Оптимизация лабораторного практикума по электротехнике с применением системы MatLabSimulink

Рассмотрены вопросы внедрения пакета имитационного моделирования MatlabSimulink в учебный процесс по электротехнике. Дана характеристика разработанных учебно-методических пособий по использованию вышеуказанного пакета для моделирования изучаемых процессов. электротехника моделирование учебный методический Ключевые слова: внедрение информационных технологий в процесс обучения, имитационное моделирование, Simulink.

Роль информатизации в образовании показана разными авторами в различных работах [1]. На кафедре теоретической и общей электротехники (ТОЭ) образовательно-научного института электроэнергетики (ИНЭЛ) Нижегородского государственного технического университета (НГТУ) им. Р. Е. Алексеева опыт применения информационных технологий в процессе обучения насчитывает более 20 лет.

Создание математических моделей для анализа установившихся и нестационарных процессов в разветвленных электрическихцепях, устройствах преобразовательной техники и системах информационного назначения является неотъемлемой частью современного процесса обучения студентов электротехнических специальностей [2−4].

Математическое и имитационное моделирование позволяют исследовать электромагнитные процессы в электрических устройствах, оптимизировать их параметры и разработать предпочтительные алгоритмы управления [2,5].

Наиболее мощным средством имитационного моделирования электротехнических устройств, систем энергетики является программный пакет MatlabSimulink[4,5,6].

Данный пакет представляется студентам как новый инструмент для освоения основ электротехники (линейные и нелинейные цепи, магнитные цепи, переходные процессы в электрических цепях) и электроники (управляемые выпрямители, транзисторные усилители), углубленного изучения машинных методов анализа режимов электротехнических устройств (трансформаторы, двигатели постоянного и переменного тока, генераторы) [5,7,8].

На кафедре наряду с проведением физического эксперимента на лабораторных стендах разработана методика использования средств «виртуальной лаборатории» пакета имитационного моделирования Simulink интегрированной программы Matlab [9].

Применение данной программы при высокой степени наглядности позволяет расширить границы физического эксперимента.

Рациональное сочетание «виртуального» и «физического» экспериментов позволяет значительно расширить тематику лабораторных исследований по всем основным разделам электротехнических дисциплин.

На кафедре разработаны учебно-методические пособия по использованию вышеуказанного пакета для информационного сопровождения учебного процесса, где материал представлен последовательно, ясно и лаконично[9].

Разработанные учебно-методические пособия представляют собой специально организованную учебно-информационную и профессионально-ориентированную среду, и являются системой электронных средств поддержки обучения. Указанные пособия рассматривают технологии имитационного моделирования, начиная с относительно несложных цепей и заканчивая представлением о возможности имитационных моделей при анализе переходных процессов в электротехнических устройствах повышенного уровня сложности.

На рис. 1 приведена схема исследования процессов в тиристорном регуляторе действующего значения тока, смоделированная в среде MatlabSimulink.

Рис. 1 Схема тиристорного регулятора действующего значения тока

На рис. 2 приведены осциллограммы изменения параметров на различных участках электрической цепи.

В качестве примера лабораторной работы по электромеханике на рис. 3 приведена структурная схема имитационной модели лабораторной установки для исследования двухобмоточного трёхфазного трансформатора (схема соединения обмоток Y/Y)[6, 8].

Рис. 3 Схема модели для исследования трансформатора

Модель содержит блоки, директория доступа к которым указана в скобках:

• · ИП-регулируемыйпервичныйисточникпитания 3-Phase Sourse (Simulink Library BrowserSimPowerSystems Electrical Sources);
• · «трансформаторА, трансформаторВ, трансформаторС» — модельтрансформатора, образованную как трехфазная группа однофазных трансформаторовSaturable Transformer (Simulink Library BrowserSimPowerSystemsElements);
• · блокмодель «нагрузка» — симметричнаяактивно-индуктивнаяRLнагрузка (Simulink Library BrowserSimPowerSystemsElements3-Phaze Parallel RLC Branch);
• · блоки Bus Bar1, Bus Bar2, Bus Bar3, обеспечивающие соединение в электрический узел-нулевая точка первичной и вторичной обмоток, нулевая точка звезды нагрузки, соответственно (Simulink Library BrowserSimPowerSystemsConnectors);
• · Комплект блоков для измерения:
• — фазных действующих значений токов (I1ф, RMS1, DisplayI1ф), напряжений (V1ф, RMS3, DisplayV1ф), активной P1ф и реактивной Q1ф мощности (PQ1, Demux1, DisplayP1ф, DisplayQ1ф) на первичной стороне трансформатора;
• — фазных действующих значений токов (I2ф, RMS2, DisplayI2ф), напряжений (V2ф, RMS4, DisplayV2ф), активной P2ф и реактивной Q2ф мощности (PQ2, Demux2, DisplayP2ф, DisplayQ2ф) на вторичной стороне трансформатора;
• — мгновенных значений первичного линейного напряжения (V1л, Scope1), фазного напряжения на первичной обмотке, намагничивающего тока и магнитного потока трансформатора (Multimeter, Demux3, Scope).

Математические блоки обработки, измерения и регистрации сигналов в библиотеке находятся по адресамSimulinkLibraryBrowserSinks, SimulinkLibraryBrowserSimPowerSystemsMeasurements и SimulinkLibraryBrowserSimPowerSystemsExtraLibraryMeasurements, директория доступа к блоку Demux-SimulinkLibraryBrowserSimulinkSignalRouting,.

• 1. Бородина Н. А., Подопригора С. Я. Роль субъекта информатизации высшего образования в современной России. // Инженерный вестник Дона.2012. № 1. URL: ivdon.ru/ru/magazine/archive/n1y2012/640.
• 2. Панфилов Д. И. Электротехника и электроника в экспериментах и упражнениях. Лаборатория на компьютере/ Д. И. Панфилов, В. С. Иванов, И. Н. Чепурин. М.: Издательство МЭИ, 2004.Т.1. 302 с.; Т.2. -331 с.
• 3. Гультяев А. К.MATLAB 5.2. Имитационное моделирование в среде Matlab. СПб.: КОРОНА принт, 2000. 288 с.
• 4. Дьяконов В. П., Круглов В. Н. Математические пакеты расширения Matlab. Специальный справочник. СПб.: ПИТЕР, 2001. 448 с.
• 5. Черных И. В. Моделирование электротехнических устройств в MatLab, SimPowerSystems и Simulink. СПб.: ПИТЕР, 2001. 189 с.
• 6. Ong C.M. Dynamic simulation of electric machinary using MatlabSimulink, New Jersey, Prentice Hall PTR, 1998, 626 pp.
• 7. Степанов К. С. Применение информационных технологий при обучении электротехническим дисциплинам/ К. С. Степанов, Н. Г. Панкова // «Инженерный вестник Дона», 2014, № 2. URL: ivdon.ru/ru/magazine/archive/n2y2014/2384.
• 8. Кралин А. А. Моделирование трансфораторов преобразовательных агрегатов в Simulink/ А. А. Кралин, Б. Ю. Алтунин // «Инженерный вестник Дона», 2014, №.2 URL: ivdon.ru/ru/magazine/archive/n2y2014/2362.
• 9. Блинов И. В., Кралин А. А., Панкова Н. Г. Информационное сопровождение учебного процесса по электротехнике с использованием системы MatlabSimulink: учебное пособие.- Н. Новгород: ВГИПА, 2004. 84 с.
• 10. Bhuyan K. Surge Modelling of Transformer Using MatlabSimulink/ Bhuyan K, Chatterjee S // India Conference (INDICON), december 2009 Annual IEEE pp 1−4.