Ostfalia Hochschule für angewandte Wissenschaften Fakultät

Ostfalia Hochschule für
angewandte Wissenschaften
Fakultät Elektrotechnik
Labor Mess- und Elektrotechnik
Laborleiter: Prof. Dr. Ing. Uelzen
Versuch 3:
Laborbetreuer:
Netzwerkanalyseverfahren
1. Teilnehmer:
Matrikel-Nr.:
2. Teilnehmer:
Matrikel-Nr.:
Datum Durchf.
Gruppen-Kennz.
Tln.
Vorbereitung
Durchführung
Bericht
Gesamtnote
1.
2.
Der Laborbericht soll auch bzgl. formaler Mängel durchgesehen
und bewertet werden:
ja ◦
nein ◦
Lernziele:
• Selbstständige Analyse eines Gleichstromnetzwerks mit mehreren Quellen mittels ausgewählter Verfahren.
• Aufstellung der Leistungsbilanz für ein Gleichstromnetzwerk.
• Planung und selbstständige, zeiteffiziente Durchführung der Messung von Spannungen,
Strömen und widerständen in einem Netzwerk.
• Berechnung und ggf. fundierte Diskussion der absoluten und relativen Abweichung der
Messwerte gegenüber den dazugehörigen Rechenwerten.
1 Einarbeitung in das Netzwerk
V 1.1) Melden Sie sich bitte im Anschluss an Versuch 2 beim Laborpersonal und lassen
sich Ihr individuelles Netzwerk, das Sie berechnen und ausmessen sollen, aushändigen. Am
Ende des Versuchstermins muss der vollständige Bericht unaufgefordert abgegeben werden! Ihr
individuelles Netzwerk hat folgende Eigenschaften:
• Der Graph des Netzwerks entspricht dem
in Bild 1.1 dargestellten Graphen, wobei aber ein Zweig entfernt wurde. (Der
Knoten γ wird beim Versuch teilweise
mit κ bezeichnet).
• Es enthält
Abbildung 1.1: Graph des vollständigen Netzwerks mit Knoten- und Zweigbezeichnungen
4. September 2017
– in jedem Zweig mindestens einen
Widerstand
– 4 Spannungsquellen (A-D)
1 von 5
V 1.2) Arbeiten Sie sich anhand der folgenden Erläuterungen und [1] in die Funktion und Bedienung des Gerätes ein, mit dem die beiden in diesem Versuch verwendeten Netzwerke realisiert
werden. Die Zahlen in Klammern in der folgenden Liste beziehen sich auf die Beschriftung des
Bildes in [1]. Falls Sie nach dem gründlichen Durcharbeiten dieser Versuchsanleitung noch Fragen
haben, besuchen Sie bitte rechtzeitig vor dem Versuch die Sprechstunde des Laboringenieurs
zur Klärung von Fragen. Bei der Versuchsdurchführung muss das Gerät über den Trenntrafo
(27-XX) betrieben werden.
Das Gerät hat folgende Merkmale:
• Der Hauptschalter für die Spannungsversorgung befindet sich auf der Geräterückseite.
• An den gelben Buchsenpaaren (4) sind die Zweige aufgetrennt. So wird eine Messung der
Zweigströme ermöglicht.
• Die Spannungsquellen befinden sich in den Zweigen dort, wo die Kippschalter (7) eingebaut
sind. Mit den Kippschaltern können die Quellen aktiviert oder deaktiviert werden. Eine
Quelle ist aktiv, wenn der ihr zugeordnete Kippschalter sich in der mit einem roten
Punkt gekennzeichneten Stellung befindet. Die Spannungsquellen A bis C liefern jeweils
im Spannungsbereich von 4 V bis 12 V mit den Drehknöpfen (2) einzeln einstellbare
Spannungen. Der Akkumulator D liefert ca. 6, 35 V bei einem Maximalstrom von ID,max =
200 mA.
• Die Messung der Spannung der Quellen ist mittels der grünen (5) bzw. gelben (4) Buchsen
auf beiden Seiten der Kippschalter (7) möglich.
• Die Widerstände Rx befinden sich an den Stellen im Netzwerk, an denen die zugehörigen
Drehschalter (6) eingebaut sind. Für die Schalterpositionen von 0 bis 10 gilt: Rx =
100 · Positionsnummer. Hiervon abweichend gilt für die Position 11: Rx = 2 kΩ.
• Zur Zuordnung der Spannungsquellen zu den Zweigen des Netzwerks und zur Wahl der
Polarität der Quellen befinden sich am rechten Rand des Gerätes Drehschalter (1) und
Kippschalter (3). Die Ziffern an den Drehschaltern bezeichnen die Zweignummern (1...8,
siehe Bild 1.1), in die die jeweilige Quelle geschaltet wird. Steht der Kippschalter auf +, so
ist die Quellenspannung positiv, in der Stellung - ist sie negativ.
