Віртуальний лабораторний комплекс для дослідження систем тиристорного електропривода постійного струму

Размещено на http://www.allbest.ru/

Кременчуцький державний політехнічний університет

Інститут електромеханіки, енергозбереження і комп'ютерних технологій

Віртуальний лабораторний комплекс для дослідження систем тиристорного електропривода постійного струму

Чорний О.П., Лашко Ю.В.,

Євстіфєєв В.О., Сенченко С.М.,

Величко Т.В.

Традиційно вважалося, що повноцінним може бути виконання лабораторних робіт тільки на експериментальних лабораторних стендах навчального закладу, однак звичайні навчальні лабораторії часто не виконують свою головну функцію: навчити студентів постановці, проведенню й обробці результатів інженерних експериментів.

Замість цього студентам пропонується виконати задану послідовність дій по включенню й вимиканню джерел живлення, деяким переключенням у схемі, записові показань приладів і побудові графіків. Крім того практична реалізація лабораторного практикуму традиційними методами пов'язана зі значними матеріальними витратами, які, за деякими оцінками, складають до 80% всіх витрат на підготовку фахівця в галузі техніки й технологій. Зрозуміло, що в умовах різкого скорочення фінансування навчальних закладів, у першу чергу страждають навчальні лабораторії, устаткування яких швидко старіє морально й приходить у фізично непрацездатний стан.

Перші тренажери більше походили на фізичні макети реальних об'єктів і створювалися як пристрої, що працюють, в основному, за принципом "роби як я". У загальноприйнятому сприйнятті це поняття сьогодні часто зв'язують зі спортивними тренажерами.

Тренажери, в сучасному розумінні, з'явилися, коли виникла необхідність масової підготовки фахівців для роботи або на однотипному обладнанні, або зі схожими робочими діями (у першу чергу, для військових потреб). В останній чверті 20-го століття зі швидкою комп'ютеризацією світового співтовариства, зі створенням складної техніки, експлуатація якої пов'язана з ризиком для життя не тільки однієї людини, але й людства в цілому, виникла ціла індустрія - тренажерні технології.

Тренажерні технології сьогодні - це складні комплекси, системи моделювання й симуляції, комп'ютерні програми й фізичні моделі, спеціальні методики, створювані для того, щоб підготувати особистість до прийняття якісних і швидких рішень.

На базі цих технологій розроблені численні тренажери для військового застосування, що дозволяють імітувати бойові дії з найвищою детальністю в реальному часі, створена безліч додатків технології віртуальної реальності для медицини, що дозволяють проводити операції електронному пацієнтові з високим ступенем вірогідності й т.д., при цьому галузі застосування тренажерних технологій постійно розширюються.

Істотним недоліком більшості тренажерів, на наш погляд, є те, що вони найчастіше дозволяють виробити певні практичні навички роботи або керування в конкретній галузі, навчитися швидко й правильно реагувати на будь-які штатні або позаштатні ситуації, тобто доводять до автоматизму дії того, кого навчають, але не завжди є джерелом придбання теоретичних знань, розуміння фізики процесів, що відбуваються в даному об'єкті. Саме через це такі тренажери не знаходять застосування у навчальному процесі технічних ВНЗ. лабораторний стенд тиристорний двигун

Прогрес у вирішенні проблеми організації лабораторного практикуму для значної частини загальнопрофесійних і спеціальних технічних дисциплін був досягнутий завдяки розробці технологій віртуальних лабораторних комплексів, що дозволяють не тільки набути навички роботи з устаткуванням, але й розширити, закріпити й зв'язати із практикою знання, отримані при вивченні цих дисциплін, активізувати пізнавальну діяльність студентів за рахунок одержання нових знань, що з'являються в результаті їхніх цілеспрямованих дій при виконанні віртуального експерименту, засвоїти фундаментальні закономірності, покладені в основу роботи реального устаткування.

З урахуванням цього перспективним напрямом розвитку сучасного лабораторного устаткування є створення за допомогою спеціального програмного забезпечення віртуальних комп'ютеризованих лабораторних комплексів.

