Файл: Северокавказская государственная гуманитарнотехнологическая академия.doc
Добавлен: 22.11.2023
Просмотров: 116
Скачиваний: 2
ВНИМАНИЕ! Если данный файл нарушает Ваши авторские права, то обязательно сообщите нам.
МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ
Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования
СЕВЕРО-КАВКАЗСКАЯ ГОСУДАРСТВЕННАЯ
ГУМАНИТАРНО-ТЕХНОЛОГИЧЕСКАЯ АКАДЕМИЯ
И.А. Гурина
Моделирование электротехнических устройств
Методические рекомендации
к выполнению практических и расчетно-графических работ
для обучающихся по направлению подготовки
13.03.02 «Электроэнергетика и электротехника»
Черкесск
2016
УДК 621.3
ББК 31.2
Г 95
Рассмотрено на заседании кафедры «Электроснабжение»
Протокол № 4 от 9.02.2016 г.
Рекомендовано к изданию редакционно-издательским советом СевКавГГТА
Протокол № 12 от 21.12.2016 г.
Рецензенты: Эркенов Н.Х., к. т. н., доцент кафедры «Электроснабжение»
Г95 Гурина, И.А. Моделирование электротехнических устройств: Методические рекомендации к выполнению практических и расчетно-графических работ для обучающихся по направлению подготовки 13.03.02 «Электроэнергетика и электротехника» / И.А. Гурина. – Черкесск: БИЦ СевКавГГТА, 2016. – 56 с.
В методических рекомендациях приведены требования к выполнению практических и расчетно-графических работ, краткие теоретические сведения по основным разделам изучаемой дисциплины и задания. Рекомендации предназначены для обучающихся по направлению подготовки 13.03.02 «Электроэнергетика и электротехника» (профиль «Электроснабжение»)
УДК 621.3
ББК 31.2
© Гурина И.А., 2016
© ФГБОУ ВО «СевКавГГТА», 2016
| | СОДЕРЖАНИЕ | |
| | | |
| 1. | Изучение системы моделирования и анализа электрических схем Electronics Workbench (Электронные инструментальные средства) | 4 |
| 1.1 | Изучение интерфейса системы Electronics Workbench | 4 |
| 1.2 | Опорное меню системы Electronics Workbench | 5 |
| 1.3 | Технология подготовки схем в виртуальной электронной лаборатории. Компоненты системы. Моделирование электротехнической схемы. | 13 |
| 1.4 | Контрольно-измерительные приборы системы Electronics Workbench | 19 |
| 1.5 | Элементная база системы Electronics Workbench: источники тока, резисторы, конденсаторы, коммутационные аппараты и т.д. | 27 |
| 2. | Обработка результатов экспериментальных данных | 34 |
| 2.1 | Решение задач по первичной обработке результатов эксперимента и подбору эмпирических формул | 34 |
| 2.2 | Преобразование экспериментальных данных методом выравнивания | 37 |
| 2.3 | Определение параметров эмпирической зависимости по методу выбранных точек | 37 |
| 2.4 | Определение параметров эмпирической зависимости по методу средних | 39 |
| 2.5 | Определение параметров эмпирической зависимости по методу наименьших квадратов | 39 |
| 3. | Моделирование и расчет электрических цепей в виртуальной электронной лаборатории | 42 |
| 3.1 | Моделирование и расчет электрических цепей постоянного тока с использованием законов Ома | 43 |
| 3.2 | Моделирование и расчет электрических цепей постоянного тока с использованием законов Кирхгофа | 45 |
| 3.3 | Моделирование и расчет электрических цепей постоянного тока методом контурных токов | 47 |
| 3.4 | Моделирование и расчет электрических цепей постоянного тока методом наложения | 48 |
| 3.5 | Моделирование и расчет электрических цепей постоянного тока методом эквивалентного генератора | 50 |
| 3.6 | Моделирование переходных процессов в линейных электрических цепях | 54 |
Изучение системы моделирования и анализа электрических схем Electronics Workbench (Электронные инструментальные средства)
Изучение интерфейса системы Electronics Workbench (EWB)
Интерфейс EWB подобен реальному рабочему месту разработчика электронных схем. Все что вам необходимо для разработки и тестирования электронных схем собрано вместе и находится перед вами. При запуске программы (Пуск \ Программы \ Electronics Workbench \ Electronics Workbench) Вы сможете увидеть следующую картину:
Рис. 1. Окно программы EWB 5.1
Самая большая центральная область экрана (рис. 1) - рабочее пространство - место, где можно собирать и тестировать схемы.
