CC BY
217
Международный электронный научный журнал ISSN 2307-2334 (Онлайн)
Адрес статьи: pnojournal.wordpress.com/archive15/15-02/ Дата публикации: 1.05.2015
№ 2 (14). С. 108-113. УДК 004.42
Г. П. КАРАБАШЕВ, Е. Г. КАРАБАШЕВА
Виртуальные приборы в курсе теоретические основы электротехники
Изучение электротехники, электроники и других электротехнических дисциплин связано с необходимостью применения приборов для исследования быстро протекающих процессов. Это дисциплины, в которых применение информационных технологий весьма актуально. При этом желательно, чтобы среда программирования была доступна для использования преподавателями этих дисциплин, а разработанные на её основе учебные материалы были легки для освоения студентами.
В статье рассмотрен один из подходов по разработке виртуальных установок для учебного процесса курса теоретические основы электротехники в программной среде LabVIEW.
Приборы представляют собой математические модели и их программы базируются на законах и методах расчёта электротехники Пользование этими приборами не вызывает у студентов дополнительных трудностей, связанных с используемой программной средой. Приведены примеры использования конкретных виртуальных приборов, которые по своим функциям и характеристикам намного превосходят реальные, применяющиеся в учебном процессе.
Ключевые слова: виртуальные приборы, электрическая схема, волновая, векторная диаграмма, трёхфазные цепи, лицевая панель, несинусоидальные токи
Perspectives of Science & Education. 2015. 2 (14)
International Scientific Electronic Journal ISSN 2307-2334 (Online)
Available: psejournal.wordpress.com/archive15/15-02/ Accepted: 25 March 2015 No. 2 (14). pp. 108-113.
G. P. Karabashev, E. G. Karabasheva
Virtual devices in a course theoretical bases electrical engineers
The necessity of applying devices, measuring fast processes, has led to studying electrotechnical disciplines, including electrical engineering and electronics. For these disciplines using up-to-date technologies is very important. It has been, therefore, considered relevant for tutors to have an easy access to programming environment whereas developed on its ground teaching materials were easily available for students.
In this article authors have shown one of the approaches on working with virtual installations for educational process. This has been done for the foundation course of theoretical electrical engineering in the Lab VIEW program environment.
Devices represent mathematical models and their programs. They are based on electrical engineering calculating methods, designed not to cause students additional difficulties related to program environment. There are examples of specific virtual devices, which compare to real ones applying in educational process, are more superior in their functional characteristics.
Keywords: virtual devices, the electric scheme, the wave, vector diagramme, three-phase chains, the obverse panel, not sinusoidal currents
Введение
?"у^урс «Теоретические основы электротехники» (ТОЭ) является базовой дисциплиной для электротехнических специальностей и представляет для вВудентов определенные трудности. Это первая электротехническая дисциплина их обучения в ВУЗе, когда исследуются явления в реальных устройствах (цепях) с сопутствующими необходимыми или проверочными расчетами [1,2]. Выполнение расчетных заданий, решение задач по изучаемым темам требует конкретного применения знаний, полученных в предшествующих курсах математики и физики.
По учебному плану для освоения курса более половины учебного времени отводится на самостоятельную работу. Если расчетную часть работы можно выполнять дома без проблем, то с лабораторным практикумом сложнее. Эту проблему в курсе ТОЭ можно частично решить с помощью виртуальных приборов. Для этого разрабатываются компьютерные программы основных лабораторных работ, с которыми студенты могли бы работать вне аудиторий.
В отличие от других электротехник курсу теоретические основы электротехники присуще более глубокое проникновение в явления, происходящие в электрических цепях. В учебном процессе этого курса основное внимание обращается не на сборку схем, подключение приборов, хотя это имеет значение и место на лабораторных работах в лабораториях на реальных установках, а на количественные соотношения электрических величин, точную и наглядную оценку результатов. Поэтому используется минимальное число элементов схем (эквивалентных схем замещения реальных цепей). Во многих лабораторных работах, как правило, исследуется по одной, две схемы: резонанс напряжений, резонанс токов, цепи с взаимной индукцией, четырехполюсник, трехфазные цепи и т.д.
Другой особенностью этого курса является необходимость количественной и качественной оценки явлений в электрических цепях с помощью приборов регистрации быстротекущих процессов и различных графических диаграмм: волновых, векторных, топографических, круговых.