Мета роботи. Метою роботи є аналіз сучасних підходів до організації лабораторного практикуму по технічних спеціальностях, визначення перспективних напрямів розвитку відповідного лабораторного устаткування і створення віртуального лабораторного стенду для дослідження динамічних режимів системи «тиристорний перетворювач - двигун постійного струму».

Матеріал і результати дослідження. Як дослідницький стенд використано віртуальний стенд, призначений для вивчення статичних і динамічних режимів роботи електропривода постійного струму. Даний стенд забезпечує можливість імітування нормальних і аварійних режимів роботи електропривода, спостереження за його станом і за станом системи в цілому, що дозволяє освоїти основні способи керування машинами постійного струму в рамках вивчення основних навчальних курсів спеціальності.

Модель електропривода складено на основі тиристорного перетворювача, зібраного за трифазною мостовою схемою, що працює з двигуном постійного струму незалежного збудження (рис. 1).

Для спрощення будемо вважати втрати і струм холостого ходу трансформатора дуже малим, а вентилі - ідеальними ключами.

Рисунок 1. Спрощена принципова схема тиристорного електропривода

Індуктивність є приведеною до вторинної сторони індуктивністю короткого замикання трансформатора. Якщо випрямляч живиться від мережі обмеженої потужності, то її реактивний опір теж враховується в . За необхідності до відносять також індуктивності з'єднувальних проводів. Що стосується приведених до вторинної сторони трансформатора лінійних напруг , то вони складають жорстку синусоїдальну систему.

Запишемо рівняння електричної рівноваги для наведеної схеми.

Використовуючи метод переключаючих функцій [7], позначимо:

(1)

де - переключаючі функції на відповідному інтервалі часу.

Для контуру джерело-навантаження рівняння Кірхгофа запишеться у виді

(2)

а для контуру комутації

(3)

Оскільки ми нехтуємо падінням напруги на вентилях, то вихідна напруга на будь-якому міжкомутаційному інтервалі виявляється рівною одному з лінійних, за виключенням падіння напруги на двох індуктивностях , викликаного змінною складовою струму .

Тому

(4)

Рівняння для струмів приведемо до виду, зручного для моделювання:

(5)

(6)

де .

Додамо рівняння руху електропривода

(7)

і отримаємо остаточну систему рівнянь для моделювання, яку і покладено в основу математичного апарату віртуального лабораторного стенду.

Створений лабораторний стенд забезпечує виконання лабораторної роботи «Дослідження динамічних характеристик тиристорного електропривода з двигунами постійного струму незалежного збудження». Ця робота дозволяє всебічно розглянути надані віртуальним комплексом можливості дослідження електропривода постійного струму:

- пускові режими електропривода;

- режими неперервного, граничного та переривчастого струму;

- режими комутації при штучній комутації тиристорів, тощо.

Панель лабораторного стенду виконана у вигляді одного вікна (рис.2). Встановлені повзункові регулятори параметрів і розміщені вікна відображення параметрів дозволяють в інтерактивному режимі відслідковувати змінювання процесів при регулюванні кута управління, накиді моменту опору, тощо.

Установкою відповідних перемикачів і повзунків регульованих опорів студент задає необхідні параметри системи. Такий підхід змушує додатково звертати увагу на послідовність вмикання віртуального устаткування і правильність розрахунку вихідних даних: при неправильних діях, що створюють аварійні чи аварійно небезпечні режими (наприклад, подача напруги на обмотку якоря з встановленим у нульове положення регульованим опором і без попереднього включення обмотки збудження), буде поданий сигнал про аварійну зупинку.

Контроль зазначених режимів, а також робота електричних машин і відповідність віртуальних об'єктів їхнім фізичним аналогам, забезпечується докладним математичним описом на основі апарату диференціальних рівнянь (4)-(7).

Размещено на http://www.allbest.ru/

Розв'язок рівнянь виконується за допомогою метода Рунге-Кутта 4-го порядку з постійним кроком інтегрування. Відповідно методу інтегрування використовується конструкція циклу з параметром (рис. 3).

