ITHEA

232

УЧЕБНО-МЕТОДИЧЕСКИЙ КОМПЛЕКС ДИСЦИПЛИНЫ «ЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ

МАШИНЫ» / ИНТЕРНЕТ-РЕАЛИЗАЦИЯ /

Евгений Забудский

Аннотация: Разработан учебно-методический комплекс дисциплины «Электрические машины».

Комплекс включает программу дисциплины, учебные пособия с грифом, описание и фотографии

разработанных лабораторных стендов, исходные тексты компьютерных программ, техническое задание и методические материалы по курсовой работе, мультимедийные лекции, слайд-фильмы, гиперссылки на Интернет-ресурсы, etc. Комплекс представлен в интернете (http://zei.narod.ru/ind.html).

Ключевые слова: Электрическая машина, трансформатор, магнитное поле, Интернет, webсайт, комплекс.

ACM Classification Keywords: K.3.1 Computer Uses in Education: Distance learning.

Введение Электрические машины и трансформаторы представляют основную и важнейшую часть силового электрооборудования. Поэтому глубокое изучение их теории и практики является неотъемлемой составляющей процесса подготовки инженеров электриков. Спецификой устройств, затрудняющей изучение, является сложность представления и понимания «рабочего тела» устройств – магнитного поля.

Кроме того при относительной простоте конструкций, их иллюстрация на лекциях занимает много времени, и с помощью только традиционных средств не всегда является эффективной. Для устранения указанных проблем учебно-методический комплекс дисциплины среди прочего включает разработанные мультимедийные приложения: компьютерные звуковые фильмы, в которых представлены в деталях конструкции устройств, дана интерпретация магнитного поля в пространственно-временном континууме, изложены элементы теории. Использование комплекса в учебном процессе преподавателями и студентами повышает эффективность изложения и усвоения дисциплины «Электрические машины».

Учебно-методический комплекс На рис. 1 представлена web-cтраница с расположенным на ней учебно-методическим комплексом (УМК) дисциплины «Электрические машины» (URL-адрес – http://zei.narod.ru/index1.html).

Далее приводится краткое описание и иллюстрации (рис. 2 … рис. 5) некоторых методических мультимедийных материалов, к которым имеется доступ посредством гиперссылок на этой web-cтранице [1 … 7].

Спроектированы и изготовлены стенды к лабораторным работам по разделам курса «Трансформаторы», «Синхронные машины» и «Машины постоянного тока» (cм. п. 6 УМК). Реализован фронтальный метод проведения работ. Приведены фотографии и описание стендов (рис. 2). При домашней подготовке к занятиям, имея доступ к Интернету, студенты могут умозрительно и виртуально собрать соответствующую электрическую схему (cм., например, [4] и http://zei.narod.ru/CM.html).

Опубликованы в электронном виде (и в твердом варианте) учебные пособия по указанным выше разделам курса (cм. п.п. 9.1…9.3 УМК, http://zei.narod.ru/index1.html). Приведены описания лабораторных работ, схемы, нормативные материалы, основы теории, etc. (рис. 3). C cайта возможно скачать (public domain) эти пособия в полном объеме.

Applicable Information Models Учебно-методический комплекс дисциплины Электрические машины (фото) 1 Забудский Е.И. Программа дисциплины Электрические машины.

Pекомендована Министерством образования и науки России для направления подготовки дипломированного специалиста 660300 - "Агроинженерия" (специальность 311400 Электрификация и автоматизация сельского хозяйства) 2 Забудский Е.И. Электрические машины. Ч. 1. Трансформаторы. Учебное пособие для вузов. - Москва:

МГАУ, 2002. – 166 с.

2.1. Форма отчета по Лабораторной работе (образец оформления; на примере Работы №1) 2.2. Паскаль-программа “Расчет характеристик холостого хода трансформатора” (обработка данных эксперимента) 3 Забудский Е.И. Электрические машины. Ч. 2. Асинхронные машины. Учебное пособие для вузов. Москва: МГАУ, 2002. – 100 с. (оригинал-макет) 3.1. Паскаль-программа “Расчет характеристик холостого хода асинхронного двигателя” (графическая интерпретация; обработка данных эксперимента) 4 Забудский Е.И. Электрические машины. Ч. 3. Синхронные машины. Учебное пособие для вузов. Москва: МГАУ, 2008. – 195 с.

