Пакеты прикладных программ для моделирования электромеханических систем

«УТВЕРЖДАЮ»

Зам. директора по Учебной работе

_________________

«_____»_______________2012 г.

ПАКЕТЫ ПРИКЛАДНЫХ ПРОГРАММ ДЛЯ МОДЕЛИРОВАНИЯ ЭЛЕКТРОМЕХАНИЧЕСКИХ СИСТЕМ

Рабочая программа

Направление 140600 «Электротехника, электромеханика и электротехнологии», специальность 140601 «Электромеханика»

Кафедра «Электрификация и автоматизация горного производства» (ЭиАГП)

Вид обучения	Очное	Заочное
Курс	5	5
Семестр	9	10
Распределение учебного времени:
Лекции	34 часа	8 часов
Лабораторные работы	17 часов	6 часов
Практические занятия	34 часа	8 часов
Всего аудиторных занятий	85 часов	22 часа
КСР	4 часа	4 часа
Самостоятельная работа	61 час	124 час
Общая трудоемкость	150 часов	150 часов
Вид контроля	Зачет	Зачет

МИРНЫЙ 2012

Предисловие

1. Рабочая программа составлена на основе ФГОС ВПО по специальности 140601 «Электромеханика» РАССМОТРЕНА И ОДОБРЕНА на заседании кафедры ЭиАГП протокол №____ от «____» ______________20___ г.

Разработчик ассистент кафедры ЭиАГП

Зав. кафедрой ЭиАГП, к. т.н., проф.

2. Рабочая программа СОГЛАСОВАНА И ОДОБРЕНА научно-методическим советом МПТИ (ф) СВФУ протокол №____ от «____» ______________20___ г.

Председатель НМС, к. ф.-м. н., доц.

АННОТАЦИЯ

ПАКЕТЫ ПРИКЛАДНЫХ ПРОГРАММ ДЛЯ МОДЕЛИРОВАНИЯ ЭЛЕКТРОМЕХАНИЧЕСКИХ СИСТЕМ

Кафедра ЭиАГП МПТИ (ф) СВФУ

Ассистент кафедры,

Цель: сформировать у студентов целостное представление о пакетах прикладных программ, применяемых для моделирования электромеханических систем, о задачах обеспечения и оценки моделирования и методах их решения, развить инженерные навыки решения задач моделирования электромеханических систем.

Содержание: предмет курса; основные понятия и определения; математические основы моделирования электротехнических и электромеханических систем; концепции структурного моделирования; структурные модели элементов и систем электропривода и других электромеханических систем; выбор программ для моделирования ЭМС; более подробное рассмотрение программы MATLAB/Simulink/SimPowerSystem.

1.  Внешние требования

Специалист по направлению подготовки "Электротехника, электромеханика и электротехнологии", специальности "Электромеханика" должен быть подготовлен к решению следующих видов задач:

-использование теоретических моделей для прогнозирования свойств и поведения объектов деятельности;

-использование компьютерных технологий моделирования и обработки результатов; ГОС ВПО п.1.3.5.в.