Розроблене математичне та програмне забезпечення, прийнятий та реалізований підхід до створення комп'ютеризованого віртуального лабораторного стенду дозволяють нарощувати його функціональні можливості та проводити досліди різних режимів роботи електродвигуна, а також проводити аналіз електромагнітних і електромеханічних процесів, що виникають під час роботи електроприводу

Рисунок 3. Реалізація методу Рунге-Кутта 4-го порядку с постійним кроком інтегрування

Висновки

Використання комп'ютерної й комунікаційної технологій в експериментальних дослідженнях відкриває нові можливості з погляду збільшення інформаційної насиченості лабораторних робіт:

- з'являється можливість отримати, запам'ятати й, надалі, - всебічно обробити інформацію, що стосується зміни багатьох параметрів досліджуваного об'єкта в різних режимах його роботи, включаючи режими, неможливі на реальному обладнанні (аварійні й передаварійні);

- імітації поведінки реального об'єкта в часі при зміні структури, внутрішніх параметрів, а також впливів на цей об'єкт із боку інших об'єктів. Статичні за своєю природою математичні моделі стають за допомогою комп'ютеризованих комплексів динамічними, здатними реагувати на дії користувача.

Важливим достоїнством віртуального лабораторного практикуму є відмова від тиражування однотипного лабораторного устаткування, застосовуваного в складі однієї навчальної лабораторії. За допомогою єдиного комплекту лабораторного устаткування можна організувати фронтальне виконання лабораторних робіт за наявності багатьох робочих місць, що являють собою персональні комп'ютери, інформаційно зв'язані із засобами керування лабораторним стендом. При цьому, сам стенд може знаходитися як у безпосередній близькості від робочих місць користувачів, так і на досить великому видаленні від них.

Віртуальні комп'ютеризовані комплекси дозволяють ставити й вирішувати якісно нові, недоступні раніше й надзвичайно важливі для підготовки сучасного інженера завдання, серед яких: оперативний багатоканальний моніторинг динамічних процесів у складних системах; діагностика й прогнозування технічного стану досліджуваних об'єктів; ідентифікація параметрів математичних моделей досліджуваних об'єктів за експериментальними даними; багатоканальне, функціонально складне керування об'єктами для забезпечення їхнього якісного функціонування.

Література

1. Соловов А.В. Виртуальные учебные лаборатории: некоторые направления и принципы разработки / Телематика'2002: Труды Всероссийской научно-методической конференции. - Санкт-Петербург: СПбГИТМО, М.:: ГосНИИ ИТТ "Информика", 2002. - 304 с.

2. Виртуальный учебный класс конструкции самолетов. Перед загл. авторы Соловов А.В., Корольков О.Н., Комаров В.А. и др.: Тезисы докл. Межвузовской научно-методической конференции "Актуальные проблемы развития университетского технического образования в России". - Самара: СГАУ, 2002. С. 299-301.

3. Кревский И.Г. Виртуальные практикумы для открытого образования / Телематика'2002: Труды Всероссийской научно-методической конференции. - Санкт-Петербург: СПбГИТМО, Москва: ГосНИИ ИТТ "Информика", 2002. С. 299-300.

4. Лашко Ю.В., Черный А.П. и др. Виртуальное лабораторное оборудование - инструмент становления специалиста. // Вісник КДПУ. Наукові праці КДПУ: Випуск 2/2003(19) т.1, С. 11-15 - Кременчук: КДПУ, 2003.

5. Родькін Д.Й., Чорний О.П. та ін. Свідоцтво про реєстрацію авторського права на твір № 12512 - Програмний продукт “Віртуальний лабораторний комплекс дослідження електромеханічних систем”, 2005.

6. Автоматизация лаборатории как средство улучшения понимания физических процессов, Стивен А. Орт и Роберт Д. Лоренц Университет Висконсин-Мэдисон, www.labview.ru

7. Моделювання електромеханічних систем: Підручник / Чорний О.П., Луговой А.В., Родькін Д.Й. та ін. - Кременчук, 2001. - 376 с.

Размещено на Allbest.ru