Некоммерческое акционерное общество
АЛМАТИНСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ ЭНЕРГЕТИКИ И СВЯЗИ
Кафедра теоретических основ электротехники

ЦЕПИ С РАСПРЕДЕЛЕННЫМИ И СОСРЕДОТОЧЕННЫМИ ПАРАМЕТРАМИ.
ТЕОРИЯ ЧЕТЫРЕХПОЛЮСНИКОВ
Методические указания и задания к лабораторным работам
(для  специальности 5В070200 - Автоматизация и управление)

Алматы 2014

СОСТАВИТЕЛИ: С.Ю. Креслина, Э.А. Нурмадиева. Цепи с распределенными и сосредоточенными параметрами. Теория четырехполюсников. Методические указания и задания к лабораторным работам (для  специальности 5В070200 - Автоматизация и управление).– Алматы: АУЭС, 2014. –  21 с.

Методические указания и задания к лабораторным работам содержат 3 лабораторные работы по четырехполюсникам, пассивные фильтры «К» типа, линиям с распределенными параметрами.

Каждая лабораторная работа включает: цель работы, подготовку к работе, порядок выполнения работы, оформление, анализ результатов работы и выводы о проделанной работе.

Методические указания к лабораторным работам предназначены для студентов всех форм обучения.

Ил. 16, табл. 12, библиогр.- 7  назв.

Печатается по плану издания НАО «Алматинского университета энергетики и связи» на 2014 г.

© НАО «Алматинский университет энергетики и связи», 2014 г.

1 Порядок выполнения и оформления лабораторных работ по дисциплинам «Цепи с распределенными и сосредоточенными параметрами», «Теория четырехполюсников»

1.1 Предварительная подготовка и допуск к работе

1.1.1 Прежде, чем приступить к очередным занятиям, студент должен ознакомиться с содержанием лабораторной работы, изучить теоретический материал по соответствующей теме.

1.1.2 Результаты подготовки должны быть отражены в отчёте выполняемой работы, который должен содержать:

а) письменные ответы на вопросы по части Подготовка к работе;

б) предварительные расчеты;

в) исследуемые схемы;

г) таблицы для записи результатов измерений;

1.1.3 В начале занятия студент должен:

а) защитить полностью оформленную предыдущую работу;

б) получить допуск к следующей работе, имея индивидуальный отчёт.

Во время занятия студент должен выполнить работу (собрать схемы, проделать необходимые измерения и записать результаты в заранее  подготовленные таблицы).

         1.1.4 Готовность студентов к выполнению работы проверяет преподаватель, задавая контрольные вопросы по теории, порядку выполнения данной работы, действию схем, применяемым формулам и ожидаемым результатам. Вопросы могут быть заданы в устной и письменной форме.

1.1.5 Студенты, не выполнившие требования третьего пункта, а также те студенты, теоретическая подготовка которых признана неудовлетворительной, к работе не допускаются.

         1.1.6 Студенты, не допущенные к работе, должны использовать оставшееся время для изучения теории, а также для оформления и защиты сделанных ранее работ.

         1.1.7 Работы, не выполненные в срок, студенты проделывают в отведенное для отработки время. Допуск к работе студент получает на общих основаниях.

1.2   Оформление отчетов и защита лабораторных работ

         1.2.1 Студент должен представить полностью оформленный к защите отчёт каждой проделанной работы.

         1.2.2 Оформленный отчёт предыдущей работы должен быть представлен в начале следующего занятия и защищён во время занятия.

          1.2.3 Отчёт должен содержать титульный лист (см. приложение А) и  следующие разделы:

         - цель работы;

         - основные теоретические положения и ответы на вопросы подготовки;

         - схемы исследуемых цепей;

         -расчётные формулы, вычисления, предполагаемые графики исследуемых электрических величин и режимов цепи;

         -результаты исследования (таблицы, графики, числовые значения параметров и электрических величин);

         - выводы по работе.

          Отчёты оформляются на листах белой или линованной бумаги формата А4, которые заполняются с одной стороны. В тексте, написанном чётко и аккуратно пастой одного цвета, допускается применение только общепринятых обозначений или сокращений, расшифрованных при первом упоминании.