2.  Особенности (принципы) построения дисциплины

Особенность (принцип)	Пояснение
*Основание для введения	Решение ученого совета института
*Адресат	Студенты специальности 140601-"Электромеханика"
*Основная цель	1. изучить методы построения математических моделей элементов электромеханических систем 2. получить навыки математического моделирования ЭМС 3. расширить навыки использования современных компьютерных технологий в области моделирования и обработки результатов
*Ядро	Метод моделирования (основные понятия и определения). Электромеханическая система. Обобщённый ЭМПЭ и его математическая модель. Математические модели ЭМПЭ постоянного и переменного тока. Исследование стационарных и динамических режимов работы на ЭВМ. Система научных и инженерных расчётов MATLAB как инструмент математического моделирования. Структурное моделирование. Структурные модели ЭМПЭ постоянного и переменного тока. Примеры структурных моделей ЭМС. Программные средства структурного моделирования SIMULINK, ИСМА.
*Требования к начальной подготовке, необходимые для успешного усвоения Вашей дисциплины	Знание следующих дисциплин: «Математика», «Информатика», «Теоретические основы электротехники» и «Общий курс электрических машин»
*Уровень требований по сравнению со Стандартом	Обоснование повышения (замена уровня “иметь представление”, “знать” на “уметь, владеть”) или понижения (переход с уровня “уметь” или “владеть” на уровни “знать” или “иметь представление” и т. д.) уровня требований, предъявляемых к образованию и подготовке
*Объем в часах: очное/заочное обучение	Теоретический курс – 34/8 часов. Лабораторные – 17/6 часов, практические занятия – 34/8 часов. Самостоятельная работа - 61/124 часов.
Основные понятия	Техническая система, электромеханическая система, элемент системы, модель, электромеханический преобразователь энергии (ЭМПЭ), обобщённый электромеханический преобразователь энергии. Перечень понятий (можно в приложении)
Обеспечение последующих дисциплин образовательной программы	Электромеханические системы, Специальный курс электрических машин
Практическая часть дисциплины	Выполнение и защита лабораторных работ
Учет индивидуальных особенностей обучающихся, реализация права выбора способа учения	Предъявление обязательных минимальных требований к уровню подготовки обучающихся
Направленность дисциплины на развитие общепредметных, общеинтеллектуальных умений, обладающих свойством переноса, направленность на саморазвитие	Обобщение, анализ и оценка результатов, моделирование процессов, выделение главного и второстепенного, формулировка выводов.
Особая технология организации учебного процесса	-
Области применения полученных знаний и умений	Электромеханика, электропривод, автоматизированные системы управления
Описание основных “точек” контроля	Защита лабораторных работ. Результаты тестирования по дисциплине. Письменный зачет.
Ваша дисциплина и современные информационные технологии	В курсе используется современное программное обеспечение - Система научных и инженерных расчётов MATLAB.

3.  Цели учебной дисциплины

После изучения дисциплины студент будет:

иметь представление:
№ 1	об актуальности и важности метода моделирования ЭМС
2	об обязательных для изучения разделах
3	о существующих подходах к моделированию ЭМС
4	о современном состоянии научных дисциплин, являющихся основой моделирования
5	об основных сферах применения получаемых знаний
6	о связи курса с другими дисциплинами направления
7	о значении теории подобия и планирования эксперимента в задачах моделирования
знать:
№ 1	цели и задачи моделирования ЭМС
2	понятия, определения, термины курса
3	характеристики, свойства основных элементов ЭМС
4	основы, теории моделирования
5	методы построения математических моделей
6	классификация видов моделирования
7	допущения, принимаемые при построении моделей
уметь:
№ 1	оформлять результаты моделирования
2	рассчитывать параметры и характеристики модели
3	обобщать, интерпретировать полученные результаты
4	контролировать, проверять, осуществлять самоконтроль до, в ходе и после выполнения работы
5	прогнозировать и анализировать результаты математического или физического эксперимента на основе физических законов
иметь опыт:
№ 1	Математического моделирования ЭМС на ЭВМ с помощью программного обеспечения MATLAB.

4.  Содержание и структура учебной дисциплины

4.1 Лекционные занятия

Блок, модуль, раздел, тема	Часы очное/заочное	Ссылки на цели*
Метод моделирования. Основные понятия: оригинал, модель, техническая система, подсистемы, элементы системы и т. д. Виды моделирования. Этапы моделирования. Математическое моделирование. Условия формирования математических моделей. Порядок и основные этапы моделирования: создание математической модели, анализ исходного режима работы, формирование исходных данных, определение параметров влияющих на исследуемый процесс, выбор и обоснование диапазона изменения параметров, расчёт, анализ результатов, выводы. Электромеханическая система: определение, обобщённая структурная схема, её элементы и их назначение. Обобщённый электромеханический преобразователь энергии (ОЭМПЭ). Системы координат используемые для построения математических моделей. Математическая модель ОЭМПЭ в системе координат, вращающейся с произвольной скоростью. Построение математических моделей ЭМПЭ постоянного тока на основе обобщённого ЭМПЭ. Статические и динамические режимы ЭМПЭ постоянного тока и методы их анализа. Мат. модель двигателя постоянного тока независимого возбуждения (ДПТ НВ). Процесс прямого пуска. Аналитические методы решения. Анализ влияния параметров и характера нагрузки на переходный процесс. Моделирование пуска на ЭВМ средствами MATLAB. Мат. модель двигателя постоянного тока параллельного возбуждения (ДПТ ПВ). Физический анализ прямого пуска. Моделирование на ЭВМ в среде MATLAB. Сравнение с пуском ДПТ НВ. Мат. модель двигателя постоянного тока последовательного возбуждения. Пуск двигателя постоянного тока последовательного возбуждения. Особенности пуска двигателя постоянного тока последовательного возбуждения. Математическая модель асинхронного двигателя. Введение системы относительных единиц и представление уравнений в относительной форме. Преобразование уравнений для численного моделирования на ЭВМ. Алгоритм численного моделирования на примере режима пуска. Анализ результатов моделирования. Структурное моделирование. Структурные модели ЭМС. Исследование динамических режимов в системе ИСМА.	3/0,5 3/0,5 6/1 6/2 4/1 4/1 4/1 4/1