Виртуальная лаборатория предоставляет студентам возможность повторить эксперименты дома, создать и изучить режимы, которые в отдельных случаях трудно достичь на реальных ¡установках. Например, при проведении исследований резонансных явлений в электрических цепях, аварийных режимов в трехфазных си-Цтемах и т.п. Студенты и на виртуальных приборах получают навыки исследовательской деятельности, учатся добывать знания самостоятельно.
Резулътаты работы
Для реализации задач разработки виртуальных приборов нужно определить
- целесообразную программную среду,
- тематику и содержание учебных заданий и работ,
- форму и место использования их в учебном процессе,
- перспективы совершенствования и области применения.
В основе функционирования большинства виртуальных приборов для рассматриваемого курса целесообразно использовать математические модели изучаемых процессов с помощью законов электротехники, методов расчета цепей и т.д.
В основе функционирования виртуальных приборов заложены математические модели изучаемых процессов. В них используются законы электротехники, методы расчета цепей, решения систем уравнений.
Существует ряд программ компьютерного моделирования электротехнических устройств. Большинство из них требует серьезной подготовки и наличия специальных знаний как при разработки приборов, так и при пользовании ими. Это представляет дополнительные трудности для студентов в освоении учебного материала по курсам, в которых применяются эти компьютерные программы.
При работе с виртуальными приборами, созданными в программной среде LabVIEW [1], не требуется владения этой специальной прикладной программой. Достаточно лишь элементарных практических навыков пользователя ПК. Основные требования, предъявляемые к студентам при выполнении виртуальной лабораторной работы, не отличаются от тех, которые предъявляются при работе на реальных электроустановках учебной лаборатории.
Для преподавателей как разработчиков таких учебных программ эта программная среда также легко осваивается и эффективно используется [6,7,8].
На этой базе были разработаны и используются в учебном процессе виртуальные приборы на практических занятиях, в лабораторном практикуме, для самостоятельной работы студентов [9,10].
Рассмотрим прибор для исследования режимов цепи с последовательным соединением элементов R,L,C.
Лицевая панель прибора состоит из четырех частей:
- программа работы,
- электрическая схема и задатчики параметров цепи,
- экран волновых диаграмм,
- экран векторной и топографической диаграмм.
125,49
) 318,966
Волновые диаграммы цепи R,L,C 100- 2- 100-1
Волновая и векторная диаграмма цепи с последовательным соединением (У-С.
1. Установите режим цепи: ивх=100 В, f=□ гр.,К= 100 Ом, 1_=0,5 Гн, С=50 мкФ, 250 1/с. Включите прибор, нажав стрелку пуска. Ознаквмтесь с волновой и векторной диаграммами этого режима цепи, определите начальные фазы и амплитуды электрических величин на обеих диаграммах. Как расположены электрические величин друг относительно друга?
2. Изменяя поочерёно и ивх пронабдюдайте изменения синусоид и векторов электрических величин на волновой и векторной диаграммах.
3. Оставляя неизменными заданые, поочерёдным изменением 1,С,ж введите каждый раз цепь в режим резонанса напряжений. Проверьтекаждый раз этот режим по условию резонанса расчётным путём, Определите добротность цепи,
Векторная диаграмма цепи R,L,C 50 - 1-й
Рис. 1. Исследование цепи с последовательным соединением элементов R,L,C
Такой прибор, как и другие, является частью лабораторного практикума, может использоваться на практических занятиях и для самостоятельной работы.. Для лучшей наглядности рассмотрим элементы лицевой панели по отдельности.
С помощью регулируемых задатчиков или набором на их цифровых дисплеях задаются параметры исследуемых режимов цепи (Рис.2).
Программа работы с прибором дается в методическом указании практикума и дополняется конкретными указаниями на лицевой панели прибора (Рис. 3).
На экране волновых диаграмм (Рис.4)изо-бражаются волновые диаграммы всех электрических величин исследуемой цепи во всех режимах в соответствии с выполняемой программой. Волновым диаграммам для каждого режима цепи соответствуют векторные диаграммы (Рис.5).
Особенно целесообразно использовать виртуальные приборы для изучения процессов в линейных электрических цепях с источниками несинусоидального напряжения. На рис.6 показан прибор для изучения свойств схем соединения трехфазных источников несинусоидального напряжения в звезду и треугольник. На лицевой панели прибора представлены схемы соедине-
STOP
Um
д
45098
100
I I I I
$ 125,49
| I I I I | I I I I |
0,5 0 100 200
0 100 180
51064Е-5
Рис. 2. Задатчики режимов цепи
pnojournal.wordpress.com 110
Волновая и векторная диаграмма цепи с последовательным соединением ^С.