Сверху рабочего пространства находятся: система меню, иконки контрольно-измерительных приборов, линейка библиотек компонентов и переключатель питания
для активизации собранной схемы. В вертикальном окне слева от рабочего поля располагается каталог выбранной библиотеки из линейки компонентов (бункера частей). Область обмена содержит неограниченный запас каждого из элементов.
Все действия, необходимые для работы в пакете EWB, такие как перемещение элементов схемы, соединение элементов между собой, перемещение по линейке элементов осуществляются с помощью манипулятора типа мышь, что существенно облегчает работу с пакетом.
Большинство необходимых действий совершаются при помощи левой кнопки мыши. Правая кнопка используется только при выделении дополнительных элементов или приборов. Форма указателя мыши меняется для подсказки возможных действий. Например, когда вы устанавливаете указатель на элемент, то указатель принимает вид руки, показывая этим, что вы можете перемещать этот элемент. При обработке информации указатель принимает вид песочных часов.
Использовать клавиатуру необходимо для ввода текста или для нажатия “горячих” клавиш. Клавиша Del удаляет выделенные элементы схемы или текста; Esc закрывает диалоговое окно без изменения параметров; Alt блокирует элементы схемы и выводы иконок, что позволяет облегчить выделение этих компонентов; клавиши управления курсором перемещают выделенные элементы схемы или иконки контрольно-измерительных приборов.
Рабочее пространство, линейка библиотек компонентов, полка приборов, область обмена, окно описания и, наконец, справочная информация размещены в окнах, которые могут быть передвинуты, изменены в размерах и пролистаны. Если, например, рабочее пространство перекрывается другим окном, то вы можете переместить его на передний план нажатием левой кнопки мыши на заголовке окна. Чтобы закрыть окно - дважды нажмите на иконку управления в его верхнем левом углу. Чтобы изменить размеры окна перетаскивайте его стороны или углы. Чтобы пролистать окно перетаскивайте указатель скроллинга (линейка прокрутки) на его правой стороне. Чтобы активизировать окно поместите указатель мыши на поле окна и нажмите левую кнопку.
Опорное меню системы Electronics Workbench
Практически все команды пакета EWB можно выбрать из следующих пунктов опорного меню:
| File | Edit | Circuit | Window | Help |
| Файл | Редактирование | Схема | Окно | Справка |
Существует два способа выбора команды из меню:
1. «Щелкнуть» мышью на заголовок меню (оно останется открытым). Затем выбрать мышью нужную команду или пункт.
2. Нажать клавишу Alt вместе с подчеркнутым символом в названии нужного пункта меню. (Например, для открытия меню File нажмите одновременно клавиши Alt и F).
Команда серого цвета или “погашенная” не может быть выбрана в данный момент. Например, если не выделен ни один из элементов схемы, такие команды как Label (Метка) или Rotate (Вращать), работающие с элементами будут погашены и, соответственно, не могут быть выбраны.
Некоторые команды имеют “горячие клавиши”, расположенные рядом с командой в меню. Например, “горячая клавиша” для команды Save - Ctrl + S.
Меню File предназначено для загрузки и записи файлов, получения твердой копии выбранных для печати составных частей схемы, а также для импорта/экспорта файлов в форматах других систем моделирования.
Рис.2. Меню File программы EWB
Первые четыре команды этого меню: New (Создать файл), Open... (Открыть файл...), Save (Сохранить), Save As...(Сохранить как...) – типичные для Windows команды работы с файлами.
•Revert to Saved... (Восстановить...) – стирание всех изменений, внесенных в текущем сеансе редактирования, и восстановление схемы в первоначальном виде.
• Print... (Печать...) – выбор данных для вывода на принтер:
Schematic – схемы (опция включена по умолчанию);
Description – описания к схеме;
Part list – перечня выводимых на принтер документов;
Label list – списка обозначений элементов схемы;
Model list – списка имеющихся в схеме компонентов;
Subcircuits – подсхем (частей схемы, являющихся законченными функциональными узлами и обозначенных прямоугольниками с названием внутри);
Analysis options – перечня режимов моделирования;
Instruments – списка приборов.
• Print Setup... (Настройка Печати...) - позволяет выбрать принтер, указать ориентацию изображения, размер бумаги и другие опции. Чтобы увидеть блок диалога Print Setup, выберите Print Setup из File меню, или "щелкните" Setup в блоке диалога Print.