4.2 Лабораторные и практические занятия

Блок, модуль, раздел, тема	Учебная деятельность*	Часы очное/заочное	Ссылки на цели*
Темы лабораторных работ
1. Исследование трехфазной асинхронной машины с короткозамкнутым ротором.		5/2
2. Исследование трехфазной синхронной машины.		6/2
3. Исследование машины постоянного тока независимого возбуждения		6/2
Темы практических занятий
1. Основы работы в системе MATLAB		8/2
2. Характеристики силовых элементов ЭМС в стационарных режимах		10/2
3. Динамические параметры исполнительных машин постоянного и переменного тока		8/2
4.Структурное моделирование. Система ИСМА		8/2

5.  ПРАВИЛА АТТЕСТАЦИИ СТУДЕНТОВ ПО УЧЕБНОЙ ДИСЦИПЛИНЕ

Для оценки достижений студентов в ходе изучения дисциплины «Пакеты прикладных программ для моделирования электромеханических систем» применяется балльно-рейтинговая система. Курс «Пакеты прикладных программ для моделирования электромеханических систем» изучается в одном семестре.

Максимальное количество баллов за виды учебной деятельности, предусмотренные основной программой освоения дисциплины, в течение семестра составляет 75 баллов. Максимальное количество баллов, которое студент может получить на зачете, равно 25. Таким образом, максимальный балл, который может набрать студент, равен 100.

5.1 Оценка видов деятельности студентов в течение семестра

Вид деятельности студента	Порядок оценки деятельности студента в баллах	Максимальный балл
Посещение лекций очно/заочно: 17/4 лекции	Посещение каждой лекции оценивается очно/заочно: 1/4 балла.	15
Лабораторные работы (3 л. р.)	Каждая лабораторная работа оценивается в диапазоне 10÷15 баллов (10 баллов за выполнение л. р.+ 5 баллов за защиту л. р.; защита оценивается по 3-х уровневой шкале: «удовлетворительно» - 1 балл, «хорошо» - 3 балла, «отлично» - 5 баллов). Итоговая оценка по лабораторным работам выводится как среднее арифметическое баллов, набранных за все проделанные работы, предусмотренные основной программой освоения дисциплины.	45
Практические занятия очно/заочно: 17/4 занятия	Практические занятия проводятся по лекционному материалу. Работа на каждом практическом занятии оценивается очно/заочно: 1/4 балла.	15
Итого:		75 баллов

5.2 Итоговая аттестация студентов (зачет)

К зачету допускаются только студенты, которые выполнили и защитили все лабораторные работы, предусмотренные основной программой освоения дисциплины «Пакеты прикладных программ для моделирования электромеханических систем» и набрали за период обучения не меньше 60 баллов.

Зачет проводится в письменной форме. Зачетный билет состоит из 2-х вопросов и одной практической задачи. Каждый вопрос оценивается максимально в 10 баллов, решение задачи – 5 баллов.

Максимальное количество баллов итогового зачета равно 25.

