Введение

За последние десятилетия наблюдается существенное увеличение объемов и сложности учебных материалов, изучаемых в средней и высшей школах. При этом во многих учебных заведениях наблюдается недостаток высококвалифицированных преподавательских кадров. Большие трудности часто возникают при оперативной подготовке, изготовлении и распространении учебных пособий различных видов. Указанные факторы негативно сказываются на качестве подготовки обучаемых. В связи с этим большое внимание уделяется применению прогрессивных методик обучения, в том числе предполагающих использование вычислительной техники.

Первым условием успешной подготовки инженеров-электриков является наличие хорошо оборудованных и оснащенных учебных лабораторий, в которых студенты могут не только ознакомиться с теоретическими аспектами изучаемых предметов, но и проделать целый ряд практических работ, способствующих закреплению теоретического материала и приобретению навыков работы с электрическим оборудованием.

Правильно организованные лабораторные занятия способствуют творческому усвоению теоретического материала, развивают умение пользоваться оборудованием в самом широком смысле этого слова, непосредственно знакомят с методами исследований, обобщение и обработки полученных данных.

Дисциплина «Теория моделирования в инженерной практике» является одной из основных дисциплин специальности 140211.

Принцип постоянной связи теории и практики, обязательный при изучении курса «Теория моделирования в инженерной практике», получает непосредственное осуществление в ходе практических и лабораторных работ.

Целью работы в лаборатории является опытная проверка в реальных условиях выводов теоретического материала, сделанных обычно с допущением ряда упрощающих предложений. Поэтому опыт, хорошо иллюстрирующий теорию, будет способствовать лучшему усвоению изучаемого материала.

Из всего выше сказанного следует необходимость проведения лабораторных работ на базе универсальных стендов.

Однако выполнение лабораторных работ на базе универсальных стендов имеет ряд проблемных особенностей, в числе которых, и это относится ко всем профилирующим дисциплинам, изучаемым в вузе, можно отметить следующее:

- Необходимость фронтального проведения работ приводит к тому, что несколько лабораторных работ (до 4-6 и более) приходится размещать на одном стенде, что возможно лишь при значительном усложнении принципиальных схем за счет оснащения их множеством дополнительных переключателей, тумблеров, гнезд, алгоритмов переключения тумблеров, в результате чего наглядность стенда и обучающий эффект сводятся на нет и студенты тратят большую часть времени не на осмысливание эксперимента и выяснение его связи с теорией, а на разгадывание своеобразного «кроссворда» по правильному включению стенда.

- Большинство компонентов лабораторных работ «упрятано» в стенды и никак не могут способствовать процессу обучения, а на «поверхности» остаются, по существу, только запутанные принципиальные электрические схемы, о проблемах работы с которыми уже упоминалось.

- С целью обеспечения сохранности амперметров, вольтметров и других приборов их приходится встраивать в стенд, подключая посредством дополнительных переключателей, в результате чего наглядность включения того или иного прибора в электрическую цепь снижается и не имеет никакого отношения к тому, чем будут заниматься выпускники вуза на производстве.

- В результате перегрузки стенда комплектующими (при фронтальном проведении лабораторных работ) приходится использовать измерительные приборы с маленькими шкалами, а такие приборы, как известно, имеют погрешность измерения до 4% и часто калибруются кустарными методами, что сказывается на чистоте проведения экспериментов, поскольку получаемые графические зависимости даже отдаленно не похожи на теоретические графики.

- Лабораторные стенды, как правило, не имеют стабилизированного питания, что добавляет в погрешность эксперимента еще до 10-15%.

- Состояние используемых отдельно от стенда приборов (осциллографов, генераторов, ваттметров и т.д.), как правило, не выдерживает никакой критики, не говоря уже о метрологической аттестации, и требует виртуозного мастерства при их использовании, чем, естественно, студенты не обладают, а потому значительную часть лабораторных работ вынуждены выполнять преподаватели.

- Универсальные стенды не позволяют в автоматизированном режиме обрабатывать полученную информацию, строить графики, аппроксимировать их, исследовать, распечатывать и т.д.

- Надежность универсальных стендов не высока в связи с тем, что с ними работают студенты, квалификация которых всегда будет желать лучшего.

- Возможности расширения экспериментов на универсальных стендах ограничены, а возможности их модернизации сопряжены со значительными финансовыми, материальными, временными и трудовыми затратами.

- Невозможность исследования принципиальных электрических схем и электроустановок в реальном масштабе токов, напряжений и мощностей и в измененном масштабе времени.

- Архаичные методы снятия характеристик, например, подбором конденсаторов и сопротивлений с фиксированными номинальными значениями, не обеспечивают адекватного отображения изучаемых процессов и только вводят студентов в заблуждение относительно истинного хода тех или иных экспериментально получаемых кривых.