4.1. Паскаль-программа “Расчет экспериментальных значений величин в системе относительных единиц” (графическая интерпретация) 5 Забудский Е.И. Электрические машины. Ч. 4. Машины постоянного тока. Учебное пособие для вузов. Москва: МГАУ, 2004. – 100 с. (оригинал-макет) 5.1. Паскаль-программа “Расчет рабочих характеристик двигателя постоянного тока с параллельным возбуждением” (графическая интерпретация; обработка данных эксперимента) 6 Информация о лабораториях Электрических машин: тексты лабораторных работ и фото cтендов 6.1. Cтенд для проведения лабораторных работ по разделу “Трансформаторы” (фото и описание) 6.2. Cтенды для проведения лабораторных работ по разделу “Машины постоянного тока” (фото и описание) 6.3. Cтенд для проведения лабораторных работ по разделу “Синхронные машины” (фото и описание) 6.4. Cтенды для проведения лабораторных работ по разделу “Асинхронные машины” (cтенды в стадии разработки) 7 Техническое задание и Методические рекомендации к курсовой работе “Расчет асинхронного двигателя с короткозамкнутым ротором” 7.1. Паскаль-программа “Расчет рабочих характеристик асинхронного двигателя” (к курсовой работе;

руководство пользователю): загрузить файл RX_AD.rar. Файл сохранить в корне диска С (в rar-файле находятся файл RX_AD.exe и файл с исходными тест-данными RX_AD_dn.dat) 7.2. Каталоги Электрических машин и Трансформаторов, изготавливаемых заводами России, etc.

(интернет-ресурс) 7.3. ФГУП Институт промышленного развития (Информэлектро) – Информационный центр России (интернет-ресурс) 7.4. Всероссийский институт научной и технической информации РАН (ВИНИТИ РАН) (интернет-ресурс) 7.5. Всероссийский научно-технический информационный центр (ВНТИЦентр) (интернет-ресурс) 7.6. Защита интеллектуальной собственности (РУПАТЕНТ) (интернет-ресурс) 7.7. Российский научно-технический центр по стандартизации,… (СТАНДАРТИНФОРМ) (интернет-ресурс) 8 Экзаменационные вопросы по дисциплине Электрические машины:

1-й-семестр (Тр и АМ);... 2-й семестр (СМ, МПТ и ЭММ) 9 СТАТЬИ И ДРУГИЕ МАТЕРИАЛЫ, опубликованные на web-сайте...

ITHEA 9.1. Забудский Е.И. Электрические машины. Ч. 1. Трансформаторы: Учебное пособие для вузов.– М.:

МГАУ, 2002. – 168 с. (полный текст пособия: скачивайте...) 9.2. Забудский Е.И. Электрические машины. Ч. 3. Синхронные машины: Учебное пособие для вузов.– 9.3. Забудский Е.И. Электрические машины. Ч. 4. Машины постоянного тока: Учебное пособие для 9.4. Забудский Е.И. Математическое моделирование управляемых электроэнергетических устройств:

Учебное пособие для вузов. - Ульяновск: УлГТУ, 1998. – 120 с.

9.5. Забудский Е.И. Анализ управляемых электроэнергетических устройств методом конечных элементов: Учебное пособие для вузов. - Москва: МГАУ, 1999. – 141 с.

9.6. Забудский Е.И. Совмещенные регулируемые электромагнитные реакторы: Монография. - Москва:

Энергоатомиздат, МГАУ, 2003. – 436 с.

10 Забудский Е.И. Kомплекс математических моделей и компьютерных программ для расчета электромагнитных полей и режимов ферромагнитных устройств 11 Забудский Е.И. Пакеты компьютерных программ, зарегистрированных в Отраслевом фонде алгоритмов и программ НИИВО Министерства образования и науки России 12 Забудский Е.И. Kомпьютерный фильм “Геометрическая интерпретация результатов расчета магнитного поля в устройствах электромеханики” (cертификат №3/93) Рис. 1. Web-страница с учебно-методическим комплексом (http://zei.narod.ru/index1.html) Рис. 2. Приборная панель лабораторного стенда «Генератор постоянного тока»

Студенты имеют возможность просмотреть компьютерный слайд-фильм, в котором представлены результаты расчета магнитного поля, выполненного методом конечных элементов в сильнонасыщенном устройстве трансформаторного типа [8 … 10] (фильм разработан в среде Графор, http://zei.narod.ru/filmr/film.html). В фильме наглядно представлены: изменение магнитных индукции, напряженности, проницаемости и векторного потенциала в пространственно-временном континууме;

картина распределения силовых линий магнитного поля; результаты гармонического анализа, оформленные в виде гистограммы, etc. (рис. 4). В процессе работы студенты не только изучают характер распределения магнитного поля в пространстве и во времени, его зависимость от насыщения среды, от конфигурации области расчета и пр., но и развивают абстрактное мышление, позволяющее мысленно представить и воссоздать картину распределения поля в различных типах электрических машин и трансформаторов. Фильм имеет сертификат (http://zei.narod.ru/15.html).