Jegliche Änderungen an der Verdrahtung des Netzwerks dürfen nur durchgeführt werden,
wenn sich der Hauptschalter des Gerätes in der Stellung AUS befindet. (Das Einstellen der
Quellenspannung ist erlaubt.)
4. September 2017
2 von 5
V 1.3) Stellen Sie für das Netzwerk aus Bild 2.1 das vollständige Gleichungssystem zur Berechnung aller Zweigströme mit Hilfe der Kirchhoffschen Sätze auf und lösen Sie es mit einem
beliebigen Verfahren oder Programm.
V 1.4) Berechnen Sie für das Netzwerk aus Bild 2.1 mittels PSPICE alle Zweigströme sowie die
Potentiale der echten und unechten Knoten gegenüber dem Bezugsknoten δ. Nehmen Sie die von
Ihnen eingegebene Schaltung in den Laborbericht auf. Jegliche Änderungen an der Verdrahtung
der Netzwerks dürfen nur durchgeführt werden, wenn sich der Hauptschalter des Gerätes in der
Stellung AUS befindet. (Das Einstellen der Quellenspannung ist erlaubt.)
2 Überprüfung der Funktion des Versuchsaufbaus
D 2.1) Bauen Sie das in 2.1 dargestellte Testnetzwerk vollständig mit allen erforderlichen
Messgeräten und Einstellungen auf, sodass nur noch Spannungsquellen nach Ausgabe des Netzkabels eingestellt werden müssen. Führen Sie ihren Aufbau dem Laborpersonal zur Überprüfung
vor. Falls Sie beim Aufbau so erhebliche fachliche Schwierigkeiten haben sollten, dass eine
erfolgreiche Durchführung des Versuches nicht zu erwarten oder eine Beschädigung von Geräte
zu befürchten ist, muss die Bearbeitung des Laborversuchs abgebrochen werden. Wenn der
Aufbau fehlerfrei ist, erhalten Sie das Netzkabel für das Gerät. Schalten Sie den Hauptschalter
des Gerätes ein und stellen Sie die Quellenspannungen der einstellbaren Spannungsquellen
mittels je eines Multimeters (10-XX), (11-XX) und (12-XX) unbedingt genau ein. Messen Sie
danach polaritätsrichtig den Strom I2 mit dem Digitalmultimeter (DMM) KeySight U1242C
(1-XX), I8 mit dem DMM (2-XX) sowie polaritätsrichtig die Spannung Uγδ mit dem DMM (3-XX).
Messen und protokollieren Sie die Spannung Uq5 mittels des DMM (4-XX). Beachten Sie, dass
die DMM unterschiedliche Eingangsbuchsen für Strom- und Spannungsmessung haben.
• R1 = 800 Ω, R2 = 100 Ω
• R3 = 800 Ω, R4 = 200 Ω
• R5 = 100 Ω, R6 = 100 Ω
• R7 = 300 Ω, R8 = 500 Ω
• Uq1 = 8 V, Uq2 = 10 V
• Uq3 = 6 V, Uq5 = 6, 35 V (Akku)
Abbildung 2.1: Testnetzwerk Versuch 3
Zeigen sie Ihre Messwerte dem Laborpersonal. Wenn die Messwerte richtig sind, erhalten sie
im Feld unter Bild 2.1 ein Testat als Bestätigung. Nach Abschluss aller Messungen sind alle
Quellen auf die Position 0 bzw. auf die Position ohne Beschriftung zurückzustellen. Sollte Ihr
Netzwerk während der Versuchsdurchführung Fehler aufweisen, erhalten Sie vom Laborpersonal
ein Ersatznetzwerk.
Bei mehr als 3 Fehlversuchen muss die Bearbeitung des Laborversuchs abgebrochen werden.
4. September 2017
3 von 5
Gruppenkennzeichen:
Testat zu Teil 2:
3 Maschenstromanalyse, Leistungsbilanz (gilt für individuell ausgegebenes Netzwerk)
V 3.1) Wählen Sie einen vollständigen Baum für Ihr ausgegebenes Netzwerk und zeichnen Sie
die von Ihnen gewählten Maschenströme zur Berechnung des Netzwerkes mittels der Maschenstromanalyse ein. Stellen Sie alle zur Berechnung der Zweigströme erforderlichen Gleichungen
auf. Lösen Sie das lineare Gleichungssystem mit einem beliebigen Verfahren oder Programm.
V 3.2) Stellen Sie nachvollziehbare Leistungsbilanzen für Ihr ausgegebenes Netzwerk a) in
allgemeiner (d.h. von den berechneten Zahlenwerten unabhängiger) Form und b) mit den
errechneten Zweigströmen auf. Erläutern Sie Ihren Ansatz.