• Exit - выход из программы.
Меню Редактирования Editпозволяет выполнять команды редактирования схем и копирования экрана.
Рис.3 Меню Edit программы EWB
• Cut (Вырезать) – стирание выделенной части схемы с сохранением ее в буфере обмена (Clipboard). Выделение одного компонента производится щелчком мыши на изображении компонента. Для выделения части схемы или нескольких компонентов необходимо поставить курсор мыши в левый угол воображаемого прямоугольника, охватывающего выделяемую часть, нажать левую кнопку мыши и, не отпуская ее, протянуть курсор по диагонали этого прямоугольника, контуры которого появляются уже в начале движения мыши, и затем отпустить кнопку. Выделенные компоненты окрасятся в красный цвет.
• Copy (Копировать) – копирование выделенной части в буфер обмена.
• Paste (Вставить) – вставка содержимого буфера обмена на рабочее поле программы. После вставки изображение (выделено красным) может оказаться наложенным на создаваемую схему. Его можно переместить в нужное место клавишами курсора или мышью.
• Delete (Удалить) – стирание выделенной части схемы.
• Select All (Выделить всё) – выделение всей схемы.
• Copybits – команда превращает курсор мыши в крестик, которым по правилу прямоугольника можно выделить нужную часть экрана, после отпускания левой кнопки мыши выделенная часть копируется в буфер обмена, после чего ее содержимое может быть импортировано в любое приложение Windows (очень удобно при подготовке отчетов по моделированию, например, при оформлении лабораторных работ). Копирование всего экрана производится нажатием клавиши Print Screen; копирование активной в данный момент части экрана, например, диалогового окна – комбинацией Alt+ Print Screen.
• Show Clipboard - показать содержимое буфера обмена.
Меню Схем Circuitсодержит команды, используемые для построения и тестирования схем, а также для задания параметров моделирования.
Рис. 4 Меню Circuit программы EWB
• Activate (Активизировать, включить питание) – запуск моделирования.
• Stop (Стоп) – самостоятельная остановка моделирования. Схемотехническое моделирование останавливается автоматически, если только достигнуто установившееся состояние (Steady state). Эта и предыдущая команда могут быть выполнены также нажатием кнопки.
• Pause/Resume (F9) (Пауза / Продолжить) – временное прерывание моделирования (Pause), продолжение моделирования – Resume.
• Label... (Метка...) – ввод в диалоговом окне позиционного обозначения выделенного компонента (например, R1- для резисторов, С5 – для конденсатора и т.д.). При необходимости сдвига обозначения вправо можно слева ввести необходимое число пробелов (но не более 14 символов в строке). Компоненты также могут быть помечены, если на них дважды "щелкнуть" мышкой.
• Value.. (Параметр...) – изменение номинального значения параметра компонента; команда выполняется также двойным щелчком по компоненту. Номинальное значение параметра вводится с клавиатуры, а нажатием курсора мыши на кнопки вверх-вниз выбирается множитель, кратный 1000. Например, для конденсатора задается его емкость в пикофарадах (пФ), нанофарадах (нФ), микрофарадах (мкФ) или миллифарадах (мФ).
Примечание: Если Вы хотите использовать компонент с той же самой величиной многократно в схеме, установите величину в бункере частей.
• Model... (Модель...) – выбор модели компонента. Команда выполняется также двойным щелчком по компоненту.
• Zoom (Размер) - раскрытие (развертывание) выделенной подсхемы или контрольно-измерительного прибора. Команда выполняется также двойным щелчком мыши по иконке компонента или прибора.
• Rotate (Ротация) - вращение выделенного компонента; большинство компонентов поворачиваются по часовой стрелке на 90 при каждом выполнении команды, для измерительных приборов (амперметр, вольтметр и др.) меняются местами клеммы подключения. Команда чаще всего используется при подготовке схем. В готовой схеме пользоваться командой нецелесообразно – в таком случае компонент нужно сначала отключить от подсоединенных цепей, а затем вращать.
• Fault... (Дефект...) – имитация неисправности выделенного компонента путем введения: Leakage – сопротивления утечки; Short – короткого замыкания; Open – обрыва; None – неисправность отсутствует (включено по умолчанию).
