двумя смежными узлами. Ветвь может характеризоваться электрическим сопротивлением.

Узлом цепи - называют место соединения трёх или большего числа ветвей.

3. Амперметр назначение, метод подключения.
Для измерения силы тока на участке цепи существует измерительный прибор - амперметр.



Рис.6.1 Приборы для измерения силы тока

При включении амперметра в электрическую цепь необходимо:

1) Амперметр включается в электрическую цепь последовательно с тем элементом цепи, силу тока в котором необходимо измерить.

2) При подключении надо соблюдать полярность: "+" амперметра подключается к "+" источника тока, а "минус" амперметра - к "минусу" источника тока.



Рис.6.2 Подключения амперметра


4. Вольтметр назначение, метод подключения.

Для измерения напряжения на участке цепи существует специальный измерительный прибор — Вольтметр [B] .


Рис.6.3 Приборы для измерения напряжения

При включении вольтметра в электрическую цепь необходимо:

1) Вольтметр подключается параллельно участку цепи, на котором будет измеряться напряжение.

2) Соблюдаем полярность: "+" вольтметра подключается к "+" источника тока, а "минус" вольтметра - к "минусу" источника тока.


Рис.6.4 Подключение вольтметра

5. Последовательное соединение проводников. Привести пример.

Последовательным соединением участков или компонентов цепи называется соединение, при котором через все компоненты течёт одинаковый ток.
I1 = I2 = I.

Рис.6.5 Последовательное соединение


6. Параллельное соединение проводников. Привести пример.
Параллельным соединением участков цепи называют соединение, при
котором все включенные параллельно участки цепи присоединены к одной паре узлов и на всех участках оказывается одно и то же напряжение.




Рис.6.6. Параллельное соединение


7. По каким формулам определяется общее сопротивление проводников, соединенных последовательно?

На рисунке 6.5 по закону Ома напряжения U1 и U2 на проводниках равны:

U1 = IR1, U2 = IR2.
Общее напряжение U на обоих проводниках равно сумме напряжений U1 и U2:
U = U1 + U2 = I(R1 + R2) = IR,
где R – электрическое сопротивление всей цепи.

R = R1 + R2

8. По каким формулам определяется общее сопротивление проводников, соединенных параллельно?

На рисунке 6.6 напряжения U1 и U2 на обоих проводниках одинаковы:

U1 = U2 = U.

Записывая на основании закона Ома:



где R – электрическое сопротивление всей цепи:





9. Дать определение резистору. Единицы измерения.
Резистор - компонент электрической цепи, основным назначением которого является оказывать сопротивление протекающему через него току с целью регулирования или ограничения величины тока или напряжения. В резисторе осуществляется преобразование электрической энергии в тепловую. Резистор характеризуется величиной активного или омического сопротивления R. Измеряется сопротивление в омах (Ом).



Рис.6.7 Резисторы

10. Дать определение конденсатору. Единицы измерения.

Конденсатор – компонент электрической цепи, способный накапливать электрический заряд Q, электрическую энергию. Конденсатор характеризуют электрической ёмкостью C, которую измеряют в фарадах, микрофарадах (мкФ),нанофарадах (нФ) и пикофарадах (пФ).



Рис.6.8 Конденсаторы


11. Как формулируется первый закон Кирхгофа?

Первый закон Кирхгофа
Немецкий физик Густав Роберт Кирхгоф (1824-1884) сформулировал два закона электрических цепей:

• алгебраическая сумма токов в любом узле электрической цепи равна нулю



;




• в любом узле сумма токов, направленных к узлу, равна сумме токов, направленных от узла





, где p+q=n.

12. Как формулируется второй закон Кирхгофа?

Второй закон Кирхгофа формулируется двумя способами:

• в любом замкнутом контуре алгебраическая сумма падений напряжения равна алгебраической сумме источников э.д.с., входящих в этот контур;
• в любом замкнутом контуре алгебраическая сумма напряжений равна нулю.