На web-cтранице имеются также гиперссылки на файлы с исходными текстами паскаль-программ (cм., например, п.7.1 УМК) на основе которых осуществляются: расчет рабочих характеристик асинхронного двигателя (http://zei.narod.ru/RX_AD_Pr.pdf), выполняемый в рамках курсового проекта.

(рис. 5); обработка результатов эксперимента (http://zei.narod.ru/SM1_OE_Programma.pdf),.

Кроме того на web-странице приведены гиперссылки на паскаль-программы в которых реализованы методы решения систем уравнений, моделирующих установившиеся симметричные, несимметричные и переходные процессы, происходящие в электрических машинах и трансформаторах (http://zei.narod.ru/7.html). К этим системам и методам их решения относятся: системы линейных алгебраических уравнений (метод Гаусса, http://zei.narod.ru/Nuton.pdf); системы нелинейных алгебраических и трансцендентных уравнений (метод Ньютона, http://zei.narod.ru/Nuton.pdf); системы обыкновенных дифференциальных уравнений (метод Рунге-Кутта с модификацией Фельберга, http://zei.narod.ru/SODU_2.pdf); системы дифференциальных уравнений в частных производных (метод конечных элементов, http://zei.narod.ru/Up2.html).

Ряд разработанных электронных мультимедиа-материалов в связи с их большим объемом не расположены в Интернете на web-странице УМК, но непосредственно демонстрируются с помощью ноутбука и мультимедийного проектора на лекциях и практических занятиях. К ним относятся:

• пять звуковых видеофильмов по конструкции и технологии сборки электрических машин в соответствии пятью разделами дисциплины: 1. Трансформаторы (рис. 6), 2. Асинхронные машины, 3. Синхронные машины, 4. Машины постоянного тока, 5. Тепловые и гидроэлектростанции (разработано в среде PowerPoint);

• мультимедиа-лекция по теме «Реакция якоря синхронной машины». В лекции представлен в динамике процесс влияния поля обмотки якоря на поле обмотки возбуждения при различном характере нагрузки, подключенной к обмотке якоря. Рис. 7 иллюстрирует это влияние при активной нагрузке (разработано в среде MicromediaFlash);

• видеоматериалы, иллюстрирующие в динамике условия создания вращающегося поля трехфазной обмоткой. Эти условия заключаются в следующем: 1) фазы обмотки должны быть сдвинуты в пространстве на 120 электрических градусов; 2) токи в этих фазах должны быть смещены во времени на 120 градусов. На рис. 8 представлено положение силовых линий вращающегося поля, созданного обмоткой статора, для двух моментов времени (разработано там • видеоматериалы, иллюстрирующие в динамике процесс укладки и устройство якорной обмотки машины постоянного тока, а также выпрямление напряжения коллектором генератора, рис. 9 (там ВВЕДЕНИЕ ……………………………………..………………………………………………………………. 1. Термины и определения ………………………………………………

1.6. Отдельные части трансформатора …………………………………

1.9.2. Номинальные данные трансформатора …………………………

4. Условное обозначение трансформаторов ……………………………

5. Номинальные данные и устройство исследуемого трансформатора

6. Pабота №1 ТРЕХФАЗНЫЙ ДВУХОБМОТОЧНЫЙ ТРАНСФОРМАТОР ………………………… ЛИТЕРАТУРА …………………………………………………………

URL-адреса предприятий, производящих электрические машиныи трансформаторы ………. URL-адрес РАО ЕЭС “Россия” ……………………………………..…

Приложения:

1. Паскаль-программа “Расчет характеристик холостого хода трансформатора” ……………..

Рис. 4. Картины пространственного распределения: а – индукции магнитного поля;

б – напряженности магнитного поля (кадры слайд-фильма) Таблица 2. Результаты расчета, выполненного на ПК (см. п.п 7 и 7.1 УМК) P2ном = 15 кВт, U1ном = 220/380 В, I1ном = 28.4 A, cosном = 0.894, ном = 0.892.

Методические рекомендации студенту-расчетчику по анализу результатов:

1) сравнить рассчитанное значение мощности P2 на валу двигателя 2) сравнить рассчитанные значения кпд и коэффициента мощности cos (см. в табл. 2 строки 17 и 18) с принятыми значениями (см. Задание).

