Проблемы оптимального проектирования

 

Проектирование электрической машины сводится к многократному расчету зависимостей между основными показателями, заданных в виде системы формул, эмпирических коэффициентов, графических зависимостей, которые можно рассматривать как уравнения проектирования. Оптимальное проектирование электрических машин можно представить как поиск оптимальных параметров путем решения этой системы уравнений.

Выбор оптимальных параметров затрудняется сложностью алгоритма расчета электрической машины по формулам проектирования. При проектировании необходимо учитывать стоимость машины, надежность и технологичность конструкции. Эти показатели косвенно входят в формулы проектирования, что затрудняет оптимизацию. Оптимальные варианты электрической машины выбираются на основании широкого применения вычислительных машин, опыта и интуиции проектировщика [1].

Анализ приведенных затрат применительно к асинхронным двигателям единой серии до 10 кВт показал, что примерно 70% затрат составляют текущие расходы на их эксплуатацию. На долю капиталовложений приходится лишь 15…20% всех затрат. Следовательно, повышение эффективности новых электрических машин связано, прежде всего со снижением эксплуатационных расходов. Первоочередное значение здесь имеют повышение надежности работы машин и улучшение их энергетических показателей, при этом повышение КПД экономически более выгодно, чем повышение .

Повышение надежности и улучшение КПД должны достигаться без заметного увеличения затрат на изготовление электрической машины. Сокращение расходов на электротехническую сталь и обмоточные провода может дать существенное уменьшение себестоимости электрической машины.

Хотя основная заработная плата и составляет 5…8% себестоимости, снижение трудоемкости механических и обмоточно-изолировочных работ имеет важное значение. В свое время в связи с увеличением выпуска электрических машин и недостатком рабочей силы снижение трудоемкости было настолько важно, что в серии 4А пошли на некоторое снижение энергетических показателей, увеличив размеры шлиц пазов для возможности машинной намотки обмотки. Проектирование электрических машин неотделимо от конструирования и технологии изготовления, связанных с условиями, переживаемыми государством.

При оптимизации электрических машин важное значение имеет выбор критерия оптимизации. Выбор критерия оптимизации зависит от назначения электрической машины и предъявляемых к ней требований. Для специальных машин целесообразно выбирать минимум массы или минимальные габариты. Для электрической машины общего назначения в качестве критерия оптимизации принимают минимум приведенных затрат. Этот критерий широко применяется во многих странах. Приведенные затраты на электрическую машину в процессе производства и эксплуатации являются обобщающим экономическим показателем, включающим основные экономические эквиваленты основных технических характеристик. Нельзя найти универсальный критерий оптимальности. Действительно, минимальная масса машины обуславливает снижение энергетических показателей и ухудшение надежности. Наиболее очевидны противоречия между статическими и динамическими характеристиками. Для уменьшения времени разбега асинхронного двигателя надо увеличивать активное сопротивление обмотки ротора, что вызывает ухудшение энергетических показателей в установившемся режиме.

Выбор критерия оптимизации электрической машины, работающей в автономной энергетической системе, обычно отличается от выбора критерия оптимизации машин общего назначения. Машины автономных энергетических систем в большинстве случаев оптимизируют по минимуму массы, а в передвижных энергетических системах — по минимуму общей массы электрооборудования системы. Если электрическая машина работает при неизменном напряжении, приложенном к ее выводам и не зависящем от нагрузки (сеть бесконечной мощности), задачу оптимизации машины следует проводить по минимуму суммарных затрат.

Задача оптимального проектирования электрической машины или серии машин может быть представлена как общая задача нелинейного математического программирования, которая сводится к нахождению минимума или максимума критерия оптимальности при наличии определенного числа независимых переменных проектирования и функций лимитеров, представляющих собой технические или технологические требования-ограничения к проекту [1,10].

Применение ЭВМ при проектировании для расчетов электрических машин началось в начале 50-Х годов XX в. Во ВНИИЭМ ЭВМ использовались для расчетов серий асинхронных машин. В настоящее время ни один расчет электрических машин не обходится без применения ЭВМ. В большинстве случаев ЭВМ используются для расчетов отдельных частей или всей электрической машины по существующим методикам, что обеспечивает ускорение вычислений, перебор многих вариантов, дает возможность в короткие сроки создать оптимальную электрическую машину.

Внедрение ЭВМ в проектирование привело к существенному повышению технико-экономических показателей электрических машин, снижению сроков проектирования, обеспечило качественный сдвиг в решении задач оптимального проектирования.

При проектировании электрических машин применяются в основном цифровые ЭВМ. Аналоговые ЭВМ удобно применять при решении задач динамики. Недостатками их являются ограниченный объем решаемой задачи и малая универсальность. Цифровые ЭВМ лишены этих недостатков, однако они требуют трудоемкого программирования. Чтобы избежать излишних потерь времени, целесообразно создавать универсальные программы и хранить их в банках данных.

В настоящее время решается задача комплексной автоматизации проектирования электрических машин. Этой цели служит система автоматизированного проектирования электрических машин (САПР ЭМ). Однако на заводах и НИИ используются свои программы, отличающиеся друг от друга и появившиеся в различное время.

Широкая автоматизация проектных работ изменит в ближайшие годы процесс проектирования электрических машин, произойдут значительные изменения и в учебном проектировании. В гл. 12 описание САПР ЭМ. Данный учебный рассчитан на применение частных программ и мини-ЭВМ, так как пока еще не накоплен достаточный опыт промышленного автоматического проектирования электрических машин, а без использования классических формул проектирования невозможно заниматься и использовать САПР ЭМ.