Результаты зачета:

Не зачет – < 15 баллов

Зачет – 15 баллов и >

6.  Список литературы

6.1 Основная литература

1.  Переходные процессы в электрических машинах и аппаратах и вопросы их проектирования: Учеб. Пособие для вузов / , , ; Под ред. – М.: Высш. шк.,2001.-512 с.: ил.

2.  Жуловян преобразование энергии: Изд-во НГТУ, 2005.-452с.

3.  Вольдек машины. Введение в электромеханику. Машины постоянного тока и трансформаторы: учебник для вузов по направлению подготовки ""Электротехника, электромеханика и электротехнологии"" и ""Энергетика"" / , .-СПб. [и др.]: Питер, 200

4.  Вольдек машины. Машины переменного тока : учебник для вузов по направлению подготовки ""Электротехника, электромеханика и электротехнологии"" и ""Электроэнергетика"" / , .-СПб.: Питер, 200с.

5.  Моделирование динамических режимов электромеханических преобразователей энергии и программный комплекс для их исследования: методическое пособие по дисциплинам ""Моделирование электромеханических систем"" и""Специальный курс электрических машин"" / Новосиб. гос. техн. ун-т ; [сост.: , ].-Новосибирск: Изд-во НГТУ, 2008.- 38, с

6.  и др. Электрические машины (спец. курс).- М.: Высшая школа, 198с.: ил.

7.  Переходные процессы и параметры машин постоянного тока; сост. , / Новосибирский электротехн. институт – Новосибирск, 1992.

8.  Моделирование переходных процессов в электрических машинах в системе MATLAB; сост. , / НГТУ.– Новосибирск, 2000.

6.2 Дополнительная литература

1.  Веников подобия и моделирования.

2.  Жиц и др. Переходные процессы в машинах постоянного тока.- М.: Энергия, 1974.

3.  , Переходные процессы в машинах переменного тока.- М.-Л.: ГЭИ, 1963.-774 с.

4.  Постников теория и переходные процессы в электрических машинах.- М.: .: Высшая школа, 197с.

5.  Горев процессы синхронной машины.-Л.: Наука, 1985.–502 с.

6.  и др. Математическое моделирование асинхронных машин.-М.: Высшая школа, 1987..

7.  Инструментальные средства моделирования динамических режимов электрических машин; сост. , , и др. / НГТУ. - Новосибирск,2003.

8.  Дипломные и курсовые проекты (работы): объём, содержание, оформление; сост. , /НГТУ - Новосибирск, 2004.

7.  Контролирующие материалы для аттестации студентов по дисциплине

Итоговая аттестация проводится в виде письменного зачета по билетам.

Образец зачетного билета:

ПОЛИТЕХНИЧЕСКИЙ ИНСТИТУТ (ФИЛИАЛ) ФГАОУ ВПО «СЕВЕРО-ВОСТОЧНЫЙ ФЕДЕРАЛЬНЫЙ УНИВЕРСИТЕТ ИМЕНИ М. К. АММОСОВА» В Г. МИРНОМ Составил: Утверждаю: Ассистент каф. ЭиАГП Зав. кафедрой ЭиАГП Семенов Н. М. «____»____________ 20___г. «____»____________ 20___г. ________________________ ________________________ Дисциплина: Пакеты прикладных программ для моделирования электромеханических систем Специальность: 140601 «Электромеханика» БИЛЕТ № 1 1. Обобщённая модель машины постоянного тока (модель Крона) и её дифференциальные уравнения. 2. Особенности пуска двигателя постоянного тока последовательного возбуждения. 3. Задача: Для чего в Simulink используется блок ? Показать на примере схемы пуска АД с короткозамкнутым ротором.

Рабочую программу разработал:

Заведующий кафедрой ЭиАГП:

Приложение 1. Перечень вопросов НА ЗАЧЕТ

1. Введение в моделирование.

1.1. Метод моделирования. Понятия оригинала и модели.
1.2. Разновидности моделей. Условие существования модели. Математическая модель.
1.3. Роль подобия в процессе моделирования. Виды подобия: абсолютное, практическое, приближенное (полное, неполное).

1.4. Порядок и основные этапы моделирования задач электромеханики на ЭВМ. Создание и описание математической модели, анализ исходного установившегося режима работы и формирование начальных условий, разработка программы расчета, определение параметров, влияющих на исследуемый процесс, и обоснование диапазона их изменения, расчет, анализ результатов.

