Индуктивность в цепи постоянного тока

В данном уроке приведено описание простых шагов по созданию электрической цепи постоянного тока с резистором и катушкой индуктивности.

В данном уроке рассматривается задача, в которой осуществляется моделирование переходных процессов в цепи постоянного тока при включении катушки индуктивности. В результате расчета требуется определить величину тока и напряжения в цепи до и после включения катушки индуктивности.

1.  Создание и настройка проекта

Для начала требуется создать новый проект и присвоить ему название, например, Индуктивность в цепи постоянного тока.

На следующем шаге нужно (см. рис. 1 ниже):

1. Отключить параметр Синхронизация с реальным временем, для того, чтобы была возможность устанавливать время моделирования < 1 [с];

2. Настроить Время моделирования, присвоив соответствующему параметру проекта значение 0.2 [с];

3. Настроить Шаг интегрирования, присвоив соответствующему параметру проекта значение 0.05 [мс];

4. Настроить Шаг дискретизации, присвоив соответствующему параметру проекта значение 0.05 [мс].

Важно

В REPEAT VISION десятичные числа задаются через точку.

Рис. 1 Настройка проекта

Приступим к выполнению основных шагов по созданию цепи, открыв библиотеку Электроника.

2.  Создание источника напряжения

Добавим первый блок нашей цепи (см. рис. 2 ниже), для этого перенесем на рабочую область блок Источник напряжения для питания цепи постоянного тока.

В свойствах первого блока нужно:

1. Указать значение напряжения - 27 [В];

2. Указать значение внутреннего сопротивления – 0.1 [Ом].

Рис. 2 Добавление и настройка блока Источник напряжения

В результате проект готов для добавления Узлов. Сохраните проект и продолжите выполнения следующих шагов.

3.  Создание узлов

Для возможности подключения вольтметра и создания параллельной цепи добавим блок Узел, для этого необходимо перенести одноимённый блок на рабочую поверхность, затем повернуть блок на 90\(^0\) влево для дальнейшего удобства построения схемы и указать значение свойства Количество выходных портов – 2 (см. рис. 3 ниже).

Далее нужно копировать блок Узел, выделив его (нажать по блоку ЛКМ) затем команды CTRL+C, CTRL+V.

После этого добавляем третий блок Узел на рабочую поверхность со следующими свойствами (см. рис. 3 ниже):

1. Количество входных портов – 2;

2. Количество выходных портов – 2.

Рис. 3 Настройка блоков Узел

Размещаем и соединяем блоки в соответствии с рис. 4:

Рис. 4 Размещение и подключение блоков Узел

Сохраняемся и переходим к добавлению измерительных элементов.

4.  Добавление измерительных элементов

Для измерения параметров цепи добавим блоки Амперметр, в количестве трёх штук, и Вольтметр, который необходимо повернуть на 90\(^0\) вправо (смотри примечание под рисунком).

Размещаем и соединяем блоки в соответствии с рис. 5:

Рис. 5 Добавление и подключение измерительных элементов

Важно

Для получения корректных показаний вольтметра необходимо, чтобы вход «+» вольтметра и выход «+» источника напряжения были подключены к одному и тому же узлу, аналогично вход «-» вольтметра и вход «-» источника напряжения также должны быть подключены к одному узлу. Иначе получим отрицательное напряжение.

5.  Создание резисторов

Для установки сопротивлений добавим блоки Резистор. Переносим одноимённый блок №9 (см. рис. 6 ниже) на рабочую поверхность, в его свойствах укажем значение сопротивления – 1.5 [Ом]. Затем переносим ещё один блок №10 (см. рис. 7 ниже) резистора на рабочую поверхность, и указываем значение сопротивления – 5 [Ом], поворачиваем его на 90\(^0\) вправо для дальнейшего удобства построения схемы.

После чего соедините блоки в соответствии с рисунками (рис. 6 и рис. 7), на которых показано размещение резисторов (блоки №9 и №10).

Рис. 6 Добавление блока №9

Рис. 7 Добавление блока №10

6.  Создаём катушку индуктивности

Для накопления энергии магнитного поля переносим блок Катушка индуктивности на рабочую поверхность и поворачиваем его на 90\(^0\) вправо для удобства построения схемы. Задаём значение свойства Индуктивность – 0.005 [Гн].

Размещаем и соединяем блок в соответствии с рис. 8:

Рис. 8 Добавление и подключение блока Катушка индуктивности

7.  Добавляем идеальный ключ

Переносим одноимённый блок Идеальный ключ на холст. В свойствах блока отключаем опцию Учет демпферной цепи, остальные параметры оставляем без изменений.

Размещаем и соединяем блок в соответствии с рис. 9:

Рис. 9 Добавление и подключение блока Идеальный ключ

8.  Создаём постоянно-кусочную функцию

Для управления идеальным ключом необходимо добавить блок Постоянно-кусочная функция (из раздела Автоматика во вкладке Источники). Переносим его на холст и в свойствах блока необходимо задать следующие значения:

1. Вектор аргументов времени: 0;0.1;

2. Вектор значений функции: 0;1;

3. Опция Периодичность: отключить.

Заданные параметры позволят получить функцию, которая:

• в интервале времени от 0 до 0.1 [с] принимает значение 0;

• с 0.1 с до 0.2 [с] значение функции будет равно 1.

Размещаем и соединяем блок в соответствии с рис. 10:

Рис. 10 Подключение и настройка блока Постоянно-кусочная функция

9.  Добавляем графики для визуализации

Переходим во вкладку Визуализация:

1. Добавляем один график для вывода сигнала вольтметра;

2. Добавим второй график для вывода сигнала трёх амперметров, рис. 11:

Рис. 11 Добавление графиков

Запустите расчёт кнопкой «Запустить моделирование»

Расчёт должен успешно завершиться следующим сообщением:

Расчет остановлен со стороны решателя. Достигнут лимит модельного времени.

Полученная схема работает следующим образом – в интервале времени от 0 до 0.1 [с] ток от источника напряжения протекает через резисторы (блоки 9 и 10), рис. 12:

Рис. 12 Работа схемы в интервале от 0 до 0.1 [с]

После 0.1 [с] замыкается ключ блок №12 и ток начинает протекать также через катушку индуктивности блок №11, рис. 13:

Рис. 13 Работа схемы после 0.1 [с]

10.  Анализ результатов расчёта

Результаты моделирования соответствуют теоретическим зависимостям – Катушка индуктивности в цепи постоянного тока не оказывает сопротивления протекающему току. Поэтому при замыкании ключа ток переходит с резистора (блок №10) на катушку (блок №11), а ток в неразветвленной части цепи увеличивается приблизительно в 4 раза – с 4.1 [А] до 16.9 [А] (показания Амперметра блок №6). При этом из-за явления самоиндукции ток через катушку индуктивности нарастает постепенно. Напряжение источника после подключения индуктивности уменьшается с 26.6 [В] до 25.3 [В] из-за увеличения тока в цепи и роста потерь напряжения на его внутреннем сопротивлении.

11.  Выводы

В результате выполнения данного урока вы получили базовые знания для создания электрической цепи постоянного тока с резистором и катушкой индуктивности. Вы научились:

• Задавать параметры блоков Катушка индуктивности, Идеальный ключ, Постоянно-кусочная функция.

• Использовать блок Идеальный ключ для изменения конфигурации цепи.

• Использовать блок Постоянно-кусочная функция для управления состоянием блока Идеальный ключ.