Автоматизированная обучающая подсистема с комплексом компьютерного исследования ''Однофазный силовой трансформатор''. Методические указания к лабораторной работе

Интегрированная обучающая подсистема по трансформаторам с автоматизированным лабораторным исследованием и контролем знаний ___________________________________________________________________________

МИНИСТЕРСТВО ОБЩЕГО И ПРОФЕССИОНАЛЬНОГО ОБРАЗОВАНИЯ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ Московский государственный институт электроники и математики (Технический университет)

Кафедра Управление и информатика в технических системах

АОС "Элементы САУ - однофазный силовой трансформатор"

МЕТОДИЧЕСКИЕ УКАЗАНИЯ к лабораторной работе по курсу "Электромеханические устройства"

Москва 2001 ________________________________________________________________ МГИЭМ (ТУ) Управление и информатика в технических системах

Составители: канд. техн. наук , проф. Г.Б. Фалк канд. техн. наук, доцент Т.С. Денисова канд. техн. наук , доцент М.Ю. Ваганова ст. преп. М.Б. Булакина инж. Остроумов А.В. ст. Сарбаш Е.В.

Основным содержанием работы является обучение и контроль знаний по теме «Однофазный трансформатор», а также компьютерное исследование его характеристик. Для студентов III курса специальности «Управление и информатика в технических системах» - 210100.

Автоматизированная обучающая подсистема с комплексом компьютерного исследования «Однофазный силовой трансформатор». Метод. указания к лабораторной работе. Моск. гос. ин-т электроники и математики; Сост.: Г.Б. Фалк, Т.С.Денисова, М.Ю.Ваганова, М.Б. Булакина, А.В.Остроумов, Е.В.Сарбаш. М., 2000.

УДК 65.011.56

2

Введение В методических указаниях рассмотрен процесс работы автоматизированной обучающей подсистемы (АОС) по однофазным трансформаторам с комплексом лабораторного исследования. Под автоматизированной обучающей системой понимается функционально взаимосвязанный набор подсистем учебно-методического, информационного, математического и инженерно-технического обеспечения на базе средств вычислительной техники, предназначенный для оптимизации процесса обучения в различных его формах и работающий в диалоговом режиме коллективного пользования. В рамках автоматизированного обучения учебный материал часто оформляется в виде обучающей программы.

1. Описание предметной области по трансформаторам 1.1. Общие сведения и классификация трансформатора. Трансформатором называется статическое электромагнитное устройство, имеющее две или более индуктивно связанных обмоток и предназначенное для преобразования посредством электромагнитной индукции одной или нескольких систем переменного тока в одну или несколько других систем переменного тока.[1] Трансформатор называется силовым, если он применяется для преобразования электрической энергии в электрических сетях и установках, предназначенных для приёма и использования электрической энергии. К силовым относятся трансформаторы трёхфазные и многофазные мощностью 6,3 кВт и более, однофазные мощностью 5 кВт и более. При меньших мощностях трансформаторы называются трансформаторами малой мощности. Различают силовые трансформаторы общего назначения, предназначенные для включения в сеть. Силовые трансформаторы специального назначения предназначаются для непосредственного питания сетей или приемников электрической энергии, если эти сети или приемники отличаются особыми условиями работы, характером нагрузки или режимом работы Классификация трансформаторов по назначению. 1. Силовые используются для передачи и распределения электрической энергии с наилучшими технико-экономическими показателями. 2. Трансформаторы питания - маломощные трансформаторы, предназначенные для питания электрической аппаратуры и бытовых устройств. 3

3. Измерительные работают в комплексе с измерительными приборами и расширяют их пределы измерения. 4. Импульсные работают не при синусоидальном токе, а в импульсном режиме. 5. Пик-трансформаторы вырабатывают пикообразное нап- ряжение при включении в цепь синусоидального тока. 6. Испытательные предназначены для испытания электрической прочности изоляции. Классификация трансформаторов по числу фаз. 1. Однофазные трансформаторы. 2. Трёхфазные трансформаторы. Трансформаторы с числом фаз более трёх встречаются только в некоторых специальных схемах. Классификация трансформаторов по числу обмоток. 1. Двухобмоточный трансформатор. 2. Многообмоточный трансформатор. 3. Однообмоточный трансформатор (автотрансформатор). Классификация трансформаторов по системе охлаждения. 1. Естественное воздушное охлаждение. Обмотки, магнитопровод и другие части трансформатора имеют непосредственное соприкосновение с окружающим воздухом, поэтому их охлаждение происходит путём излучения и естественной конвекции воздуха.[1] 2. Естественное масляное охлаждение. Активная часть трансформатора помещается в бак, заливаемый трансформаторным маслом. В некоторых случаях бак заливается другим жидким диэлектриком.[1] 3. Масляное охлаждение с дутьём. Поверхность бака обдувается вентиляторами при имеющемся масле внутри. Этот вид охлаждения позволяет увеличить теплоотдачу в 1,5 - 1,6 раза.[1] 4. Масляное охлаждение с принудительной циркуляцией масла. Масло из бака откачивается насосом, прогоняется через водяной или воздушный теплообменник и охлаждённое возвращается в бак.[1]