2 Лабораторная работа № 1. Исследование пассивных симметричных четырёхполюсников

Цель работы: исследования различных режимов работы пассивного симметричного четырёхполюсника и определение его параметров путём компьютерного моделирования с использованием программы «Electronics Workbench».

2.1 Подготовка к работе

Ответить письменно на вопросы и выполнить следующее:

1)  Дать определение четырехполюсника.

2)  Какие четырехполюсники называются пассивными ?

3)   Какие четырехполюсники называются симметричными?

4)   Записать уравнения передачи четырёхполюсника в

A-, Z-,Y-,H- параметрах.

5) Каким условиям удовлетворяют А-параметры пассивного четырёхполюсника, симметричного четырёхполюсника?

6)  Записать выражения, определяющие А-параметры пассивного симметричного четырёхполюсника. Рассчитать А-параметры пассивного симметричного четырёхполюсника, согласно заданному варианту (см. таблицу 2.1). Результаты расчётов записать в таблицу 2.3.

7)  Как определяется входное сопротивление четырёхполюсника?

8)  Рассчитать входные сопротивления четырёхполюсника в режимах холостого хода ZX, короткого замыкания ZK согласно заданному варианту (см. таблицу 2.1). Результаты расчётов записать в таблицу 2.5.

9)  Записать выражение характеристической постоянной передачи ГС для симметричного четырёхполюсника.

Таблица 2.1

№

варианта

№

рисунка

U1, В

f,кГц

R, Ом

L, мГн

C, мкФ

1

2.1

10

1,0

100

6

−

2

2.2

12

1,6

130

−

0,5

3

2.3

14

1,5

160

−

0,8

4

2.4

16

1,8

190

8

−

5

2.5

18

2,0

150

−

0,4

6

2.6

20

2,2

110

5

−

7

2.7

22

2,4

120

7

−

8

2.8

24

2,6

100

−

0,7

                        

              Рисунок 2.1                                               Рисунок 2.2

                       

               Рисунок 2.3                                               Рисунок 2. 4

                      

             Рисунок 2.5                                             Рисунок 2.6

        

                         

   Рисунок 2.7                                           Рисунок 2.8

                                               Рисунок 2.9

2.3 Задание к выполнению работы

2.3.1 Собрать электрическую схему (см. рисунок 2.9) с учетом заданного четырехполюсника согласно заданному варианту.

2.3.2 Установить на генераторе действующее значение напряжения U1 и частоту f согласно заданному варианту.

2.3.3 В режиме холостого хода на зажимах 2-2/ (,) измерить напряжение на входе четырёхполюсника U1, напряжение на выходе четырёхполюсника U2, ток на входе четырёхполюсника I1. Измерить временной сдвиг по фазе между напряжениями на входе  и выходе  четырёхполюсника: Т2-Т1 и временной сдвиг по фазе между напряжением  и током    на входе четырёхполюсника: Т2-Т1. Результаты записать в таблицу 2.2.

2.3.4 В режиме короткого замыкания на зажимах 2-2/ (,) измерить напряжение на входе четырёхполюсника U1, токи на входе I1 и выходе I2 четырёхполюсника. Измерить временной сдвиг по фазе между

напряжением на входе  и токами на входе  и выходе  четырёхполюсника: Т2-Т1. Результаты записать в таблицу 2.2.

Таблица 2.2

Режим

работы

U1

B

U2

B

T2-T1,

c

Ψu2

I1,

A

T2-T1,

c

Ψi1

I2,

A

T2-T1,

c

Ψi2

Холостой ход

Короткое замыка-

ние

         Таблица 2.3

Режим

работы

U1,

B

,

B

,

A

,

A

Холостой

 ход

Короткое замыкание

         Таблица 2.4

Вид исследо-

вания

А11

А12

А21

А22

Теоретический

 расчёт

Расчёт по экспериментальным данным

         Таблица 2.5

Вид исследо-

вания

ZX ,Ом

ZK,Ом

Теоретический

 расчёт

Расчёт по экспериментальным данным

        

2.4 Оформление результатов работы

         2.4.1 По значениям Т2-Т1 рассчитать начальные фазы напряжения на выходе  четырёхполюсника Ψu2 и начальные фазы токов на входе Ψi1 и выходе Ψi2 четырёхполюсника для всех исследуемых режимов. Результаты записать в таблицу 2.2.