• Subcircuit... (Подсхема...) – преобразование предварительно выделенной части схемы в подсхему. Выделяемая часть схемы должна быть расположена таким образом, чтобы в выделенную область не попали не относящиеся к ней проводники и компоненты. В результате выполнения команды открывается диалоговое окно, в строке Name которого вводится имя подсхемы, после чего возможны следующие варианты:
Copy from Circuit – подсхема копируется с указанным названием в библиотеку Custom без внесения изменений в исходную схему;
Move from Circuit – выделенная часть вырезается из общей схемы и в виде подсхемы с присвоенным ей именем копируется в библиотеку Custom;
Replace in Circuit – выделенная часть заменяется в исходной схеме подсхемой с присвоенным ей именем с одновременным копированием ее в библиотеку Custom.
Для просмотра или редактирования подсхемы нужно дважды щелкнуть мышью по ее значку. Редактирование подсхемы производится по общим правилам редактирования схем. При создании дополнительного вывода подсхемы необходимо из соответствующей точки подсхемы курсором мыши протянуть проводник к краю окна подсхемы до появления не закрашенной прямоугольной контактной площадки, после чего отпустить левую кнопку мыши. Для удаления вывода необходимо курсором мыши ухватиться за его прямоугольную площадку у края окна подсхемы и вынести ее за пределы окна.
• Wire Color... (Цвет провода...) – изменение цвета предварительно выделенного проводника (выделенный проводник утолщается). Более простой способ выполнения команды – двойной щелчок мышью на проводнике, после чего в меню выбирается один из шести предлагаемых цветов. Необходимость расцветки особенно важна для проводников, соединяющих контрольные точки (узлы) схемы с осциллографом - в этом случае цвет проводника определяет цвет осциллограммы.
• Preferences... (Ссылки) – выбор элементов оформления схемы в соответствии с меню: Use grid - использовать сетку;
Show grid - показывать сетку для удобства рисования схемы;
Show labels - просмотр меток;
Show values - просмотр параметров компонентов;
Show models - показывать имена моделей компонентов.
• Analysis Options... (Опции Анализа...) – установка режимов моделирования в соответствии с диалоговым окном:
Analysis Type Transient - расчет переходных процессов после включения источника питания (результаты представляются на экране осциллографа в графическом виде);
Steady-state - расчет стационарного режима схемы (режима по постоянному току);
Assume linear operation – при расчете переходных процессов принять линеаризованную модель активных компонентов (Active Component);
Pause after each screen
– пауза после заполнения экрана при выводе на осциллограф (Oscilloscope Display);
Tolerance – задание допустимой погрешности моделирования (по умолчанию 1%); чем меньше погрешность, тем больше затраты времени на моделирование;
Temporary file size for simulation (Mb) - размер временного файла для хранения результатов моделирования (по умолчанию 10 Мбайт), при необходимости может быть изменен.
Команды в Window меню предназначены для размещения или перемещения окон:
Рис. 5 Меню Window программы EWB
•Arrange (CTRL+ W) (Размещение) – упорядочивание информации в рабочем окне EWB путем перезаписи экрана, при этом исправляются искажения изображений компонентов и соединительных проводников.
•Circuit (Схема) - вывод схемы на передний план.
•Description (CTRL+ D) (Описание) – вывод на передний план информации или комментариев по схеме (только на английском языке).
Справочное меню Help позволяет получить быструю контекстно-зависимую справку. Содержит краткие сведения по всем рассмотренным выше командам, библиотечным компонентам и измерительным приборам, а также сведения о самой программе.
Рис. 6 Меню Help программы EWB
| •Help (Fl) •Help Index... •About Electronics Workbench | Помощь Помощь (Индекс) О программе |
Контрольные вопросы и задания
-
Что содержится в окне программы Eletctronics Workbench (EWB)? -
Где располагается моделируемая схема с подключенными к ней иконками контрольно-измерительных приборов? -
Для чего используются линейки прокрутки? -
Каково назначение «горячих» клавиш? -
Для чего предназначено меню File? -
Какой командой можно восстановить схему в ее первоначальном виде после внесения изменений? -
Каким образом можно получить твердую копию (на принтере) схемы и список составляющих ее компонентов? -
В каком пункте меню программы EWB находятся команды редактирования схем и копирования экрана? -
Какой командой можно скопировать изображение схемы в отчет по лабораторной работе, подготавливаемый в текстовом редакторе Word? -
Как просмотреть как содержимое буфера обмена? -
В каком пункте меню команды используются при подготовке схем? -
Что собою представляет подсхема и как её создать? -
Какой командой можно присвоить компоненту позиционное обозначение (C1,C2,R1 и т.д.) и какое правило используется при необходимости сдвига позиционных обозначений элементов? -
Какими командами можно изменить цвет проводника и для чего это нужно? -
Какой командой можно удалить из схемы обозначения номинальных значений компонентов или их тип? -
Как можно масштабировать размеры изображения схемы? -
Как на схеме обозначаются элементы оформления и каково назначение опций этой команды? -
Какой командой можно упорядочить информацию в рабочем коне EWB? -
Как вывести схему на передний план? -
Где содержатся сведения по всем командам? -
Проверьте работу основных пунктов меню в виртуальной электронной лаборатории.