1.2. Конструкция однофазного трансформатора. Основными частями однофазного трансформатора (ОТ) (рис.1) являются: 1. магнитопровод 2. изоляционный каркас 3. обмотки

4

Рис.1. Конструкция трансформатора. Магнитопровод (1) выполняется из ферромагнитного материала и предназначен для локализации магнитного потока и усиления электромагнитной связи обмоток. Магнитопровод изготавливается из магнитомягких материалов (листовой или ленточной электротехнической стали, листового или ленточного пермалоя, монолитного феррита) с узкой петлёй гистерезиса. Чем уже петля, тем легче материал перемагничивается, т.е. меньше затраты энергии на перемагничивание, следовательно меньше потери на перемагничивание (или потери на «гистерезис»). Магнитопровод собирается из отдельных пластин, изолированных друг от друга или навивается из ленты, т.к. при проведении магнитного потока в поперечной к нему плоскости возникают токи Фуко (вихревые токи). Изоляционные промежутки между листами или слоями ленты уменьшают вихревые токи и, соответственно, потери мощности в магнитопроводе. В зависимости от конфигурации магнитопровода трансформаторы бывают: 1. Стержневого типа. 2. Броневого типа. 3. Кольцевого типа. Обмотка (2) - это совокупность витков, образующих электрическую цепь, в которой суммируются эдс витков. Виток - это деталь из электрического проводника однократно охватывающая часть элементом обмотки. Обмотки магнитопровода, является основным

5

осуществляют электромагнитное преобразование энергии, выполняются из электропроводящих и изоляционных материалов. При протекании тока по обмотке, возникают электрические потери на активном сопротивлении. Для уменьшения электрических потерь используют высокопроводящий материал (медь, алюминий, серебро). Обмотки трансформатора бывают сосредоточенные. В сосредоточенной обмотке магнитная ось каждого витка совпадает с результирующей магнитной осью обмотки. расположению обмоток различают следующие виды По трансформаторов: 1. Трансформаторы с концентрическими обмотками. 2. Трансформаторы с чередующимися обмотками. 1.3. Принцип действия однофазного трансформатора. Электромагнитная система однофазного двухобмоточного трансформатора (рис.2) состоит их двух обмоток, расположенных на магнитопроводе. Первичная обмотка (1) с числом витков w1 включена в однофазную сеть переменного тока с напряжением U1 , а вторичная обмотка ( 2 ) с числом витков w2 замкнута на сопротивление нагрузки Zн .

Рис.2. Электромагнитная система однофазного трансформатора.

6

Под действием приложенного напряжения U1 по первичной обмотке протекает ток I1 , создающий мдс первичной обмотки F1=I1⋅w1 , которая приводит к появлению в сердечнике переменного магнитного потока. Основная часть потока Ф0 замыкается по магнитопроводу (3), сцепляется с обеими обмотками и наводит в них эдс e1 и e2 . Небольшая часть потока Ф1 , называемая потоком рассеивания Фσ1 первичной обмотки, замыкается по воздуху непосредственно вокруг этой обмотки. Во вторичной обмотке эдс e2 вызывает ток I2 , на сопротивлении нагрузи Zн снимается выходное напряжение U2=I2 ⋅ Zн и выходная мощность P2=U2 ⋅ I2 . Одновременно ток I2 создаёт мдс вторичной обмотки F2=I2 ⋅ w2 , направление которой в контуре магнитопровода определяется по правилу Ленца. Значение потока Фо , замыкающегося по сердечнику и называемого потоком взаимоиндукции, или основным магнитным потоком, определяется результирующим воздействием мдс F1 и F2 . В обеих обмотках эдс взаимоиндукции определяются в соответствии с законом электромагнитной индукции: e1= - w1 dФо/dt ; e2= - w2 dФо/dt . 1.4. Характеристики трансформатора. 1. Внешняя характеристика (рис.3) представляет собой зависимость напряжения U2 от тока нагрузки, равного току во вторичной обмотке, т.е. U2=f(I2) (при U1 = const): U2=E2-I2Z2. Коэффициент нагрузки Кн=I2/I2ном., где I2 - номинальный вторичный ток; φ2-сдвиг по фазе между U2 и I2. 2. Характеристика КПД - является основной энергетической характеристикой трансформатора (рис.4), он равен отношению активной отдаваемой мощности к потребляемой. Из графика зависимости КПД от значения и характера нагрузки видно, что КПД равен нулю при х.х. (Zн=беск.) и при к.з. (Zн=0) и достигает максимума при некотором сопротивлении нагрузки Zном, соответствующем I2ном.

7

Рис.3. Внешняя характеристика однофазного трансформатора.