         2.4.2 Записать комплексы напряжений  и токов  для всех исследуемых режимов в таблицу 2.3 .

         2.4.3 По экспериментальным данным рассчитать А-параметры пассивного симметричного четырёхполюсника: А11, А12, А21, А22 по напряжениям  и токам  в режимах холостого хода и короткого замыкания:

.

          Результаты расчётов записать в таблицу 2.3.

         2.4.4 По экспериментальным данным рассчитать входные сопротивления четырёхполюсника для всех исследуемых режимов. Результаты расчётов записать в таблицу 2.5.

        

2.4 Методические указания по измерению начальных фаз напряжений и токов

Измерить начальные фазы напряжения и токов можно с помощью осциллографа (см. рисунок 2.10). Для измерения начальных фаз напряжений канал А осциллографа подключают к точке 1 (красят этот провод в красный цвет), а канал В к точке 2 (красят этот провод в синий цвет). Выставив курсор 1 на ноль напряжения на входе четырёхполюсника , а курсор 2 на ноль напряжения на выходе четырёхполюсника  можно измерить временной сдвиг между напряжениями  и   непосредственно по табло Т2-Т1. Фазовый сдвиг вычисляется по формуле:

yU1−yU2 = 3600(Т2-Т1)´f.

Если принять, что yU1 =0, то yU2 = -3600(Т2-Т1)´f.

Для измерения начальных фаз токов применяется способ преобразования тока в потенциал, который заключается во включении в цепь измеряемого тока резистора с небольшим сопротивлением.

Для измерения начальной фазы тока на входе четырёхполюсника  между точками 1/ и а включают сопротивление R=1Ом, канал В осциллографа подключается к точке а. Выставив курсор 1 на ноль напряжения , а курсор 2 на ноль тока , измеряют временной сдвиг между током  и напряжением    на табло Т2-Т1. Начальную фазу тока yi1 вычисляют по формуле:

yi1 =-3600(Т2-Т1)´f.

После измерения начальной фазы тока  сопротивление  R=1Ом отключают.

Для измерения начальной фазы тока на выходе четырёхполюсника  между точками 2/ и b включают сопротивление R=1Ом, канал В осциллографа подключается к точке b. Выставив курсор 1 на ноль напряжения , а курсор 2 на ноль тока , измеряют временной сдвиг между напряжением  и током  на табло Т2-Т1. Начальную фазу тока  вычисляют по формуле: yi2 = -3600(Т2-Т1)´f. После измерения начальной фазы тока  сопротивление R=1Ом отключают.

Рисунок 2.10

3 Лабораторная работа № 2. Исследование пассивных фильтров типа «К»

Цель работы: исследовать частотные характеристики коэффициента затухания (а) и коэффициента фазы (в) для простейших низкочастотных (ФНЧ) и высокочастотных (ФВЧ) фильтров.

3.1 Подготовка к работе

1) Дайте классификацию фильтров.

2) Дайте понятия низкочастотного, высокочастотного, полосного и заграждающего фильтров.

3) Дайте определение вторичных параметров фильтров. В каких единицах они измеряются?

4) Что такое область пропускания и область затухания идеального фильтра?

5) Что такое согласованный режим работы фильтра?

6) Привести П-образную и Т-образную схемы ФНЧ.

7) Привести П-образную и Т-образную схемы ФВЧ.

8) Привести графики зависимостей для a(f) и b(f) ФНЧ.

9) Привести графики зависимостей для а(f) и b(f) ФВЧ.

10) Привести расчётные формулы fср и r для ФНЧ.

11) Привести расчётные формулы fср и r для ФВЧ.

12) Выбрать согласно варианту схему и параметры фильтра (см. таблицу 3.1).

13) Рассчитать fср. и r согласно варианту (см. таблицу 3.1). Результаты  занести в таблицу(3.2).

3.2 Задание к выполнению работы

3.2.1 Собрать цепь (см. рисунок 3.1), включив в неё исследуемый фильтр согласно заданному варианту (см. таблицу 3.1).