Под напряжением в этом случае понимается как падение напряжения на
компоненте схемы под действием протекающего тока, так и напряжение на выводах источников э.д.с., входящих в данный контур.

13. Порядок применения 1 закона Кирхгофа.

При составлении уравнений по первому закону Кирхгофа направления токов в ветвях электрической цепи выбирают обычно произвольно.

Законы Кирхгофа, записанные для узлов и контуров цепи, дают полную систему линейных уравнений, которая позволяет найти все токи и напряжения:

• p –количество узлов;
• m- количество ветвей без источника тока.

На приведенной схеме:
1. Для каждого проводника обозначим протекающий по нему ток (буквой «I»).
2. Покажем направления токов на каждом участке цепи.
3. В соответствии с первым законом Кирхгофа запишем соотношения.














Рис.6.9 Направление токов на каждом участке

Например, для приведённой на рисунке цепи, в соответствии с первым законом, выполняются следующие соотношения:








14. Порядок применения 2 закона Кирхгофа.

1. Показать направление токов на каждом участке цепи.
2. Показать направление стороннего поля в источниках ЭДС.
3. Выбрать направление обхода контура.
4. При совпадении силы тока с направлением обхода ставится знак «+», при несовпадении знак «-».

Необходимое количество уравнений по законам Кирхгофа для расчета всех токов схемы.



15. В чем состоит сущность метода контурных токов?

Для расчёта сложных электрических цепей широко используют метод
контурных токов, который позволяет уменьшить число уравнений в системе на число (q-1).При использовании этого метода уравнения по первому закону Кирхгофа не составляются. В основу метода положены контурные токи, каждый из которых определяется для независимого контура.
При использовании этого метода определяют независимые замкнутые
контуры рассчитываемой цепи и задают в каждом контуре условное положительное направление контурного тока. Независимый контур отличается наличием в своём составе хотя бы одной незадействованной в других контурах ветви. Целесообразно во всех контурах положительное направление задавать одинаковым образом, например, по часовой стрелке.


16. В чем состоит сущность метода узловых потенциалов?

Метод узловых потенциалов — метод расчета электрических цепей путем записи системы линейных алгебраических уравнений, в которой неизвестными являются потенциалы в узлах цепи.
В результате применения метода определяются потенциалы во всех узлах цепи, а также при необходимости токи во всех ветвях. Метод описывает именно составление системы уравнений для заданной цепи.



17. Алгоритм метода узловых потенциалов.

1. Пронумеровать узлы. Один заземлить.
2. Один узел заземлить.
3. Записать общий вид уравнений.
4. Подсчитать коэффициенты и правую часть.
5. Решить систему.
6. Рассчитать токи по закону Ома.

Особенности:
Ток ветви с нулевым сопротивлением может быть найден только по законы Кирхгофа.

Общий вид системы:




- это сумма проводимостей ветвей, сходящихся к данному узлу;


- это сумма проводимостей ветвей между i и j узлом берется со знаком «-»;

- алгебраическая сумма тока ветвей, сходящихся в i узле и источников тока, сходящихся к узлу.


18. Алгоритм метода контурных токов.

1. Выбрать независимые контуры и направления контурных токов в них.
2. Записать общий вид системы.
3. Подсчитать коэффициенты, а также правую часть уравнений.
4. Решить систему.
5. Определить токи ветвей.

• Ток ветви равен алгебраической сумме контурных токов, в которые входит эта ветвь.

6. При наличии источника тока контурный ток равен току источника тока.



Пример системы в общем виде:






Причем,

• «+» если контурные токи совпадают по направлению
• «-» если нет.

- это сумма R входящих в i контур;

- это сумма R входящих одновременно в i и j контур;

- это сумма ЭДС i контура.


