ТЕХНОЛОГИЯ ПОДГОТОВКИ СХЕМ В ВИРТУАЛЬНОЙ ЭЛЕКТРОННОЙ ЛАБОРАТОРИИ. КОМПОНЕНТЫ СИСТЕМЫ
Прежде чем создавать чертеж принципиальной схемы средствами программы EWB, необходимо на листе бумаги подготовить ее эскиз с примерным расположением компонентов и с учетом возможности оформления отдельных фрагментов в виде подсхем.
Процесс создания схемы начинается с размещения на рабочем поле компонентов из библиотек программы в соответствии с подготовленным эскизом. Одиннадцать разделов библиотеки программы EWB поочередно могут быть вызваны с помощью меню Window или с помощью иконок, расположенных под линейкой контрольно-измерительных приборов. Для открытия каталога нужной библиотеки (слева от рабочего поля) необходимо подвести курсор мыши к соответствующей иконке и нажать один раз на левую кнопку, после чего серый фон иконки меняется на желтый. Необходимый для создания схемы значок (символ) компонента переносится из каталога на рабочее поле программы движением мыши при нажатой левой кнопке, после чего кнопка отпускается (для фиксирования символа) и производится двойной щелчок по значку компонента. В раскрывающемся диалоговом окне устанавливаются требуемые параметры (сопротивление резистора, тип транзистора и т.д.) и выбор подтверждается нажатием кнопки Accept или клавиш Enter.
После размещения компонентов производится соединение их выводов проводниками. Для этого курсор мыши подводится к выводу компонента, и после появления черной точки нажимается левая кнопка и появляющийся при этом проводник протягивается к выводу другого компонента до появления на нем такой же точки, после чего кнопка мыши отпускается, и соединение готово.
При необходимости подключения нескольких проводников в библиотеке Passive выбирается точка (символ соединения) и переносится на ранее установленный проводник. Чтобы точка почернела (первоначально она имеет красный цвет), необходимо щелкнуть мышью по свободному месту рабочего поля. Если эта точка действительно имеет электрическое соединение с проводником, то она полностью окрашивается черным цветом. Если на ней виден след от пересекающего проводника, то электрического соединения нет и точку необходимо установить заново. После удачной установки к точке соединения можно подключить еще два проводника. Если соединение нужно разорвать, курсор
подводится к одному из выводов компонентов или точке соединения и нажимается левая кнопка, проводник отводится на свободное место рабочего поля, после чего кнопка отпускается.
Если необходимо переместить отдельный сегмент проводника, к нему подводится курсор, нажимается левая кнопка, и после появления в вертикальной и горизонтальной плоскости двойного курсора производятся нужные перемещения.
Подключение к схеме контрольно-измерительных приборов производится аналогично. Цветные проводники целесообразны не только для обозначения проводников одинакового функционального назначения, но и для проводников, находящихся в разных частях схемы.
Перейдем к краткому обзору библиотечных компонентов программы EWB. При описании библиотек после названия компонента в скобках указываются назначаемые пользователем параметры (например, для конденсатора это емкость, значение которой может быть установлено с помощью диалогового окна).
Группа Custom — вспомогательные компоненты
.В библиотеке Custom программы EWB размещаются подсхемы, если они имеются в данной схеме (в исходном состоянии раздел пуст), а также библиотечные компоненты предыдущих версий.
Группа Passive — пассивные компоненты
Точка соединения проводников. Также используется для введения на схему надписей длиной не более 14 символов (других способов введения текста в EWB не существует). Например, если на схеме требуется указать значение тока в какой-либо ветви, то на проводнике этой ветви ставится точка, затем двойным щелчком по точке вызывается диалоговое окно, в котором и выполняется соответствующая надпись.
Заземление (метка) – контрольная точка для связи электрических уровней напряжения везде, где используется электричество. Любая цепь, которая использует осциллограф, трансформатор, управляемый источник или операционный усилитель должна быть заземлена. 