Рис.4. Характеристика КПД однофазного трансформатора.

8

1.5. Номинальные данные трансформатора. У трансформатора номинальный режим устанавливается из условий нагрева и безаварийной работы в течении заданного промежутка времени. Номинальная мощность - это мощность, отдавая которую длительное время трансформатор не перегревается выше установленной нормы. Норма зависит от класса изоляции трансформатора.

2. Структура подсистемы обучения и контроля знаний по трансформаторам Структура автоматизированной обучающей подсистемы представлена на рис.5. Обучающая среда состоит из трёх основных групп блоков, объединенных общими функциональными особенностями. „ группа ввода и коррекции информации; „ группа сервисных средств; „ группа управления работой обучающей среды. Группа ввода и коррекции информации состоит из: - графического редактора PaintBrush, который предназначен для ввода новых и корректировки уже существующих графических форм режимов обучения и контроля знаний; - командной оболочки Delphi, предназначенной для определения логики вывода графических форм режима обучения; - текстового редактора, предназначенного для коррекции старых и введения новых вопросов и ответов для режима контроля знаний; - данных подсистемы, которые представляют собой совокупность файлов с графической и текстовой информацией для режимов контроля и обучения. Группа сервисных средств состоит из : - блока контекстной помощи, который по требованию выдаёт справочную информацию. - блока управления интерфейсом, который выполняет следующие функции: 1. ввод информации с клавиатуры; 2. ввод информации при помощи мыши; 3.предупреждение пользователя о некорректных или фатальных действиях. Группа управления работой обучающей среды состоит из: - блока управления обучающей средой, который выполняет все диспетчерские функции в системе и определяет последовательность вызова

9

БЛОК КОН Т ЕКС Т Н ОЙ ПОМОЩИ

БЛОК УПРАВ ЛЕН ИЯ ИН Т ЕРФЕЙС ОМ

БЛОК УПРАВ ЛЕН ИЯ ОБУЧАЮ ЩЕЙ С РЕДОЙ

РЕЖИМ ОБУЧЕН ИЯ

В В ОД ГРАФИЧЕС КИХ ФОРМ PAIN T B R U SH

РЕЖИМ КОН Т РОЛЯ ЛОГИКА ИЗЛОЖЕН ИЯ D ELPH I КОН Т РОЛЬ С ОБУЧЕН ИЕМ

В В ОД В ОПРОС ОВ И ОТ В ЕТ ОВ . Т ЕКС Т ОВ ЫЙ РЕДАКТ ОР

ОБУЧАЮ ЩАЯ С РЕДА ЭКС ПРЕС С КОН Т РОЛЬ

ДОПУС К К ЛАБОРАТ ОРН ОЙ РАБОТ Е

В В ОД ДАН Н ЫХ

В ЫПОЛН ЕН ИЕ ЛАБОРАТ ОРН ОЙ РАБОТ Ы

Рис.5. Структура автоматизированной подсистемы обучения и контроля знаний по трансф орматорам.

10

подпрограмм, передачи промежуточных результатов между модулями и для вывода пользователю. - блока "Режим обучения", который управляет подсистемой обучения, выбирает из базы знаний необходимый рисунок и выдает его на экран пользователя . - блока "Режим контроля", который управляет режимом экспресс-контроля знаний; - блока "Контроль с обучением", который управляет режимом контроля знаний с обучением; - блока "Экспресс-контроль", который управляет режимом экспресс-контроля знаний; - блока "Допуск к лабораторной работе", который управляет режимом допуска к лабораторной работе; - блока "Выполнение лабораторной работы", который управляет режимом выполнения лабораторной работой.

3. Программные и технические средства для подсистемы АОС должна удовлетворять несколько специфическим требованиям, связанным с тем, что это активная диалоговая система, постоянно взаимодействующая с пользователем. К основным таким требованиям относятся: - наглядность представления графического материала. Для этого требуется использовать среду, поддерживающую графические средства. - создание оконного интерфейса и системы меню, позволяющих управлять работой программы. Этот принцип реализуется с помощью объектно-ориентированного программирования, отличительной особенностью которого является возможность управлять ходом событий. Подсистема комплексного обучения и контроля знаний АОС ОТ разработана на языке высокого уровня Delphi 3.0 и пакета для вывода растровых графических изображений PCX Photofinish 2.0 Delphi обладает широким набором возможностей, включая проектировщика форм и поддержку всех форматов популярных баз данных. Слайд-фильм сделан с помощью программы презентационной графики Microsoft Power Point 7.0. Растровая графика представлена мощным графическим редактором Photofinish 2.0. Он представляет собой пакет программ, позволяющий использовать изображения, хранящиеся на диске в формате pcx, для отображения на экране.

