Педагогические науки/5. Современные методы преподавания

Дружинин В.М.

Карагандинский государственный индустриальный университет, Казахстан

Виртуальные лабораторные работы в учебном процессе

Силовые преобразовательные устройства – это наиболее быстро развивающаяся научная и техническая дисциплина. Эта дисциплина включает в себя знания основ силовой электроники и преобразовательной техники.

Владение теорией в области современной промышленной электроники и преобразовательной техники является необходимым элементом технической культуры, важной составляющей профессиональной подготовки и востребованности современного специалиста на рынке труда. Достижение этой цели сегодня возможно лишь при использовании новых форм обучения с применением новых компьютерных технологий, базирующихся на современных прикладных программных пакетах[1].

Современные компьютерные технологии, предоставляют возможность более глубокого изучения вопросов, связанных с функционированием электронных устройств. Они позволяют качественно изменить и существенно улучшить технологию изучения, перевести ее в виртуальную действительность, осуществить в этой виртуальной лаборатории необходимые исследования с получением количественных результатов.

Однако проблемы, возникающие на пути решения этой задачи, могут быть преодолены только путем глубокого изучения физических явлений во всех элементах схем. Проще сказать, для грамотного использования компьютера необходимо хорошо знать и понимать физику работы отдельных элементов изучаемой системы, их взаимосвязь и взаимозависимость.

В настоящее время имеется обширная литература по преобразовательной технике и промышленной электронике, с другой стороны, имеется литература по прикладным пакетам. Однако работ, где рассматривались бы вопросы исследования электронных схем преобразовательной техники с помощью компьютерных программ очень мало[1].

Вузовские программы технических дисциплин предусматривают в обязательном порядке проведение практических и лабораторных занятий. Эти занятия позволяют закрепить теоретические знания и выработать у студента практические навыки. Лабораторные работы по дисциплине «Силовые преобразовательные устройства» проводятся на физических макетах. Их полезность и необходимость неоспоримы. Однако реальные лабораторные установки имеют ряд ограничений: они недостаточно универсальны, их количество в лаборатории ограничено, работа на них небезопасна как для студента, так и для самой установки. Таким образом, лабораторные работы проводятся в подгруппах из нескольких человек, где ограничена возможность выдачи индивидуального задания каждому студенту[2].

В настоящее время большое распространение получили виртуальные лабораторные работы, которые позволяют интерактивно моделировать реальный технический объект и предоставляют прекрасную возможность изучения его свойств посредством компьютерной визуализации.

Возможности современных имитационных компьютерных моделей создают полную иллюзию работы с реальным оборудованием. В таком подходе есть положительный момент, позволяющий реализовать каждому студенту свои индивидуальные творческие способности. Находясь в виртуальной лаборатории, можно выбрать виртуальные приборы и оборудование, собрать на виртуальном стенде схему эксперимента по своему индивидуальному заданию, провести поисковое моделирование исследуемого физического процесса при различных заданных параметрах и ограничениях, обработать результаты исследования, не затрачивая усилий на рутинные расчеты и графические построения.

Библиотека блоков SimPowerSystems пакета прикладных программ MatLab является одной из дополнительных библиотек Simulink, ориентированных на моделирование конкретных устройств. SimPowerSystems состоит из блоков для имитационного моделирования электротехнических устройств. В состав библиотеки входят модели пассивных электротехнических элементов, источников энергии, электродвигателей, трансформаторов, линий электропередач и блоки для моделирования устройств силовой электроники. Используя специальные возможности Simulink и SimPowerSystems, студент имеет возможность не только имитировать работу устройств, но и выполнять различные виды анализа таких устройств. Так, например, студент может рассчитать установившийся режим работы системы на переменном токе, получить частотные характеристики, проанализировать устойчивость, выполнить анализ токов и напряжений[3].

