A SET OF TRAINING AND PROGRAM SIMULATORS USED IN THE STUDY OF ELECTRICAL CIRCUITS OF SINUSOIDAL CURRENT

Учебно-программный тренажер представляет собой программный комплекс для изучения явлений, физических процессов, построения диаграмм и характеристик электрических цепей и устройств, а также для проведения физических опытов на вычислительном устройстве ВУ (ноутбук, планшет и др.) без непосредственного контакта с реальной лабораторной установкой или стендом. В тренажерах динамика процессов реализуется посредством компьютерной анимации, а сам процесс показывается при помощи компьютерной графики [1], [2].

Использование тренажеров в профессиональном обучении не дань моде, а настоятельная необходимость, так как создаются условия, приближенные к производственным и подготовки обучаемого для работы на современном промышленном оборудовании [3], [4].

Работа на тренажерах связана также с основами теоретических знаний специальных дисциплин, способствуя их закреплению, развивая логическое мышление и активируя сенсорную деятельность. Такой подход в профессиональном обучении гораздо более реалистичен, чем набор отдельных вопросов на изучаемую тему, так как он ориентирован на то, что знания и умения даются в качестве средств решения задач, необходимых для использования в освоении предстоящих специальных дисциплин и в будущей профессиональной деятельности [5], [6], [7], [9].

Кроме этого, учебно-программные тренажеры дают возможность объективного контроля качества обучения - объективного определения и точности оценки объема знаний, умений и владений, как в комплексе, так и отдельно.

Чтобы создать учебно-программный тренажер, необходимо выработать его концепцию и разработать функциональную модель. При разработке тренажеров нами были положены следующие концептуальные критерии:

· универсальность, т.е. возможность использования тренажера при изучении понятийных образов различных объектов, электромагнитных явлений и процессов, описываемых идентичными по структуре математическими выражениями;

· многовариантность, т.е. вывод на экран случайным образом значений параметров элементов и схем соединения ветвей электрических цепей;

· возможность работы в двух режимах: в тренировочном с подсказками при неверном выполнении студентом текущей операции, и в контрольном;

· контроль каждой операции (практического действия), выполненной студентом в мультимедийных полях;

· оценка результирующий достижений студента;

· возможность использования тренажеров при проведении сетевых студенческих олимпиад по электротехнике.

Рассмотрим несколько тренажеров, разработанных автором с участием студентов в рамках их проектной деятельности при выполнении учебных заданий по электротехнике, с использованием программных сред: Borland C++ Builder и Adobe Flash (функционирование тренажеров восстановлено с помощью приложения ruffle). Для работы тренажеров необ­ходимо ВУ с ОС Windows 10 или 11, c браузером MS Edge и объемом свободной памяти 20 МБ.

Учебно-программный тренажер для построения временных диаграмм напряжения и тока цепи

В первой лекции по анализу линейных электрических цепей синусоидального тока отмечается, что в зависимости от типа решаемой задачи синусоидальные функции представляют в виде аналитической функции, например, напряжения

Учитывая, что при выполнении заданий и курсовой работы рекомендуется использовать комплексный (символический) метод расчета цепей с построением векторных диаграмм напряжений и токов в комплексной плоскости, очень важно, чтобы студент не забывал, что каждый вектор, отображает синусоидальную функцию, например, напряжение со своей амплитудой

Представленная на рис. 1 модель тренажера используется для построения временных диаграмм напряжения и тока при последовательном соединении элементов R и L в цепи (аналогичные модели тренажеров разработаны для RС- и RLC-цепей).

При функционировании тренажера в тренировочном режиме студент вычисляет значения параметров

Итоговая страница тренажера с построенными диаграммами синусоидальных напряжения и тока в однофазной RL-цепи

DOI:10.23670/IRJ.2022.123.72.6

Display full sizeDownload image

Чтобы установить синусоиды напряжения

Учебно-программный тренажер для построения топографических диаграмм электрических величин в цепях однофазного синусоидального тока. Модель тренажера (рис. 2) построена с учетом подобия треугольников (для схемы а, размещенной вверху модели тренажера): треугольника комплексов напряжений

Подобные треугольники комплексных величин для цепи с параллельным соединением ветвей (см. схему б па рис. 2, вверху), представлены:

на рис 3, г  - треугольник комплексов токов ветвей и на входе цепи;

на рис. 3, д - треугольник комплексов проводимостей ветвей и цепи;

на рис. 3, е) - треугольник  комплексов мощностей цепи.