11

4. Методика обучения в АОС по трансформаторам Методика обучения сводится к выбору: - вида управления процессом обучения (разомкнутый, замкнутый, смешанный); - вида информационных процессов (рассеянный, направленный); - типа и вида обучающей подпрограммы. Выделяют следующие виды управления процессом обучения: 1. Разомкнутое управление - управление познавательной деятельностью, которое осуществляется по заранее заданному алгоритму без диагностики промежуточных состояний процесса усвоения знаний. 2. Замкнутое управление - предполагает постоянное слежение за процессом познавательной деятельности и его коррекцию в случае выявленных отклонений. Обязательно наличие обратной связи от обучаемого к подсистеме автоматизированного обучения и постоянного текущего контроля хода обучения. 3.Смешанное управление - предполагает использование на различных этапах комбинаций замкнутого и разомкнутого видов управления. В разработанной обучающей подсистеме реализован подход со смешанным управлением. Для этого используются режимы "Обучение" (разомкнутое управление) и "Контроль знаний с обучением" (замкнутое управление). Все воздействия в ходе обучения осуществляются с помощью информационных процессов (ИП). При этом различают рассеянные и направленные ИП. В рассеянном ИП информация от источника направляется сразу ко всем обучаемым без учета того, воспринимают они его или нет. В направленном ИП информация от источника направляется к конкретному обучаемому с учетом его индивидуальных особенностей. В рассматриваемой системе применено смешанное управление с рассеянным ИП. Классификация обучающих систем. Под автоматизированной обучающей системой в настоящей работе понимается такая программно-аппаратная система, которая организует и/или поддерживает процесс формирования (корректировки, закрепления) у пользователя-ученика знаний, опыта и навыков из выбранной для изучения предметной области. В процессе обучения с применением АОС возникает необходимость в решении следующих основных задач: 1.Передача знаний от системы к обучаемому. 2.Репетирование, т.е. закрепление у обучаемого определенных навыков.

12

3.Контроль знаний и представление дополнительных сведений по запросу. [3] Типы подсистем. Наиболее перспективными являются подсистемы, выделенные в таблице 1. Табл.1 Типы подсистем. По назначению Информационно-обучающие Контролирующие Универсальные По режиму работы Однопользовательские Многопользовательские По особенностям реализации Программно-аппаратные Программные По отношению к ПО Инвариантные Ориентированнные на один предмет По способности изменять свое Линейные поведение Разветвленные Настраиваемые По способу реализации Текстовые пользовательского интерфейса Графические Основные виды обучающих систем. Среди используемых обучающих систем можно выделить следующие основные виды [3]: 1.«Электронные учебники», подготавливаемые с использованием специализированных авторских систем. Примером авторских систем являются АДОНИС, УРОК, LINKWAY, TenCore и др. 2.Программы, предназначенные для развития практических навыков при решении задач из некоторой узкой предметной области. Например, решение задач школьного курса геометрии или расчет зубчатых передач в курсе деталей машин инженерного вуза. 3. Системы, основанные на нелинейном представлении информации. В эту группу входят системы типа «гипермедиа». Объекты, входящие в гипермедиа систему, формируют сложную сеть (гиперсеть), отражающую структуру проблемной области. Связи в сети обычно являются типизированными. Для объекта, находящегося в узле, могут задаваться специфические критерии, облегчающие его поиск. 4. Адаптированные для обучения версии распространенных программных комплексов. В таких системах реализуется некоторое подмножество функций изучаемой программы, снабженное многочисленными примерами и упражнениями. Основные роли АОС. 13

1.Хранилище информации с обеспечением быстрого поиска требуемых сведений, обновление информации в нем может производиться более оперативно по сравнению с печатными пособиями. Информация может быть представлена в различных формах (текст, графика, видеосюжеты и т.д.). 2.Средство управления процессом обучения. 3.Средство для целенаправленного отбора, дозирования и предоставления необходимых сведений обучаемому с возможностью адаптации к его особенностям и объему имеющихся знаний. 4.Средство анализа успеваемости. 5.Интеллектуальный партнер при приобретении практических навыков. База знаний по трансформаторам. База знаний по однофазным трансформаторам представлена на рис.6. Под знаниями будем понимать совокупность сведений у индивидуума, общества или искусственной системы о мире (конкретной предметной области, совокупности объектов или объекте), включающих в себя информацию о свойствах объектов, закономерностях процессов и явлений, правилах использования этой информации для принятия решений. В зависимости от последовательности проработки квантов учебной информации различают три вида обучающих программ (ОП): 1.Линейная ОП - это жестко установленная последовательность кадров, одинаковая для всех обучаемых. 2.Разветвленная ОП - это такая последовательность кадров, при которой обучаемые разной степени подготовленности продвигаются по обучающей программе различными путями: - при правильном ответе некоторые кадры могут быть пропущены; - при неточном ответе предусматриваются дополнительные кадры. 3.Многоуровневая ОП включает в себя несколько уровней изложения одного и того же материала, предназначенных для обучаемых разной степени подготовленности. В АОС по однофазным трансформаторам выбрана методика обучения, характеризующаяся следующими параметрами: - вид управления процессом обучения - смешанный; - вид информационных процессов - рассеянный; - тип ОП - в соответствии с поставленной задачей в одной подсистеме реализовано два типа ОП – контролирующий и информационно-обучающий; - вид ОП - линейный.