- В условиях нехватки учебных площадей выделение помещений под универсальные стенды для одной дисциплины является проблематичным, а на выделенных площадях практически невозможно уберечь стенды от варварского отношения студентов с других факультетов и специальностей.

В связи с изложенным представляется целесообразным дополнить, а в ряде случаев и заменить, лабораторные стенды компьютерными имитационными моделями, тем более что и компьютерная база в вузе окрепла, и студенты на первых курсах получают солидную компьютерную подготовку, в том числе и по самым мощным и современным компьютерным моделирующим пакетам (для студентов нашей специальности читаются три дисциплины, предусматривающие использование упомянутых компьютерных пакетов: «Теория моделирования в инженерной практике» и «Техническая диагностика электроустановок»).

Использование компьютерных имитационных моделей при выполнении лабораторных работ по теоретическим основам электротехники имеет следующие преимущества:

- Высокая наглядность при создании и исследовании принципиальных электрических схем, возможность разработки и исследования не ограниченного количества отдельных принципиальных электрических схем.

- Возможность не ограниченного использования необходимых современных измерительных приборов в имитационном исполнении, стоимость которых при их приобретении зачастую не под силу вузу.

- Возможность использования уже имеющихся моделей самого разнообразного электрооборудования: трансформаторов, генераторов, электродвигателей, линий с распределенными и сосредоточенными параметрами, высоковольтной и низковольтной коммутирующей аппаратуры, силовых вентилей, преобразователей, тиристоров и т. д.

- Возможность исследования моделей в реальном времени, в измененном времени и в реальном масштабе токов, напряжений и мощностей, что практически не достижимо для лабораторных стендов.

- Легкость фронтального проведения лабораторных работ.

- Сопоставимая стоимость оборудования (компьютеров) для проведения лабораторных работ со стоимостью стендов.

- Высокая надежность проведения лабораторных работ.

- Высочайшая точность измерений, что обеспечивает чистоту проведения экспериментов.

- Стабилизированное питание компьютеров исключает влияние бросков напряжения в сети на результаты экспериментов.

- Возможность в автоматизированном режиме обрабатывать полученную информацию, строить графики, аппроксимировать их, исследовать, распечатывать и т.д.

- Возможности неограниченного расширения экспериментов и модернизации лабораторных работ не сопряжены со значительными финансовыми, материальными, временными и трудовыми затратами.

- Современные методы снятия характеристик, например, линейно изменяющейся частотой, напряжением, током и т.д., обеспечивают адекватное отображение изучаемых процессов и не вводят студентов в заблуждение относительно истинного хода тех или иных экспериментально получаемых кривых.

- В условиях нехватки учебных площадей выделение помещений под компьютерный класс для одной дисциплины не является проблематичным, поскольку на выделенных площадях можно проводить (с использованием компьютеров) лабораторные, практические и лекционные занятия по другим специальным дисциплинам других факультетов и специальностей.

При исследовании условий работы сложных технических устройств и сооружений в настоящее время широко применяют методы физического и математического моделирования. Это значит, что исследование того, или иного объекта заменяется исследованием его модели, воспроизводящей интересующие свойства этого объекта. В том случае, когда модель имеет ту же физическую природу, что и исследуемый оригинал, говорят о физическом моделировании. Если же свойства модели характеризуются уравнениями, аналогичными уравнениям, которые определяют свойства модели, но физическая природа оригинала и модели различна, моделирование называют математическим.

Методы физического и математического моделирования используются и для расчетов электрических сетей, схемы электрических соединений которых содержат большое количест­во замкнутых контуров.

Модели электрических сетей, построенные на принципах математического моделирования, иногда называются расчетными столами. Каждый элемент сети на них представляется схемой замещения, которая является моделью элемента. Расчетные столы переменного тока достаточно точно позволяют воспроиз­водить режимы сетей переменного тока.

Расчетный стол переменного тока содержит набор регули­руемых активных и индуктивных сопротивлений, а также кон­денсаторов, с помощью которых воспроизводятся схемы замеще­ния линий электрической сети и ее нагрузок.

Коммутация элементов и подключение измерительных прибо­ров производится на лицевой панели с помощью соединительных проводов.

Для контроля за параметрами режима расчетные столы снабжаются комплектами многопредельных измерительных прибо­ров.

Приборы, входящие в такой комплект, характеризуются малым внутренним потреблением мощности, благодаря чему включение их в схему, набранную на расчетном столе, практи­чески не изменяет режима этой схемы.

В настоящей работе разработан способ определения пара­метров режима модели электрической сети переменного тока напряжением 110 кВ (активной, реактивной, полной мощности и cos φ), основанный только на измерениях тока и напряжения при известных или измеренных заранее активных и реактивных соп­ротивлениях модели.

Произведена так же модернизация виртуальных лабораторных работ и методического руководства по дисциплине «Теория моделирования в инженерной практике» с помощью новейших пакетов для моделирования электрических, электронных и энергетических систем, а также отражены результаты моделирования.