Приложение 1
КДЗ №1
Вариант 27.
Задание 1.
Построить ВАХ источника электрической энергии и определить внутреннее сопротивление источника.
Uxx=48В, Iкз=12А


1)при холостом ходе: Eвн=U=48B
2)при коротком замыкании:Eвн=Iкз*Rвн =>Rвн=Eвн/Iкз=4 Oм

Задание 2.
Составить необходимое количество уравнений по законам Кирхгофа для схемы определенной вариантом. Проверить законы Кирхгофа.
Данные значения: E1=68B; E2=22B; J=6A;
R1=11 Ом; R2=4 Ом;R3=45 Ом;R4=5 Ом;
R5=40 Ом;R6=31 Ом;R7=20 Ом;R8=32 Ом;
Схему, данную в варианте, построим в ElectronicsWorkbench и выберем направления токов и обходы контуров.

Количество уравнений по первому закону Кирхгофа=5-1=4
Составим эти уравнения. Входящий в узел ток примем за положительный.
A: I1-I2-I5=0;
B: I2+J-I4-I6=0;
C: I4-I1-I8=0;
D: I5-I3+I6=0.
Количество уравнений для второго закона Кирхгофа=8-4-1=3
I: E1=I1R1+I2R2+I4R4;
II: E2=I2R2-I5R5+I6R6;
III: E2=I3R3+I6R6+JR7;
На основании этих уравнений составим матрицу 7х7 для сопротивлений и умножим обратную ей матрицу на матрицу напряжений с одним столбцом при помощи программы Mathcad 14. В результате получаем матрицу со значениями сил тока I1,I2,I3,I4,I5,I6,I8 соответственно:





Задание 3.
Найти значения потенциалов и токи в схеме, используя МУП.
Заземлим узел B. Исходя из этого, уравнения общего вида будут выглядеть так:
ϕaGaa+ϕcGac+ϕdGad+ϕeGae=Iaa;
ϕaGca+ϕcGcc+ϕdGcd+ϕeGce=Icc;
ϕaGda+ϕcGdc+ϕdGdd+ϕeGde=Idd;
ϕaGea+ϕcGec+ϕdGed+ϕeGee=Iee;
Рассчитаем значения проводимостей и узловых токов, затем умножим обратную матрицу проводимостей на матрицу токов в узлах и получим значения потенциалов в узлах:


Исходя из полученных значений находим силы тока:










Задание 4.
Сравнить результаты методов. А также проверить правильность расчетов в автоматизированной среде ElectronicsWorkbench.
Таблица абсолютных значений токов в цепи.
Токи Законы Кирхгофа,А МУП,А Показания приборов в EWB, А
I1 2,591 2,71 2,710
I2 1,849 1,815 1,815
I3 2,171 2,531 2,525
I4 6,42 6,185 6,185
I5 0,742 0,895 0,8948
I6 1,429 1,63 1,630
I8 3,829 3,475 3,475

Вывод: По таблице можно пронаблюдать, что данные, полученные тремя разными способами сходятся, следовательно, они являются корректными ,и каждый из способов правильно реализован. Однако мы видим, что значения, полученные методом законов Кирхгофа, имеют незначительные отклонения от полученных другими методами, так как для данной в варианте схемы невозможно было учесть все токи в уравнениях по второму закону.
Задание 5.
Рассчитать баланс мощностей.
По определению баланса мощностей алгебраическая сумма мощностей источников должна совпадать с арифметической суммой мощностей приемников. На основе этого составим уравнения в программе Mathcad (переменным присвоены значения, полученные методом узловых потенциалов):
Для приемников:



Для источников:





* * *
Производственная практика проходила с 30.06.14 по 7.07.14.
Вывод по практике:
В ходе производственной практики были получены навыки проектирования конструкторской документации и с помощью прикладных программ (ElectronicsWorkbench, Mathcad) научились выполнять основные автоматизированные расчеты сложных цепей на IBMPC, а также проводить их анализы.