14

Рис. 6. Структура базы знаний по однофазным трансформаторам.

5. Методика трансформаторам.

контроля

знаний

в

АОС

Подсистема контроля знаний включает в себя четыре раздела:

15

по

1."Полный контроль знаний" позволяет определить общий уровень подготовки по конструкции, принципу работы и характеристикам однофазного трансформатора. 2."Контроль знаний с обучением" даёт возможность проверить имеющиеся знания и устранить возникшие трудности, обратившись к подсказкам. 3.“Экспресс-контроль знаний” рекомендуется для защиты лабораторных работ. 4.“Допуск к лабораторной работе” используется для проверки уровня знаний, необходимых для выполнения данной лабораторной работы. Во всех режимах тестирования в качестве основной формы диалога “вопрос-ответ” используется метод выбора одного вопроса из нескольких.

6. Алгоритмическое обеспечение АОС по однофазным трансформаторам. Приведены блок-схемы алгоритма работы автоматизированной обучающей среды по курсу однофазного трансформатора (рис.7), алгоритм блока подсистемы лабораторного исследования (рис.8).

7. Порядок работы АОС по трансформаторам. 7.1 Установка системы на жесткий диск. Установка системы на жесткий диск может быть произведена непосредственным копированием файлов. 7.2 Начало работы. Загрузка системы. Для запуска подсистемы обучения и контроля знаний необходимо перейти в каталог, содержащий файлы системы: ot.exe — основная программа для запуска системы; ot.hlp — файл справочной службы; В каталоге также должны находиться файлы с текстовыми и графическими вопросами. Для начала работы необходимо запустить на выполнение файл ot.exe. Об успешной загрузке системы свидетельствует появление рабочего экрана. Рабочий экран подсистемы разделен на три прямоугольные области: - меню команд; - рабочая панель экрана;

16

1 A

НАЧАЛО

Инициализация меню строки состояния

B

нет

Клавиша нажата

C

да да

А2

Режим обучения

D

нет да Режим контроля

E нет да

F

С1

Справка

нет нет

G

С1

Выход

да

H

КОНЕЦ

17

А3

2 A

3

D1

B

Демонстрация первого слайда

C

С2

Ждать действие пользователя

да

D

Листать вперед

Демонстрация следующего слайда

нет да Листать назад

E

Демонстрация предыдущего слайда нет нет

F

С2

Выход

С2

да да

G

Список литературы

Демонстрация списка литературы

нет

С1

H 18

С1

4 A

5

6

E1

да

B

Полный контроль

Процедура полного контроля

С1

Процедура контроля с обучением

С1

Процедура экспресс контроля

С1

нет да

C

Контроль с обучением

нет да

D

Экспресс контроль

нет да

E

Допуск к лаб. раб.

нет Процедура допуска

нет

F

Допуск пройден

С1

да

С1

Выполнение работы

Рис.7. Алгоритм подсистемы обучения и контроля знаний.

19

С1

1

A

НАЧАЛО

B

Меню режима лабораторного исследования

C

Сборка схемы

да

А2

нет

D

Исследование устройства нет

E

КОНЕЦ

20

да

А4

2 A

B

3 С1

да

В1

Схема собрана?

нет

C

нет

D

Сборка схемы

да да

D

Нужна помощь?

Вывод контекстной помощи

нет

E

F

Выбор элемента элементной базы

Все элементы выбраны

нет

E2

да

G

H

A

Режим проверки

Схема собрана правильно да

Вес схемы собраны

да

A

В1 С1

21

нет

нет

C

В1

E2

4 A

B

C

D

D1

Вывод таблицы исследования на экран

Ввод текущих значений

нет

C4

Таблица заполнена?

да

E

Вывод результатов на печать

нет

F

Исследование

B4

да

G

B1 С1

Рис.8. Алгоритм блока лабораторного исследования ОТ.

22

- строка статуса. Строка меню обеспечивает доступ ко всему дереву команд, выпадающим меню и диалоговым окнам (рис.9).