Если рассчитанные величины отличаются oт указанных более чем на 15 %, то необходимо внести коррективы в расчет и выполнить его еще раз.

Рис. 5. Текст файла с результатами расчета рабочих характеристик асинхронного двигателя (в качестве теста приняты данные, изложенные в книге: Проектирование электрических машин:

учеб. пособие для вузов / под ред. И.П. Копылова. – М.: Высшая школа, 2002. – С.467) Рис. 6. Скриншоты кадров компьютерного видеофильма «Конструкция и технология электрических машин». Часть 1. Трансформаторы:

а – фотография трансформатора, установленного на Асуанской ГЭС;

б – осевая опрессовка и сушка обмоток НН и ВН трансформатора Рис. 7. Мультимедийные фрагменты видеолекции «Реакция якоря синхронной машины», иллюстрирующие в динамике влияние активной нагрузки, подключенной к обмотке якоря:

а – взаимная ориентация магнитных полей якоря и индуктора; б – векторная диаграмма Рис. 8. Фрагменты видеоматериалов, иллюстрирующие в динамике условия создания вращающегося поля трехфазной обмоткой, соответствующие различным мгновенным значениям токов в обмотке:

Рис. 9. Фрагменты видеоматериалов, иллюстрирующие в динамике процесс укладки и устройство якорной обмотки машины постоянного тока (а), а также выпрямление напряжения коллектором генератора (б) Вывод В результате использования преподавателями и студентами разработанных Учебно-методического комплекса дисциплины «Электрические машины» (электронная реализация УМК размещена в Интернете, http://zei.narod.ru/ind.html), и мультимедийных приложений повышена эффективность изложения материала, достигнуто понимание студентами сложных вопросов теории и устройства электрических машин и трансформаторов.

Библиография 1. Забудский Е.И. Математическое моделирование управляемых электроэнергетических устройств: Учебное пособие для вузов. - Ульяновск: УлГТУ, 1998. - 120 с.

2. Забудский Е.И. Анализ управляемых электроэнергетических устройств методом конечных элементов: Учебное пособие для вузов. - М.: МГАУ им. В.П. Горячкина, 1999. - 141 с.

3. Забудский Е.И. Электрические машины. Ч. 1. Трансформаторы: Учебное пособие для вузов.– М.: МГАУ им. В.П.

Горячкина, 2002. - 168 с.

4. Забудский Е.И. Электрические машины. Ч. 3. Синхронные машины: Учебное пособие для вузов – М.: МГАУ им. В.П. Горячкина, 2008. - 196 с.

5. Забудский Е.И. Электрические машины. Ч. 4. Машины постоянного тока: Учебное пособие для вузов – М.: МГАУ им. В.П. Горячкина, 2010. - 217 с.

6. Забудский E.И. Компьютерный фильм “Геометрическая интерпретация результатов расчета магнитного поля в устройствах электромеханики”: Пакет компьютерных программ / Зарегистрирован в Отраслевом фонде алгоритмов и программ НИИВО Минобразования РФ. Регистр. № 94696/16.02.94. Сертификат №3/93 от 10.09.93г.

7. Еvgeny Zabudsky. Lecturer’s web-site and its role in distance learning // International Journal “Information Technologies and Knowledge” (IJ ITK), Vol. 1/2007, p. 279-281.

8. А.с. 1651326 СССР. Трехфазный насыщающийся реактор / Е.И. Забудский, Ю.В. Ермураки, С.Ф. Козырин. Опубл.

23.05.91, Бюл. # 19.

9. А.с. 1658224 СССР. Трехфазный управляемый реактор / Е.И. Забудский, Ю.В. Ермураки, С.Ф. Козырин. Опубл.

23.06.91, Бюл. # 23 (http://zei.narod.ru/11.html).

10. А.с. 1663721 СССР. Трехфазный статический ферромагнитный утроитель частоты / Е.И. Забудский, Ю.В.

Ермураки, С.Ф. Козырин, В.Г. Ольховский, О.В. Воловецкий. Опубл. 15.07.91, Бюл. # 26.

Информация об авторе Евгений Забудский – Российский университет Дружбы народов, профессор кафедры Кибернетика и мехатроника, доктор техн. наук, 117923, Москва, Россия, ул. Орджоникидзе, д. 3;e-mail:[email protected]; web-сайт:http://zei.narod.ru.

Направление научной работы: Регулируемые электромагнитные устройства для управления режимами электроэнергетических систем.Компьютерные