2. Моделирование процессов в электрических машинах постоянного тока.

2.1. Основные элементы конструкции машин постоянного тока и их назначение. Характеристики электрических машин постоянного тока (ЭМПТ) в двигательном и генераторном режимах работы.

2.2. Обобщённая модель машины постоянного тока (модель Крона) и её дифференциальные уравнения.
2.3. С. - вращения и Э. Д.С. – трансформации.

2.4. Электромагнитная мощность и момент. Уравнение движения ЭМПТ.

2.5. Задав положительные направления потокосцеплений и токов якоря, определить направления э. д.с. и составляющих электромагнитного момента. Установить соответствие с режимом работы (двигательным, генераторным).

2.6. Преобразование уравнений обобщённой модели ЭМПТ к нормальной форме (форме Коши).

2.7. Краткое описание переходных процессов в машинах постоянного тока. Основные задачи и методы их решения.

2.8. Переход от обобщённой модели к модели двигателя постоянного тока независимого возбуждения (ДПТ НВ) и её преобразование к нормальной форме.
2.9. Прямой пуск ДПТ НВ. Математическая модель. Методы исследования.
2.10. Решение прямого пуска ДПТ НВ операторным методом.
2.11. Понятие электромагнитной и электромеханической постоянных времени. Влияние электромагнитной и электромеханической постоянных на характер переходного процесса.
2.12. Объяснить осциллограммы тока и скорости ДПТ НВ при пуске. Указать характерные точки и условия их определения.

2.13. Аналитическое определение времени трогания ДПТ НВ.

2.14. Определить закон изменения электромагнитного момента в процессе пуска ДПТ НВ.

2.15. Определить закон изменения ЭДС - вращения во время пуска ДПТ НВ.
2.16. Прямой пуск ДПТ параллельного возбуждения. Математическая модель.
2.17. Осциллограммы пуска ДПТ параллельного возбуждения и их отличие от ДПТ НВ.
2.18. Объяснить соотношение между временем трогания ДПТ НВ и ДПТ ПВ при пуске с нагрузкой типа “сухое трение”.

2.19. Определить закон изменения электромагнитного момента до момента трогания ДПТ ПВ.

2.20. Определение времени трогания ДПТ параллельного возбуждения.

2.21. Определить закон изменения ЭДС - вращения во время пуска ДПТ ПВ.

2.22. Особенности пуска двигателя постоянного тока последовательного возбуждения.

2.23. Математическая модель пуска двигателя последовательного возбуждения.

3. Переходные процессы в машинах переменного тока.

3.1  Какие системы координат используют для исследования переходных процессов электрических машин и чем руководствуются при их выборе?

3.2  Что такое изображающий вектор: тока, напряжения и потокосцепления и как он связан с мгновенными значениями соответствующих величин?

3.3  Записать и объяснить уравнения электрической машины в векторной форме.

3.4  Получить уравнения электрического равновесия асинхронной машины в осях .

3.5  Электромагнитная мощность и электромагнитный момент асинхронной машины в осях .

3.6  Изобразить и объяснить расчётную схему асинхронной машины в осях (,)

3.7  Система базовых величин и преобразование уравнений асинхронной машины к относительным единицам.

3.8  Описать алгоритм моделирования прямого пуска асинхронной машины на ЭВМ.

3.9  Объяснить осциллограммы основных величин в процессе прямого пуска асинхронной машины (по указания преподавателя):

а) токов статора, ротора;

б) момента в функции времени;

в) скорости от времени;

г) момента в функции скорости.

3.10. Объяснить природу пульсаций момента асинхронного двигателя в процессе пуска.

3.11. Объяснить влияние момента инерции на зависимость скорости АД при пуске.

3.12. Объясните зависимость динамической механической характеристики от величины активного сопротивления ротора.

3.13. Объясните алгоритм учёта эффекта вытеснения тока в процессе пуска АД.

3.14. Почему в системе координат статора частота тока ротора не зависит от скорости.

3.15. Записать уравнения АД в системе координат вращающейся с произвольной скоростью.