Рис.9. Структура меню Подсистемы Автоматизированного Обучения по однофазным трансформаторам. 7.3. Работа в режиме обучения. При активации меню РЕЖИМ ОБУЧЕНИЯ предоставляется доступ к слайд-фильму с теорией по теме «Однофазный трансформатор» и списку литературы, которая может потребоваться при подготовке к тестированию. 7.4. Работа в режиме контроля знаний. РЕЖИМ КОНТРОЛЯ ЗНАНИЙ выдает подменю с возможными режимами тестирования. В режиме ПОЛНЫЙ КОНТРОЛЬ ЗНАНИЙ предлагается ответить на 26 вопросов по трем разделам: [раздел 9.1.] - "Конструкция OT, общие вопросы" - 11 вопросов; - "Физика процессов, принцип действия, уравнения"- 11 вопросов; - "Вопросы на знание характеристик OT " - 4 вопроса. КОНТРОЛЬ ЗНАНИЙ С ОБУЧЕНИЕМ. Данный режим аналогичен режиму полного контроля знаний, но имеется возможность получения подсказки. ЭКСПРЕСС - КОНТРОЛЬ ЗНАНИЙ. В каждом разделе может задаваться от одного до трёх вопросов (до начала тестирования выбирается количество вопросов). Вопросы выбираются случайным образом по 3 разделам: 1.”Конструкция ОТ, общие вопросы” 23

2.”Физика процессов, принцип действия, уравнения” 3. “Вопросы на знание характеристик ОТ”. ДОПУСК К ЛАБОРАТОНЫМ РАБОТАМ. Необходимо дать по одному правильному ответу в каждом из четырех разделов: 1. "Вопросы на знание приборов и номинальных параметров, необходимых при исследовании устройства". 2. "Вопросы на знание выходных характеристик, снимаемых при исследовании устройства". 3. "Вопросы на знание режимов работы трансформатора". 4. "Вопросы на знание особенностей работы трансформатора". Пятый раздел данного режима - графический, где предлагается ответить всего на один вопрос, выбранный случайным образом. В случае правильного ответа происходит допуск к выполнению работы. Полный список вопросов для допуска к лабораторной работе представлен в разделе 9.2. 7.5 Работа в режиме «Лабораторная работа». При активации меню “ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА” выдается подменю с последовательностью выполнения лабораторной работы. СБОРКА СХЕМЫ. Меню «Сборка схемы» становится доступным только после успешного прохождения раздела «Допуск к лабораторной работе». К выполнению опытов допуск осуществляется только в случае правильно собранной схемы. Панель диалога «Сборка схемы» (рис.10) состоит из: 1. Рабочего поля для сборки схем. 2. Панели с приборами и соединительными проводами. 3. Четырех кнопок « Проверить », « Очистить », « Справка », « Выход ».

24

Рис.10. Окно сборки схемы. ИССЛЕДОВАНИЕ УСТРОЙСТВА. Выполняются последовательно два опыта. После выполнения опытов строка подменю «Лабораторная работа» будет недоступна. При выполнении каждого задания можно получить дополнительную информацию, обратившись к блоку контекстной справки. Окно выполнения первого опыта представлено на рис.11.

Рис.11. Окно выполнения первого опыта.

25

Выбрав кнопку «Справка», Вы можете получить окно справочной системы, а также указания по проведению опыта. Выбрав кнопку «Закончить», Вы прервёте выполнение текущего опыта и убирается с экрана панель диалога «Снятие опытных данных». После этого можно приступить к выполнению следующего опыта. Нажимать кнопку «Закончить» следует только в случае, если снято достаточно измерений. Выбрав кнопку «Печать», Вы можете вывести текущие данные на принтер. Выбрав кнопку «График», Вы увидите иллюстрацию теоретической зависимости расчетных данных. Выбрав кнопку «Очистить», Вы выполните очистку рабочего поля текущей панели диалога. Выбрав кнопку «Выход», Вы прерываете выполнение лабораторной работы и возвращаетесь в основное меню подсистемы. Для того чтобы потом продолжить выполнение лабораторной работы, нужно вновь пройти допуск и собрать схемы. 7.6. Работа со «Справкой». Содержание. В содержании указана структура меню подсистемы контроля знаний и методические указания. Индекс. Индекс содержит алфавитный указатель. Любой элемент алфавитного указателя содержит гиперссылку. О программе. Содержатся сведения о версии, авторе и времени создания системы. 7.7 Завершение работы с АОС. Для завершения работы с подсистемой необходимо выполнить опцию «Выход». 8. Выполнения лабораторной работы в АОС. 8.1. Цель лабораторной работы. Целью лабораторной работы является изучение конструкции однофазного силового трансформатора и проведение опытов, необходимых для определения его основных параметров и характеристик. Алгоритм блока лабораторного исследования показан на рис.8. 8.2. Порядок выполнения лабораторной работы. 26