1. Установите режим цепи: ивх=100 В, f=0 гр.,К=100 Ом, 1=0,5 Гн, С=50 мкФ, 250 1/с. Включите прибор, нажав стрелку пуска, Ознакомтесь с волновой и векторной диаграммами этого режима цепи, определите начальные фазы и амплитуды электрических величин на обеих диаграммах. Как расположены электрические величин друг относительно друга?
2. Изменяя поочерёно и ивх пронабдюдайте изменения синусоид и векторов электрических величин на волновой и векторной диаграммах,
3. Оставляя неизменными заданые, поочерёдным изменением
введите каждый раз цепь в режим резонанса напряжений, Проверьте Каждый раз этот режим по условию резонанса расчётным путём, Определите добротность цепи.
Рис. 3. Программа работы
Волновые диаграммы цепи R,L,C юо- г- юо-1
Рис. 4. Волновые
ния источников и приборы измерения в них напряжений и токов. Несинусоидальное напряжение фазы симметричного источника задается в виде комплексных значений составляющих это напряжение гармоник. Векторные диаграммы этих гармоник демонстрируются на экране. Для каждой из трех изучаемых схем показываются волновые диаграммы основных электрических величин.
Этот прибор обладает широкими возможно-Цтями для учебного исследования свойств источников трехфазного тока в отношении высших гармоник.
диаграммы цепи
Выводы
1. Применение виртуальных приборов в учебном процессе обеспечивает большое разнообразие режимов в исследуемых цепях, хорошую наглядность, значительно стимулирует и облегчает самостоятельную работу студентов.
2. Лабораторный практикум с описанным типом устройств виртуальных приборов, на наш взгляд, характеризуются простотой использования в учебном процессе.
3. Виртуальные приборы такого типа могуЯ эффективно применяться при дистанционном обучении.
Векторная диаграмма цепи RjL^C
1 -I
I-1 +
Рис. 5. Векторная диаграмма
Kuo%
80,5823 1ытый треугольник
цУу/LJ(irmrö
124,097
Uvo LUp 127,279 Схема соединения источника в открытый треугольник
Кифз%
85,7493
Схема соединения источника в треугольник
Киф%
80,5823
85,7493
илзвс
Схема соединения источника в звезду
Исследование схем источников с несинусоидальным напряжением
Переключение
^ Откр.
трг.
ZBH i) 50 +0 i
U1 k 1
) 100 +0 i
U2 к 2
) 30 +30 i Р
из k3 Л -
) 40 -40 i
из 4 к 4
j 0 +20 i
Векторные диаграммы гармоник
U1А U1B U1С U2A U2B U2C изд U3B U3C U4A U4B U4C
-100,0
-50,0 0,0 50,0 +1 Напряжения
100,0
Рис. 6. Исследование схем источников с несинусоидальным напряжением
pnojournal.wordpress.com 112
ЛИТЕРАТУРА
1. Теоретические основы электротехники, в 3-х т. / Демирчян К.С., Нейман Л.Р.,Коровкин Н.В.,Чечурин И.ЛЯ М. - СПб., 2004.
2. Атабеков Г.И., Теоретические основы электротехники: учебное пособие, СПб. - М., 2009, 592 с.
3. Батоврин В.К.,Бессонов А.С., Мошкин В.В. Lab VIEW: практикум по электронике и микропроцессорной технике. М.: ДМК Пресс, 2005. 182 с.
4. Алиев И.И. Виртуальная электротехника. М.: РадиоСофт, 2003. 112 с.
5. Евдокимов Ю.К., Линдваль В.Р., Щербаков Г.И.. LabVIEW для радиоинженера:от виртуальной модели до реального прибора. М.: ДМК Пресс, 2007. 400 с.
6. Джеффри Тревис. LabvIEW для всех / пер. с англ. Н.А. Клушина, под ред. В.В. Шаркова, В.А.Гурьева. М.:ДМК Пресс; Прибор Комплект, 2005. 544 с.
7. Суранов А.Я. LabVIEW 8: Справочник по функциям. М.: ДМК Пресс, 2007. 400 с.
8. Бутырин П.А., Васьковская Т.А., Каратаев В.В.,Материкин С.В. Автоматизация физических исследований и эксперимента: компьютерные измерения и виртуальные приборы на основе LabVIEW 7 (30 лекций) / Под ред. П.А. Бутырина. М..:ДМК Пресс, 2005. 264 с.
