Экспериментальные исследования с применением моделирующих компьютерных программных средств Multisim

ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА №3

Исследование свободных процессов в электрических цепях

Соответствует работе № 3 классической лаборатории цепей [Лабораторный практикум по ТОЭ. Основы теории цепей / Под ред. Ю.А.Бычкова, Э.П.Чернышева; ГЭТУ. – С.-Пб., 1993. – 120 с.].

Подготовка к работе

Цель работы: изучение связи между видом свободного процесса в электрической цепи и расположением собственных частот (корней характеристического уравнения) на комплексной плоскости; приближенная оценка собственных частот и добротности -контура по осциллограммам.

В работе предлагается исследовать свободные процессы в цепях, схемы которых представлены на рис. 3.1 и рис. 3.2. Цепи возбуждаются очень короткими импульсами тока , заряжающими емкость . В паузах между импульсами емкость разряжается, цепь находится в свободном режиме, так как в это время источник возбуждения отключен ( ).

а б

Рис. 3.1

Рис. 3.2

В линейных цепях свободный процесс описывается однородными линейными дифференциальными уравнениями и его вид определяется корнями характеристического уравнения (собственными частотами цепи ). При возбуждении цепи источником тока собственные частоты можно рассчитать как нули входной проводимости цепи :

а) для цепи первого порядка, представленной на рис. 3.1, а , откуда

; (3.1)

б) для цепи второго порядка, представленной на рис. 3.1, б , откуда

, , ; (3.2)

в) для цепи третьего порядка, представленной на рис. 3.2 откуда

, , . (3.3)

Общий вид решения для напряжения любого элемента цепи

,

где – постоянные интегрирования, – порядок цепи.

У цепи первого порядка одна собственная частота (3.1), вещественная и отрицательная, свободный экспоненциальный процесс имеет вид

(3.4)

где – постоянная затухания, – постоянная времени экспоненты. Временная диаграмма свободного процесса показана на рис. 3.3, а, причем – интервал времени, соответствующий любой подкасательной к экспоненте.

В цепи второго порядка две собственные частоты (3.2) могут быть разными вещественными различными (апериодический режим; временная диаграмма суммы двух экспонент, изображенных пунктиром, показана на рис. 3.3, б), кратными вещественными (критический режим) или комплексно-сопряженными (колебательный режим). Вид критического процесса близок к диаграмме, показанной на рис. 3.3, б, причем момент достижения максимума , если . Комплексно-сопряженным частотам соответствует качественно новый характер свободного процесса – колебательный:

, (3.5)

где – постоянная затухания, – частота затухающих колебаний ( ). Временная диаграмма колебательного процесса представлена на рис. 3.3, в.

Дальнейшее увеличение порядка цепи к качественно новым явлениям не приводит. Так, согласно (3.3), в схеме, изображенной на рис.3.2, собственные частоты могут быть либо три вещественные, либо одна вещественная и две комплексно-сопряженные, например, и . Временная диаграмма свободного процесса представлена на рис. 3.3, г – это сумма экспоненты (см. пунктир) и затухающей синусоиды.

В некоторых случаях собственные частоты относительно просто рассчитываются по осциллограммам. Например, согласно (3.4) по рис. 3.3, а можно рассчитать постоянную затухания

(3.6)

Для случая рис. 3.3, в постоянная затухания также может быть определена на основании (3.6), но при этом обязательно выполнение условия , что вытекает из (3.5).

а б

в г

Рис. 3.3

В случаях рис. 3.3, б,г найти собственные частоты можно лишь приближенно, выделив, как показано пунктиром, отдельные составляющие процесса.

Особый интерес для контуров представляет определение добротности по виду свободного процесса в них. Так для последовательного контура добротность определяется выражением

(3.7)

где – частота незатухающих колебаний в идеальном контуре ( ). Согласно (3.2) собственные частоты последовательного контура можно записать следующим образом:

, (3.8)

причем соответствует апериодический режим, – критический режим, – колебательный режим, а –незатухающий колебательный режим.

При с высокой степенью точности можно считать

(3.9)

С учетом (3.6) формула, позволяющая в этом случае определить добротность по осциллограмме рис. 3.3, в, имеет вид

(3.10)

Для повышения точности можно брать отношения напряжений за периодов колебаний:

(3.11 )

Экспериментальные исследования с применением моделирующих компьютерных программных средств Multisim.

Для начала работы необходимо включить компьютер и на экране монитора открыть папку «Лаб.раб.ТОЭ» и в ней папки «ЛЭТИ-Лаб.раб» и «Лаб.раб.№3». После загрузки в открывшемся окне на экране монитора появится схема (рис. 3.4) с подключенными к ней осциллографом XSC1и импульсным источника тока PULSE i . У источника тока установлена амплитуда импульсов тока А, а их частота повторения кГц (т.е. период T=1 мс). У осциллографа XSC1входной сигнал подается на канал “A”, а выходной на канал “B” (режим работы осциллографа ждущий, синхронизация внутренняя по каналу “A”).

Рис. 3.4

На основе этой схемы (рис. 3.4) можно собирать цепи первого, второго и третьего порядков (рис. 3.1 и рис. 3.2) с использованием ключей S1 и S2, которые управляются с клавиатуры, соответственно, клавишами 1 и 2.