1. Ознакомиться с правилами работы раздела лабораторного исследования. 2. Ознакомиться с конструкцией однофазного силового трансформатора, записать его технические данные и технические данные измерительных приборов, используемых в работе. 3. Получить допуск для лабораторного исследования. 4. Произвести опыты холостого хода и короткого замыкания. 5. Произвести необходимые расчеты и построить характеристики. 6. Оформить отчет по работе. 8.3 Допуск к лабораторной работе. Необходимо дать по одному правильному ответу в каждом из четырех разделов [раздел 9.2.]: 8.4 Выполнение лабораторной работы. Задание 1. Опыт холостого хода. 1. Собрать схему исследования трансформатора в режиме холостого хода (приложение 1 рис.12). Сборка схемы производится поэлементно. Измерительные приборы, включаемые в схему, следует выбирать по номинальным данным трансформатора, которые выбираются из элементной базы, находящейся на экране справа. Необходимый элемент отмечается нажатием левой кнопки мыши и переносится на рабочее поле. По окончании сборки схемы на экране появляется собранная схема и можно переходить к исследованию однофазного трансформатора. 2. Внести в таблицу 2 данные опыта для вычисления коэффициента трансформации и определения магнитных потерь. Таблица 2. Измерено Вычислено U10 = U1н I10 P10 U20 Ктр = U10 / U20 Рм В А Вт В Вт

3. Собрать схему для определения трансформатора (приложение 1 рис.13). 27

числа

витков

в

обмотках

4.

Внести данные в таблицу 3. Таблица 3. U10 В

Измерено Uк B

Вычислено Wк -

W1 -

W2 -

Вычисления W1 и W2 производятся по следующим формулам: W1 = (U10 х Wк) / Uк W2 = (W1 / Kтр). Задание 2. Опыт короткого замыкания. 1. Собрать схему исследования трансформатора в режиме короткого замыкания (приложение 1 рис.14). Сборка схемы производится поэлементно. Измерительные приборы, включаемые в схему, следует выбирать по номинальным данным трансформатора, которые выбираются из элементной базы, находящейся на экране справа. Необходимый элемент отмечается нажатием левой кнопки мыши и переносится на рабочее поле. По окончании сборки схемы на экране появляется собранная схема и можно переходить к исследованию. 2. Ввести данные в таблицу 4. Таблица 4. Измерено Вычислено U1к I1к P1к I2к U2к U1к% В А ВТ А В %

U1к% = (U1к / U1н) ·100% Используя данные опытов, произвести расчеты и построить графики зависимостей η = F(Кнг) и U2 = F(Кнг) по следующим формулам: а) η = [(Sн · Кнг · cosφ2) / (Sн · Кнг · cosφ2 + Рм + {Кнг2 · P1к})]·100% (1) где: Sн - номинальная мощность трансформатора, указанная на стенде. (2) U2 = U20· (1 - ΔU2% / 100%) где: изменение напряжения при нагрузке ΔU2%= Кнг· (Uа% · cosφ2 + Uр% · sinφ2); Uа% = (Р1к / S1н) ·100% - активная составляющая напряжения короткого замыкания;

б)

28

Uр% = (U1к%)2 - (Uа%)2 - реактивная составляющая напряжения короткого замыкания. Расчет характеристик провести для случая часто активной нагрузки cosφ2 = 1 и смешанной cosφ2 = 0,8 (активно-индуктивной φ2>0 и активно-ёмкостной φ2<0) в диапазоне изменения Кнг от 0 до 1,5 с шагом 0,25. 8.5. ПОЯСНЕНИЯ К РАСЧЁТАМ. Для построения зависимости η=F(Кнг) используются данные опытов холостого хода и короткого замыкания. Найденные из этих опытов величины магнитных и электрических потерь позволяют расчитать η при любой нагрузке. Для определения магнитных потерь Pм служит опыт холостого хода: вторичная обмотка разомкнута (I2=0), а на первичную подаётся номинальное напряжение U1н. Магнитные потери Pм практически не зависят от нагрузки и равны мощности, потребляемой при холостом ходе P10. Электрические потери в этом опыте можно не учитывать, так как при холостом ходе I2=0, I1 = (0,02 ÷ 0,1) · I1н. Электрические потери в обмотках определяются из опыта короткого замыкания: вторичная цепь замкнута накоротко (U2=0), к первичной обмотке подводится такое напряжение U1к, чтобы ток во вторичной обмотке был равен номинальному (I2=I2н). Потери в обмотках будут такие же, как при номинальном токе (Рэ=Р1к). Магнитными потерями при опыте короткого замыкания можно пренебречь, так как они незначительны ввиду малого напряжения: U1к = (0,04 - 0,1) · U1н. Коэффициент трансформации определяется в опыте холостого хода: Ктр = Е1 / Е2 = W1 / W2 ≈ U10 / U20. Число витков обмоток определяется также из опыта холостого хода с помощью дополнительной контрольной обмотки, число витков которой указано на стенде. 8.6. CОДЕРЖАНИЕ ОТЧЕТА О ЛАБОРАТОРНОЙ РАБОТЕ. 1. Теоретические сведения и расчетные формулы. 2. Технические данные исследуемого трансформатора и измерительных приборов. 3. Электрические схемы опытов (приложение 1 рис.12, 13, 14). 4. Таблицы: № 2, № 3, № 4. Графики зависимостей η = F(Кнг) и U2 = F(Кнг). 5. 6. Выводы по результатам эксперимента. 7. Библиографический список.