D 3.1) Bauen sie Ihr ausgegebenes Netzwerk auf. Stellen Sie die Quellenspannungen der
einstellbaren Spannungsquellen mittels je eines Multimeters (10-XX), (11-XX) und (12-XX) ein.
Messen und protokollieren Sie die Spannung des Akkus mittels des DMM (4-XX).
D 3.2) Messen Sie nacheinander polaritätsrichtig mit einem DMM in sinnvollen Messbereichen
alle Zweigströme in Ihrem Netzwerk. Zeigen Sie einen der Messwerte dem Laborpersonal und
lassen Sie diesen Wert abzeichnen. Protokollieren Sie die tatsächliche Spannung des Akkus.
D 3.3) Messen Sie in einem von Ihnen ausgewählten Zweig den Strom und die Spannung über
dem zugehörigen Widerstand. Trennen Sie diesen Zweig auf und ersetzen den Widerstand durch
einen externen Widerstand (30-XX), der den Zustand des Netzwerks nicht verändert. Messen
Sie den Zweigstrom und die Spannung über dem neuen Widerstand und bestimmen in beiden
Fällen die umgesetzte Leistung. Tragen Sie diese Werte in Tabelle 3.2 ein und lasse diese durch
das Laborpersonal abzeichnen.
Tabelle 3.1: Ausgewählter Zweig
Zweig
Widerstand
Tabelle 3.2: Gemessene Größen
Interner Widerstand
externer Widerstand
Strom
Spannung
umgesetzte Leistung
Testat zu D 3.3:
4. September 2017
4 von 5
A 3.1) Vergleichen Sie die Messergebnisse für den Internen und externen Widerstand. Berechnen
Sie die absoluten und relativen Abweichungen zwischen den Werten und diskutieren Sie mögliche
Ursachen unerwarteter Abweichungen. Wie wirken sich Abweichungen der Messwerten für Strom
und Spannung auf die Abweichung der berechneten Leistungen aus? (Hinweis die einzelnen
Messwerte können als Summe aus dem wahren Wert und der absoluten Abweichung aufgefasst
werden)
A 3.2) Vergleichen Sie die Ermittelten Leistungen mit den Ergebnissen Ihrer Leistungsbilanz.
Diskutieren Sie mögliche Ursachen unerwarteter Abweichungen.
A 3.3) Haben Sie eine die Messung am externen Widerstand Spannungs- oder Strom-richtig
durchgeführt? Begründen Sie ihre Auswahl.
4 Knotenpotentialanalyse (gilt für individuell ausgegebenes Netzwerk)
V 4.1) Stellen Sie das zur Berechnung der Knotenpotentiale Ihrer Schaltung erforderliche lineare
Gleichungssystem sowie die zur Berechnung der Zweigströme erforderlichen Gleichungen auf.
Als Bezugsknoten ist der Knoten δ zu wählen. Lösen Sie die Gleichungen mit einem Verfahren
oder Programm Ihrer Wahl. Bestimmen Sie auch die Potentiale der unechten Knoten.
D 4.1) Messen Sie nacheinander polaritätsrichtig mit einem DMM die Potentiale der echten
und unechten Knoten in Ihrem Netzwerk gegenüber dem Bezugsknoten δ. Zeigen Sie einen der
Messwerte dem Laborpersonal und lassen Sie diesen Wert abzeichnen. Messen und protokollieren
Sie die Spannung des Akkus mittels DMM (4-XX).
A 4.1) Stellen Sie in einer Tabelle die gemessenen den berechneten Potentialen gegenüber.
Berechnen Sie die absoluten und relativen Abweichungen und diskutieren Sie die möglichen
Ursachen unerwartet großer Abweichungen.
5 Rückmeldung zum Inhalt des Laborversuchs
A 5.1) Was hat Ihnen an diesem Versuch besonders gut gefallen?
A 5.2) Welche konkreten Verbesserungsvorschläge haben Sie für diesen Versuch?
Besonderer Dank gilt Prof. Dr. Ose und Prof. Dr. Harriehausen für die Mitarbeit an der
Erstellung dieses Versuchs.
Literatur
[1] Steiger, U.:
Gerätebeschreibung Netzwerk zum Versuch V3.
Wolfenbüttel: Ostfalia Hochschule für angewandte Wissenschaften, Fakultät Elektrotechnik, 2011.
https:
//www.ostfalia.de/export/sites/default/de/pws/meierph/Lehre/Labore/Labor_MET/
GeraetebeschreibungenPDF/Netzwerk_Versuch5_v3.pdf, Abruf: 6.10.2016
4. September 2017
5 von 5