Так как активные и реактивные составляющие перечисленных электрических величин для наглядности в курсе электротехники представляют в виде отрезков определенной длины под углом в 90° (для токов и напряжений в виде векторов в комплексной плоскости Re-Im), то для определения полных значений указанных величин и угла сдвига фаз

Интерфейс тренажера для построения топографических диаграмм

DOI:10.23670/IRJ.2022.123.72.7

Display full sizeDownload image

После верного ввода в белые кружки буквенных обозначений мощностей на сторонах треугольника и линии выше (см. левую верхнюю часть модели макета на рис 2) и щелчка мышью на команде «Принять», этот треугольник исчезает и появляется прямоугольный треугольник мощностей, в котором остается только полная реактивная мощность

Треугольники электрических величин, построенные для RLC-цепей с последовательным (а, б и с) и параллельным (г, д и е) соединением

DOI:10.23670/IRJ.2022.123.72.8

Display full sizeDownload image

Прежде чем перемещать мышью мерцающий кружок по пунктирной линии полуокружности вместе с изменяющим стороны прямоугольным треугольником с остановкой в нужной точке, необходимо определить угол сдвига фаз

$\phi$

(см. рис. 3, б и в), равный:

j

В рассматриваемом варианте активная мощность цепи

Тогда относительная величина активной мощности

При перемещении мышью мерцающего кружка по пунктирной полуокружности (в данном случае с переходом в нижнюю ее часть), автоматически выводятся в комплексную плоскость полуокружности значение угла

Учебно-программный тренажер для построения векторных диаграмм напряжений и токов однофазных цепей синусоидального тока [10]. Данный тренажер (рис. 4) используется для закрепления сформулированных на лекциях по электротехнике теоретических понятийных образов при изучении темы «Комплексный метод анализа электрических цепей синусоидального тока»

В электронную базу тренажера включены схемы цепей с последовательным, параллельным и последовательно-параллельном соединением элементы

Фрагменты тренажера для анализа фазовых соотношений

DOI:10.23670/IRJ.2022.123.72.9

Display full sizeDownload image

При функционировании тренажера в тренировочном режиме количество исследуемых схем устанавливается студентом, а при его работе в контрольном режиме – преподавателем после ввода пароля и установки общего времени на выполнение заданий.

Прежде чем начинать манипуляции с векторами в комплексной плоскости тренажера, нужно предварительно рассчитать фазные углы jkмежду напряжением и током во всех ветвях и на входе цепи, а также начальные фазы токов и напряжений ветвей по формулам:

При запуске подпрограммы тренажера для анализа фазовых соотношений между напряжением и током в ветвях (рис. 4) в левую часть рабочего окна выводится схема цепи с числовыми значениями параметров ее элементов, ниже схемы – задание (последовательность выполнения практических действий), а в правую часть выводится область круга, ограниченного градуированной шкалой, с неподвижным вектором тока

Для перехода к следующему заданию необходимо щелкнуть мышью на команде «далее», выполнив которое, посредством щелчка мышью на команде «далее» осуществляется переход к следующему заданию и т.д, и, наконец, после выполнения восьмого задания выводится итоговая оценка. При низкой оценке студент может повторить вновь выполнение всех заданий.

При выполнении задания по определению фазовых соотношений в цепи с параллельным соединением ветвей (рис. 5, а) необходимо заранее рассчитать фазовые сдвиги между векторами токов ветвей, входного тока и неподвижным вектором напряжения

- на рис. 5, б – при неверных углах сдвига фаз двух токов;

- на рис. 5, в – при совпадении полученных данных с эталонами.

Фрагменты тренажера для анализа фазовых соотношений между напряжением и токами в однофазной цепи синусоидального тока при параллельном соединении ветвей

DOI:10.23670/IRJ.2022.123.72.10

Display full sizeDownload image

Учебные занятия на учебно-программных тренажерах мотивируют студентов к изучению теоретического материала по курсу «Электротехника», создают возможность с уменьшением времени приобретения ими умений и владений посредством решения задач, необходимых для использования в освоении предстоящих специальных дисциплин и в будущей профессиональной деятельности.

Результаты учебных достижений студентов последних двадцати лет, изучающих курс «Электротехника» с использованием учебно-программных тренажеров, свидетельствуют, что у систематически занимающихся в семестре студентов по рассматриваемому в статье разделу курса сформировалось владение в построении временных, топографических и векторных диаграмм напряжений и токов в цепях однофазного переменного тока.

Уровень учебных достижений каждого студента автоматически оценивался посредством тренажеров в процентах от выполнения без ошибок всех заданных операций.