9. Карабашев Г.П. Теоретические основы электротехники, ч.1, Однофазные электрические цепи, практикум по лабораторным работам. Ижевск: ФБГОУ Ижевская ГСХА, 2010. 65 с.
10. Карабашев Г.П. Теоретические основы электротехники. Ч.2. Трёхфазные цепи, практикум по лабораторным работам. Ижевск: ФБГОУ Ижевская ГСХА, 2011. 72 с.
REFERENCES
1. Teoreticheskie osnovy elektrotekhniki, v 3-kh t. / Demirchian K.S., Neiman L.R.,Korovkin N.V.,Chechurin I.L. [Fundamentals of electrical engineering, in 3 Vols / Demirchyan K.S., Neumann L.R., Korovkin N.V., Chechurin I.L.]. Moscow, 2004.
2. Atabekov G.I., Teoreticheskie osnovy elektrotekhniki: uchebnoe posobie [Theoretical foundations of electrical engineering: a textbook]. Saint-Petersburg, 2009, 592 p.
3. Batovrin V.K.,Bessonov A.S., Moshkin V.V. LabVIEW: praktikum po elektronike i mikroprotsessornoi tekhnike [LabVIEW: practical work on electronics and microprocessor technology]. Moscow, DMK Press Publ., 2005. 182 p.
4. Aliev I.I. Virtual'naia elektrotekhnika [Virtual electrical engineering]. Moscow, RadioSoft Publ., 2003. 112 p.
5. Evdokimov Iu.K., Lindval' V.R., Shcherbakov G.I. LabVIEW dlia radioinzhenera:ot virtual'noi modeli do real'nogo pribora [LabVIEW for radio engineers:from the virtual model to the real device]. Moscow, DMK Press Publ., 2007. 400 p.
6. Dzheffri Trevis. LabvIEW dlia vsekh /per. s angl. N.A. Klushina, pod red. V.V. Sharkova, V.A.Gur'eva [LabvIEW for everyone / Tr. from En. by N.A.Klushin, Under the editorship by V.V. Sharkov, V.A. Guryeva]. Moscow, DMK Press Publ., 2005. 544 p.
7. Suranov A.Ia. LabVIEW 8: Spravochnikpo funktsiiam [LabVIEW 8: function Reference]. Moscow, DMK Press Publ., 2007. 400 p.
8. Butyrin P.A., Vas'kovskaia T.A., Karataev V.V.,Materikin S.V. Avtomatizatsiiafizicheskikh issledovanii i eksperimenta: komp'iuternye izmereniia i virtual'nyepribory na osnove LabVIEW 7 (30 lektsii) /Pod red. P.A. Butyrina [Automation of physical research and experiment: computer measurement and virtual instrumentation based on LabVIEW 7 (30 lectures) / ed. by P. A. Butyrin]. Moscow, DMK Press Publ., 2005. 264 p.
9. Karabashev G.P. Teoreticheskie osnovy elektrotekhniki, ch.l, Odnofaznye elektricheskie tsepi, praktikum po laboratornym rabotam [Theoretical bases of electrical engineering, part 1, single-Phase electrical circuits, practical work on laboratory work]. Izhevsk, Izhevskaia GSKhA Publ., 2010. 65 p.
10. Karabashev G.P. Teoreticheskie osnovy elektrotekhniki. Ch.2. Trekhfaznye tsepi, praktikum po laboratornym rabotam [Theoretical bases of electrical engineering. Part 2. Three-phase circuits, practical work on laboratory work]. Izhevsk, Izhevskaia GSKhA Publ., 2011. 72 p.
Информация об авторах Information about the authors
Карабашев Геннадий Павлович Karabashev Gennadii Pavlovich
(Россия, Ижевск) (Russia, Izhevsk)
Кандидат технических наук, доцент кафедры PhD in Technical Sciences,
электротехники, электрооборудования и Associate Professor of the Department
электроснабжения of Electrical Engineering, Electrical Equipment
Ижевская государственная сельскохозяйственная and Power Supply
академия Izhevsk State Agricultural Academy
E-mail: Karabashev1938@mail.ru E-mail: Karabashev1938@mail.ru
Карабашева Елена Геннадьевна
(Россия, Ижевск) Старший преподаватель Ижевская государственная сельскохозяйственная академия E-mail: elenakarabasheva@mail.ru
Karabasheva Elena Gennad'evna
(Russia, Izhevsk) Senior lecturer Izhevsk State Agricultural Academy E-mail: elenakarabasheva@mail.ru