Таблица 3.1

№ варианта

Тип

Фильтра

Схема фильтра

U1(В)

L(мГн)

С(мкФ)

1

ФНЧ

Т-схема

5

80

0,5

2

ФВЧ

Т-схема

4

70

0,4

3

ФНЧ

П-схема

3

60

0,6

4

ФВЧ

П-схема

4

50

0,7

5

ФНЧ

Т-схема

5

40

0,3

3.2.2 Установить значения U1, L и C, RН= r согласно варианту (см. таблицу 3.1).

3.2.3 Изменяя частоту генератора f, умножая на соответствующий коэффициент частоту среза (12 значений), используя таблицу 3.3 для ФНЧ или 3.4 для ФВЧ, измерить напряжения U2 на выходе фильтра и временной сдвиг по фазе Т2-Т1 между напряжениями на выходе  и  входе . Напряжение на входе фильтра U1 поддерживать постоянным. Результаты измерений занести в таблицу 3.2.

Таблица 3.2

    

, Гц

, Нп

f1

.

.

f12

 Фильтры низкочастотные

       П-образный фильтр

Т-образный фильтр

                                              Рисунок  3.1

Фильтры высокочастотные

П-образный  фильтр

 

Т-образный фильтр

  

                                            Рисунок 3.2

3.3 Обработка результатов экспериментов

3.3.1 Рассчитать коэффициент затухания а(f) и коэффициент фазы b(f), занести в таблицу 3.2.

3.3.2 Построить экспериментальный график а(f) по данным таблицы 3.2, совместив его с теоретическим графиком а(f) (см. таблицы 3.3 или 3.4).

3.3.3  Построить экспериментальный график b(f) по данным таблицы 3.2, совместив его с теоретическим графиком b(f) (см. таблицы 3.3 или 3.4).

3.3.4 Сделать выводы о проделанной работе: сравнить теоретические графики а(f) и b(f) с экспериментальными и объяснить их различие, проанализировать зависимость а(f)  и b(f) в полосе пропускания и в полосе задерживания.

 Таблица 3.3

ФНЧ

f/f0

0,2

0,4

0,5

0,6

0,7

0,8

1,0

1,1

1,2

1,5

2,0

4,0

а,Нп

0

0

0

0

0

0

0

0,90

1,26

1,94

2,74

4,16

+в, град

23

47

60

74

90

106

180

180

180

180

180

180

Таблица 3.4

ФВЧ

f/f0

0,25

0,5

0,67

0,83

0,9

1

1,25

1,43

1,67

2

2,5

5

а,Нп

4,1

2,74

1,94

1,26

0,9

0

0

0

0

0

0

0

-в, град

180

180

180

180

180

180

106

90

74

60

47

23

3.4 Методические указания

3.4.1 При согласовании фильтра с нагрузкой напряжения входа U1 и выхода U2 связаны соотношением

.

Коэффициент затухания  определяется по формуле:

,

а коэффициент фазы b=y1-y2, где y1 и y2 – начальные фазы соответственно входного и выходного напряжений.

3.4.2 Частота среза  для ФНЧ определяется по формуле , а для ФВЧ - .  Сопротивление нагрузки и сопротивление генератора  принимается равным характеристическому .

3.4.3 Коэффициент  фазы определяется через временной сдвиг по фазе Т2-Т1 между напряжениями на выходе  и  входе по формуле .

           3.4.4 Измерить начальные фазы напряжений можно с помощью осциллографа (см. рисунок 3.3). Для измерения начальной фазы напряжения канал А осциллографа подключают к точке 1 (красят этот провод в красный цвет). Для измерения начальной фазы напряжения u2 (t) на выходе канал В осциллографа подключают к точке 2 (красят этот провод в синий цвет). Выставив курсор 1 на ноль напряжения на входе , а курсор 2 на ноль тока напряжения на выходе u2 (t),  можно измерить временной сдвиг между напряжениями u2 (t) и  непосредственно по табло Т2-Т1.

    

                                                            Рисунок 3.3

4 Лабораторная работа № 3. Исследование различных режимов в длинных линиях

Цель работы: получение навыков исследования различных режимов в длинных линиях путем компьютерного моделирования.