Несомненным достоинством SimPowerSystems является то, что сложные электротехнические системы можно моделировать, применяя методы имитационного и структурного моделирования. Например, силовую часть полупроводникового преобразователя энергии можно выполнить с использованием имитационных блоков SimPowerSystems, а систему управления с помощью дополнительных блоков библиотеки Simulink, отражающих лишь алгоритм ее работы, а не ее электрическую схему. Такой подход, позволяет значительно упростить всю модель, а значить повысить ее работоспособность[3].

Так при исследовании однофазного двухполупериодного управляемого выпрямителя в пакете прикладных программ собирается схема виртуальной лабораторной установки, представленная на рисунке 1[2].

Реализация силовых блоков Управляемого Выпрямителя (УВ) осуществляется с использованием виртуальных блоков из библиотеки Power System Blockset.

Она содержит: источник синусоидального напряжения (220 V, 50 Hz); трансформатор (Linear Transformer); активно-индуктивную нагрузку с противо-э.д.с. (R, L), (Е); обратный диод (Diode); измерители мгновенных токов и напряжения в источнике питания и нагрузке; блоки для измерения гармонических составляющих тока питания (Fourier II) и тока тиристора (Fourier TO); блоки для измерения гармонических составляющих тока и напряжения нагрузки (Fourier I0) и (Fourier UO); блок для измерения действующего тока тиристора (RMS ТО); блок для наблюдения (измерения) мгновенных значений тока в цепи питания, тока нагрузки и напряжения на нагрузке (Scope); блок для наблюдения (измерения) мгновенных значений величин, которые выбраны в поле Measurement соответствующих блоков (Multimeter); блок для измерения амплитудного значения тока и его фазы в цепи питания (Displayl) и блок для измерения средних значений тока и напряжения на нагрузке (Display); блок для измерения среднего и действующего значения тока тиристора (Display2); однофазный тиристорный мост (Universal Bridge); блок То Workspace, предназначенный для передачи исследуемого сигнала в рабочее пространство MatLab с последующей обработкой пакетом расширения Signal Processing Toolbox для исследования гармонического спектра тока потребления[2].

Рисунок 1 - Модель однофазного управляемого выпрямителя

Модель блока управления (Control system) показана на рисунке 2.

На вход Inl блока поступает синхронизирующий сигнал от сети и сигнал задания угла управления (вход In2) [2].

Рисунок 2 - Модель блока управления

Схема управления мостовым управляемым выпрямителем показана на рисунке 3. Она реализована на блоках основной библиотеки Simulink в соответствии с функциональной схемой[2].

Рисунок 3 - Модель блока управления однофазным мостовым УВ

Амплитуда первой гармоники в источнике питания и начальная фаза этого тока определяются по показаниям Display 1, ток и напряжение на нагрузке определяются по показаниям Display. Мгновенные значения этих величин можно наблюдать на экране осциллоскопа (рисунок 4).

В графическом окне блока Multimeter (рисунок 5) наблюдаются и определяются максимальные напряжение и ток тиристора управляемого выпрямителя. Средний и эффективный 1Т ток тиристора определяются по показаниям Display2[2].

Рисунок 4 - Мгновенные токи и напряжение управляемого выпрямителя

Рисунок 5 - Напряжение и ток на тиристоре УВ

Спектральный состав тока показан на рисунке 6.

Рисунок 6 - Спектр тока питания УВ

Графики показывают широкие возможности пакета прикладных программ MatLab и подтверждают теоретические выводы.

Таким образом, виртуальные лабораторные работы могут служить хорошей базой для экспериментальных исследований и дополнительным средством закрепления теоретического материала.

Литература

1. Лурье М.С., Лурье О.М. Имитационное моделирование схем преобразовательной техники. - Красноярск: СибГТУ, 2007.- 138 с.

2. Герман-Галкин С.Г. Силовая электроника: Лабораторные работы на ПК. – СПб.: Учитель и ученик. КОРОНА принт 2009-309с.

3. Фешин Б.Н. Математическое моделирование динамических систем. Учебное пособие. — Караганда: КарГТУ, 1998. — 195с.