Использование средств визуализации Mathcad для исследования электрических и магнитных цепей

Размещено на http://www.allbest.ru//

Использование средств визуализации Mathcad для исследования электрических и магнитных цепей

Ушакова Н.Ю., к.т.н., доцент

Как известно, дисциплина «Теоретические основы электротехники» является одной из основных дисциплин, формирующих общепрофессиональные компетенции у будущих специалистов в области электроэнергетики и электротехники. Традиционно дисциплина рассматривает не реальные объекты, а построена на изучении их моделей, отражающих физические процессы, происходящие в реальных электротехнических устройствах и использующих для их описания общеизвестный математический аппарат.

Дисциплину нельзя отнести к очень сложным для понимания: она имеет четкую структуру и алгоритмы, рассматривает все процессы по принципу «от простого к сложному, от частного к общему», использует математические методы, изученные ранее студентами в курсе высшей математики. Поэтому обычно ТОЭ относилась к любимым студентами дисциплинам. Однако в последние годы преподаватели отмечают снижение уровня освоения ТОЭ, несмотря на достаточно высокие баллы ЕГЭ, с которыми абитуриенты поступают на электроэнергетический факультет.

Это связано со многими факторами, в том числе:

- с общим снижением технического кругозора молодежи, падением интереса к устройству технических объектов, приборов.

- со спецификой преподавания в старших классах школы, когда глубокое изучение таких базовых инженерных дисциплин, как физика и математика, заменяется натаскиванием на ответы тестов;

- с широким использованием при выполнении расчетных и курсовых работ по ТОЭ информационных технологий и математических программ.

Все это привело к тому, что сегодняшние студенты не видят связи между физическими процессами и реальными конструкциями, не могут объяснить их принцип действия и конструкцию. Формулы, описывающие основные законы электротехники, воспринимаются ими как чистая абстракция, не применимая к окружающим их электрическим приборам и устройствам.

Использование при расчетах таких специальных математических программ, как Mathcad, с одной стороны сильно упростило выполнение расчетных заданий и позволило их усложнить. Но с другой стороны, выполняя автоматически расчеты и построение векторных диаграмм на компьютере, студенты не пытаются «осмыслить» какие-то важные промежуточные результаты, не видят связи между конечными результатами и изменением параметров и конфигурации схемы. Приходя после изучения ТОЭ на специальные предметы, они не могут трансформировать методы расчета электрических и магнитных цепей на реальные системы электроснабжения или электрические машины.

Поэтому современные расчетные задания и курсовой проект по ТОЭ не должны повторять традиционные задания для «ручного расчета», когда студент выполняет расчет для каких-то одних значений параметров. Задание должно быть сформулировано таким образом, чтобы студент провел «мини-исследование» и вывел какие-то закономерности для данного метода или для данной электрической цепи 1.

Очень полезной в этом случае будет визуализация результатов в режиме реального времени. При этом для постановки такого исследования можно использовать стандартные возможности Mathcad, например, элементы управления: Check Box (флажок проверки), Radio Button (переключатель), Push Button (кнопка), Slider (ползунковый регулятор), Text Box (поле текстового ввода), List Box (список).

Элементы управления были введены в Mathcad для упрощения ввода новых исходных данных. При расчете электрических цепей для исследования влияния плавного изменения какого-то одного или нескольких параметров можно эффективно использовать ползунковый регулятор. Переключатели Check Box, Radio Button, Push Button выполняют практически одинаковые функции (включено или выключено) и их целесообразно применять, если нужно менять значение булевой переменной (1/0, да/нет) или если переменная должна принимать одно из двух конкретных значений. Если же несколько параметров должны принимать определенные значения, то в этом случае можно воспользоваться группой переключателей.

Особенно наглядным исследование влияния какого-то параметра цепи с применением элементов управления будет, если результаты расчетов сопровождаются какой-то визуальной информацией, например, графиком или векторной диаграммой.

Покажем это на конкретных примерах. Рассмотрим, например, использование элемента Check Box, в простейшем примере с исследованием формы несинусоидального напряжения (рисунок 1).

Рисунок 1 - Пример использования элемента управления Check Box

Здесь использована группа независимых переключателей Check Box, каждый из которых по умолчанию позволяет принимать значение каждой переменной (k, m, n) равной 0 или 1. При необходимости эти значения в каждом переключателе легко поменять, открыв строку меню Edit Script. Например, если мы хотим, чтобы переменная «k» принимала при включенном переключателе значение 5, а при выключенном - 2, то в скрипте нужно заменить эти значения в следующих строках: «If CheckBox.check Then Outputs(0).Value = 5 Else Outputs(0).Value = 3». Кроме того меню переключателя позволяет, если требуется, добавить входные или выходные параметры.

Переключатель Push Button (кнопка) идентичен рассмотренному выше, но менее нагляден в использовании. Переключатель Radio Button отличается тем, что позволяет создать несколько независимых групп и в каждой группе без изменении скрипта задать величину параметра при включении. Это позволяет смоделировать более интересный алгоритм исследования различных электрических цепей.

Элемент Slider (ползунковый регулятор) считается редкоприменяемым. Однако при анализе электрических цепей он очень удобен для исследования, так как позволяет наглядно увидеть качественное влияние одного или нескольких параметров на выходные токи и напряжения. Через команду Mathsoft Button Control > Properties можно задать требуемые пределы изменения параметра.

На рисунке 2 показаны фрагменты расчета трехфазной цепи при соединении нагрузки звездой без нулевого провода и изменение векторной диаграммы напряжений при плавном изменении активного и индуктивного сопротивлений фазы А. Ценным является то, что диаграмма меняется на глазах студента, что позволяет установить определенные закономерности, которые при обычных расчетах цепи не видны.

Рисунок 2 - Пример использования элемента управления Slider

В приведенном примере для трехфазной цепи между заданием параметров и векторной диаграммой расположена достаточно большая расчетная часть. Чтобы повысить наглядность взаимосвязи изменения параметров R, XL и вида векторной диаграммы, здесь использована еще одна

возможность Mathcada: часть расчетов скрыта в закрытой области с помощью команд Insert > Area (область) (в примере наличие «скрытой» области угадывается по значку ).

Еще один элемент управления, который можно эффективно использовать для исследовательской части курсовых и расчетных заданий - это List Box (список). Например, при расчете магнитной цепи, можно с помощью этого элемента провести исследование влияния свойств различных марок стали на выходные характеристики и расчетные величины магнитного напряжения и магнитных потоков. На рисунке 3 показан фрагмент графического решения обратной задачи разветвленной магнитной цепи методом двух узлов.

Заданы кривые намагничивания для трех марок электротехнической стали: сталь 1212, 1512, 3411. Используя элемент Список и элементы программирования в Mathcad, можно увидеть, как меняются веберамперные характеристики и величины искомых магнитных потоков в зависимости от выбора марки стали. Для написания марок стали в Списке была использована команда Edit Script. Основная часть расчета в примере скрыта в Area (области).

Рисунок 3 - Пример использования элемента управления List Box

Таким образом, использование стандартных средств визуализации Mathcad позволяет ввести и расширить исследовательскую составляющую в различных расчетно-графических и курсовых работах по ТОЭ, а также может быть применено для повышения наглядности изложения в мультимедийных лекциях.

визуализация расчетный mathcad

Список литературы

1 Ушакова, Н. Ю. Качественный анализ электрических цепей постоянного тока/Н.Ю. Ушакова, А.А. Крупский// Шаг в науку.- 2018.- №2.- С. 200 - 204

Размещено на Allbest.ru