        

4.1 Подготовка к работе

        

         Ответить письменно на вопросы и выполнить следующее:

         1) Какие величины называются первичными параметрами линии?

         2) Какая линия называется однородной?

         3) Записать формулы для определения Z0, Y0.

         4) Какие величины называются вторичными параметрами линии?

         5) Записать выражения, определяющие коэффициент распространения g и волновое сопротивление ZВ.

         6) Записать уравнения линии с гиперболическими функциями.

         7) Как рассчитывается входное сопротивление линии?

         8) Какая нагрузка называется согласованной?

         9) Как рассчитать мощности в начале линии Р1, в конце линии Р2, КПД?

         10) Рассчитать R1, L1, C2, R2, ZB согласно заданному варианту.

         4.2 Задание к выполнению работы

         4.2.1 Выбрать напряжение в начале линии U1, параметры линии и нагрузки в соответствии с заданным вариантом по таблице 4.1.

Таблица 4.1

вариант

U1,

КВ

,

км

ZH, Ом

1

400

700

1,043

0,927

0,07

1,0

0,2

9,0

450

2

600

800

1,056

0,899

0,09

1,2

0,08

8,3

400

3

110

1000

1,11

0,815

0,1

1,3

0,3

9,5

500

4

220

900

1,089

0,845

0,08

1,4

0,06

8,8

470

5

330

1100

1,16

0,753

0,06

1,35

0,1

10

550

Рисунок 4.1

  4.2.2 Собрать электрическую схему линии (см. рисунок 4.1), подключить генератор, нагрузку и измерительные приборы  (см. рисунок 4.2).

4.2.3 Установить на генераторе значение напряжения в начале линии, частоту  и рассчитанные параметры четырехполюсника .

4.2.4 Установить сопротивление приемника ZH согласно заданному варианту.

Рисунок 4.2

Измерить действующее значение напряжения в конце линии , действующие значения токов в начале линии  и в конце линии . Измерить начальные фазы напряжения в конце линии  и токов в начале и в конце линии: ,.

Результаты записать в таблицу 4.2

4.2.5 В режиме согласованной нагрузки ZH= ZВ измерить действующее значение напряжения , действующие значения токов в начале линии , в конце линии , начальные фазы напряжения в конце линии  и начальные фазы токов в начале  и в конце линии . Результаты записать в таблицу 4.2.

4.2.6 В режиме короткого замыкания в конце линии измерить действующее значение напряжения  , действующие значения токов в  

 

         Таблица 4.2

Режим работы

U1,

КВ

U2,

КВ

Т2-Т1, с

, град

I1,A

Т2-Т1 ,с

, град

I2,A

Т2-Т1, с

,

град

Нагрузочный режим; ZH=

Согласованная нагрузка

ZH= ZВ=

Короткое замыкание

Холостой ход

начале линии , в конце линии , начальные фазы токов в начале  и в конце линии . Результаты записать в таблицу 4.2.

4.3.7 В режиме холостого хода в конце линии измерить действующее значение напряжения в конце линии , действующие значения токов в начале линии , в конце линии , начальные фазы напряжения в конце линии  и тока в начале линии . Результаты записать в таблицу 4.2.

  4.3 Обработка результатов экспериментов

        

4.3.1 Рассчитать начальные фазы напряжения  и токов , . Результаты записать в таблицу 4.2.

         4.3.2 Записать комплексы напряжений  и токов  для всех исследуемых режимов. Результаты занести в таблицу 4.3.

         4.3.3 По экспериментальным значениям рассчитать входное сопротивление линии , активные мощности Р1, Р2 и КПД h для всех исследуемых режимов. Результаты записать в таблицу 4.3.

         4.3.4 Сравнить полученные результаты. Сделать выводы по результатам работы.

        Таблица 4.3

Режим работы

Нагрузочный режим; ZH=

Согласованная нагрузка

ZH= ZВ=

Короткое замыкание

Холостой ход

4.4 Методические указания

Для исследования  различных режимов  в длинной линии путем компьютерного моделирования линия рассматривается как симметричный четырехполюсник, представленный симметричной Т-образной схемой замещения (см. рисунок 4.3).