29

9. Перечень вопросов по теме. 9.1.Вопросы для раздела «Полный контроль знаний» 1. В каком опыте определяются магнитные потери. 2. В каком опыте определяются электрические потери. 3.Формула общих потерь трансформатора. 4. Каким образом снижают потери на гистерезис. 5. Каким образом снижают потери на вихревые токи. 6. Каким образом снижают электрические потери. 7. Из какого материала выполняются обмотки трансформатора. 8. Из какого материала выполняют магнитопровод трансформатора. 9. По какой формуле определяется коэффициент трансформатора. 10. Как изменяется основной магнитный поток при увеличении нагрузки. 11. Чем создаётся основной магнитный поток. 12. Какой вид имеет уравнение равновесия мдс в режиме с нагрузкой. 13. Какой вид имеет уравнение равновесия мдс в режиме холостого хода. 14. Как зависят эдс e1 и эдс e2 от тока нагрузки. 15. Какой вид имеют уравнения равновесия эдс в режиме с нагрузкой. 16. Какой вид имеют уравнения равновесия эдс в режиме холостого хода. 17. Какой вид имеют уравнения равновесия эдс в режиме короткого замыкания. 18. Какой поток называется потоком рассеивания. 19. Что характеризует рост нагрузки на трансформатор. 20. В связи с чем КПД при Кнг >0.5-0.7 начинает падать. 9.2. Вопросы для допуска к лабораторной работе. 1. Чему равен ток холостого хода I10 у трансформатора с номинальным током I1н=6.1А. 2. Чему равен ток холостого хода I10 при подаче номинального напряжения на первичную обмотку трансформатора. 3. Чему будет равна величина напряжения короткого замыкания U1к с номинальным напряжением трансформатора U1н=127В. 4. Чему будет равна величина напряжения короткого замыкания U1к с номинальным напряжением трансформатора U1н=220В. 5. При каком напряжении на первичной обмотке U1к в опыте короткого замыкания трансформатора I2=I2н. 6. Чему равен ток холостого хода у трансформатора с номинальным током I1н=3.5А. 7. С каким пределом шкалы включают амперметр в первичную обмотку трансформатора в опыте Х.Х. при I1н=6.1А и I1н=10А. 8. С каким пределом шкалы включают амперметр в первичную обмотку трансформатора в опыте К.З. при U1н=220В и U2н=127В.

30

9. По показанию какого прибора определяются магнитные потери трансформатора. 10. Какие потери определяются в опыте холостого хода трансформатора. 11. Какие потери определяются в опыте короткого замыкания трансформатора. 12. Как определяется число витков в обмотках трансформатора. 13. Как определяется КПД трансформатора. 14. По показанию какого прибора определяются электрические потери трансформатора. 15. Для чего проводится опыт короткого замыкания трансформатора. 16. Для чего нужно знать общие потери энергии в трансформаторе. 17. По какой формуле определяется коэффициент полезного действия трансформатора. 18. Для определения какой величины проводится опыт холостого хода трансформатора. 19. По какой формуле определяется коэффициент мощности вторичной обмотки трансформатора cosφ2. 20. Для определения какой величины проводится опыт короткого замыкания трансформатора. 21. Для определения какой величины нужно знать общие потери энергии в трансформаторе. Приложение 1. Схемы для проведения опытов.

Рисунок 12. Схема опыта холостого хода.

31

Рисунок 13. Схема опыта определение числа витков.

Рисунок 14. Схема опыта короткого замыкания. Библиографический список. 1. Брускин Д.Э., Зохорович А.Е. и др. Электрические машины. Ч.1, М., Высшая школа, 1979. 2. Ретинская Н.И., Шугрина М.В. Отечественные системы для создания учебных курсов. Мир ПК N7, 1993. 3. Норенков Ю.И. Исследование и разработка принципов построения адаптивных обучающих систем. Москва, 1993. Диссертация к.т.н. 4. Куров А.В. Новые тенденции развития АОС, серия Приборостроения, 1993, Вестник МГТУ. 5. Кондрэк М., Касеан Ж., Инеси Т. Компьютеры в образовании на Западе, Мир ПК N9, 1992.

32

ТРАНСФОРМАТОР

КОНСТРУКЦИЯ

ФИЗИЧЕСКИЕ ПРОЦЕССЫ

ТРАНСФОРМАТОРА

МАГНИТОПРОВОД

ТРАНСФОРМАТОРА

ПРИНЦИП

ОСНОВНЫЕ

ДЕЙСТВИЯ

ОБМОТКИ

СИСТЕМА ОХЛАЖДЕНИЯ

ОПЫТ ХОЛОСТОГО ХОДА

УРАВНЕНИЯ

ОПЫТ КОРОТКОГО ЗАМЫКАНИЯ

Рис.6. Структура базы знаний по однофазным трансформаторам. 3

ХАРАКТЕРИСТИКИ ТРАНСФОРМАТОРА

ХАР-КА КПД

ВНЕШНЯЯ ХАР-КА