Рисунок 4.3

где  - первичные параметры линии;

        - длина линии;

         - комплексные коэффициенты, с достаточной для практических расчётов точностью можно использовать модули  - коэффициент распространения.

 - волновое  или характеристическое сопротивление линии.

Для измерения и расчета начальных фаз напряжений и токов использовать методические указания к лабораторной работе № 1 (стр. 8)

Приложение А

НЕКОММЕРЧЕСКОЕ АКЦИОНЕРНОЕ ОБЩЕСТВО
АЛМАТИНСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ ЭНЕРГЕТИКИ И СВЯЗИ
КАФЕДРА ТОЭ
(наименование дисциплины)

ОТЧЁТ по  лабораторной работе №

(наименование лабораторной  работы)

 

                                                    Работа выполнена_________________________
(дата выполнения)
Студентом________________________________
(фамилия и инициалы)
Группа___________________________________
              (шифр группы)
Совместно со студентами___________________
                                                  Отчёт принят_____________________________
(дата принятия отчёта)

Алматы 201…

Список литературы

1. Демирчян К.С., Нейман Л.Р., Коровкин Н.В., Чечурин В.Л.. Теоретические основы электротехники. – том 1. – СПб.: Питер, 2009.-463 с.

2. Атабеков Г.И. ТОЭ линейные и электрические цепи (7-е изд.).-М.:Лань, 2009.-592 с.

3. Демирчян К.С., Нейман Л.Р., Коровкин Н.В., Чечурин В.Л. Теоретические основы электротехники. – том 3. – СПб.: Питер, 2003.-377 с.

 4. Бессонов Л.А.. Теоретические основы электротехники. – М.: Гардарики, 2007.-638 с.

5. Зевеке Г.В., Ионкин П.А., Нетушил А.В., Страхов С.В. Основы теории цепей.- М.: Энергоатомиздат, 1989.-528 с.

 6. Бакалов Г.В., Дмитриков В.Ф., Крук Б.Е.. Основы теории цепей.- М.: Радио и связь, 2000.-592 с.

7.Сборник задач по теоретическим основам электротехники/ Бессонов Л.Д., Демидова И.Г., Заруди М.Е. и др.-М.: Высшая школа, 1988.-543 с.

8.Карлащук В.И. Электронная лаборатория на IВМ РС. Программа Electronics Workbench и её применение.-М.:Солон-Р, 1999.-506 с.

9. Денисенко В.И., Креслина С.Ю. ТОЭ2. Конспект лекций. –Алматы: АИЭС,2007.-63 с.

10. Денисенко В.И., Светашев Г.М. ТОЭ3. Конспект лекций. –Алматы: АИЭС, 2007.-90 с.

Содержание

1 Порядок выполнения и оформления лабораторных работ   по дисциплинам «Цепи с распределенными и сосредоточенными

параметрами», «Теория четырехполюсников» 

2 Лабораторная работа № 1. Исследование пассивных симметричных четырехполюсников 

3 Лабораторная работа № 2. Исследование пассивных фильтров типа «К» с помощью компьютерного моделирования  

4 Лабораторная работа № 3. Исследование различных режимов в длинных линиях                                                                                                      

Список литературы   

Сводный план 2014г., поз. 32

Светлана Юрьевна Креслина
Эльмира Амиржановна Нурмадиева

ЦЕПИ С РАСПРЕДЕЛЕННЫМИ И СОСРЕДОТОЧЕННЫМИ ПАРАМЕТРАМИ.
ТЕОРИЯ ЧЕТЫРЕХПОЛЮСНИКОВ
Методические указания и задания к лабораторным работам
(для  специальности 5В070200 - Автоматизация и управление)

Редактор Н.М. Голева
Специалист по стандартизации  Н.К. Молдабекова

Подписано в печать «___»______
Формат 60х84     1/16
Тираж  100  экз.
Бумага типографская №1
Объём ___уч.изд.л.
Заказ_____Цена      тенге.

Копировально-множительное бюро
некоммерческого акционерного общества
«Алматинский университет энергетики и связи»
050013 Алматы, Байтурсынова, 126.