ПРИМЕНЕНИЕ ЭВМ ПРИ ПРОЕКТИРОВАНИИ ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ МАШИН

Nbsp;

Глава 7

ТЕХНИКО-ЭКОНОМИЧЕСКИЕ РАСЧЕТЫ

Технический уровень спроектированной электрической машины специализированного назначения может быть оценен степенью осуществления в проекте основных характеристик, необходимых для данной установки. Например, в качестве требования такой установки может являться минимальная масса или максимальный динамический момент инерции. Для некоторых установок требуется минимальная высота или длина машины. В других случаях превалирующими являются требования к КПД или коэффициенту мощности, к пусковому моменту, максимальному моменту и т. п. В таких случаях критерием технического уровня или эффективности машин является удовлетворение одному или нескольким из указанных требований. Если эти требования противоречивы, то необходимо находить приемлемое решение, удовлетворяющее в определенной мере каждому из них.

Однако большинство электрических машин проектируются и изготовляются для общего назначения. Такие машины могут быть использованы в различных установках. Машины общего назначения обычно изготовляются в виде серии машин со стройно нарастающими основными параметрами — мощностью и геометрическими размерами. Эти машины должны удовлетворять в части рабочих характеристик требованиям действующих стандартов или технических условий и вместе с тем быть экономически эффективными для народного хозяйства.

Например, при соблюдении указанных требований стандартов машины могут быть спроектированы с высоким использованием активных (проводниковых и магнитных) материалов, иметь уменьшенную массу и, следовательно, стоимость. Однако если при этом ухудшаются энергетические показатели, то повысится стоимость потерь энергии.

Одним из критериев технико-экономической эффективности является уровень компактности. Чем выше компактность машины, тем меньше необходимые для установки машины площадь и объем. Компактность электрических машин благоприятно влияет на экономические показатели большинства объектов, например, сокращается длина или ширина станков и других механизмов, в которых применены электродвигатели.

Показатель компактности электрической машины (кВт/мм³)

, (7-1)

где Р₂— номинальная мощность машины, кВт; h - высота оси вращения, мм; L — габаритная длина машины, мм.

Одним из направлений повышения компактности является уменьшение высоты оси вращения и применение максимально допустимого наружного диаметра машины при выбранном значении h, что дает возможность уменьшить L.

Важным критерием является уровень шума электрических машин. Высокий уровень шума в производственном помещении, где установлены машины, отрицательно влияет на производительность труда, отражается на качестве продукции, вызывает потери рабочего времени в результате частичной или временной нетрудоспособности производственного персонала.

Технический уровень спроектированной электрической машины оценивают путем сравнения технико-экономических показателей этой машины с показателями лучших изделий-аналогов отечественного и зарубежного производства. Учитывая, что при этом сравнивают разные показатели машин — массу, габариты, энергетические показатели и др., целесообразно общую оценку технического уровня производить по обобщенному показателю.

, (7-2)

где Q — экономический эффект от применения спроектированной машины по сравнению с машиной-аналогом; — стоимость машины.

В качестве базы принимают себестоимость спроектированной машины или цену по прейскуранту машины-аналога отечественного производства. Экономический эффект представляет собой сумму составляющих (руб.) эффект: обусловленная разностью КПД

, (7-3)

обусловленная разностью коэффициентов мощности (только для асинхронных двигателей)

, (7-4)

обусловленная разностью показателей компактности

, (7-5)

обусловленная разностью уровней шума

, (7-6)

обусловленная разностью массы машин, влияющей на уровень конструкции и технологического оборудования,

. (7-7)

Здесь P₂— номинальная мощность, кВт; — КПД спроектированной машины и машины - аналога; - тангенс угла сдвига между напряжением и током спроектированного двигателя и двигателя - аналога; K^' _к, К”_к — показатели компактности спроектированной машины и машины - аналога; — уровни шума (звукового давления) спроектированной машины и машины - аналога, дБ · А (если разность уровней звукового давления более 5 дБ·А, то следует сократить разность до указанного значения). Следует отметить, что фактический уровень звукового давления спроектированной машины может быть установлен после испытания и исследования, опытных образцов машины. До изготовления опытных образцов в производимых технико-экономических расчетах составляющая эффективности уровня звукового давления не учитывается; m^´ , m´´— масса спроектированной машины и машины – аналога.

Таким образом, экономический эффект

. (7-8)

Составляющая эффекта, обусловленная повышением надежности электрической машины , если она может быть рассчитана, добавляется в (7-8).

Себестоимость машины (руб.)

, (7-9)

где — общая стоимость материалов, примененных в машине, руб.; — стоимость производства машины, руб.

Стоимость материалов может быть определена, исходя из заготовительной массы материалов и цены материалов по формулам, приведенным в табл. 7-1.

Таблица 7.1

Наименование материала	Заготовительная масса, кг	Стоимость материала, руб.
Провода обмоток
Коллекторная медь
Алюминий короткозамкнутого ротора
Сталь сердечников статора и ротора асинхронного двигателя
Сталь сердечника якоря
Сталь сердечников главных полюсов
Сталь сердечников добавочных полюсов
Сталь массивной станины
Сталь шихтованной станины
Изоляция
Конструкционные материалы

Здесь — «чистая» и заготовительная массы рассматриваемого рода материала; - эффективная длина сердечника соответственно статора, якоря, главного полюса, т. е. длина сердечника без учета изоляционного покрытия и неплотного прилегания листов, наличия радиальных вентиляционных каналов; — припуск на штамповку; — ширина полюсной дуги; — высота главного полюса.

Значения «чистой» массы материалов определены в § 9-14, 10-17, 11-14. Заготовительная масса сердечников статора и ротора (остова и полюсов) синхронных машин вычисляется в соответствии с принятой конструкцией ротора и намеченным процессом штамповки листов статора (использованием внутренней вырубки).

Стоимость проводов обмоток приведена в табл. 7-2.

Таблица 7-2

Марка и форма поперечного сечения провода	Стоимость , у. е. / кг
Прямоугольная
ПЭТВП	1,14+0,72/S
ПЭТГ-155	1,32+0,84/S
ПЭТКП	1,53+0,97/S
ПСД	1,1+1,5/S
ПСДК	1,18+2,4/S
ПСДКТ	1,28+7,4/S
Неизолированные шины и ленты марки МГМ	0,98+0,5/S
Круглая
ПЭТВ	1,22+0,3/d
ПЭТ-155	1,42+0,35/d
ПЭТК	1,65+0,4/d
ПСД	1+0,6/d
ПСДК	1+0,8/d
ПСДКТ	0,7+2,5/d
Коллекторная медь марки МГТ - трапецеидальная	1,05+2/S

Здесь и — диаметр (мм) и площадь поперечного сечения (мм²) провода без изоляции.

Площадь поперечного сечения коллекторной меди (мм²)

, (7-10)

где - ширина коллекторной пластины (большее основание трапеции); 12,4 мм — высота коллекторной пластины; — наружный диаметр коллектора, мм.

Для обмоток статора на напряжение 6 кВ, выполняемых из прямоугольных эмалированных проводов с дополнительной двухслойной изоляцией из стекловолокна (например, марки ПЭТВСД),.стоимость , получаемую из табл. 7-1, следует увеличивать в 1,6 раз. Для алюминия короткозамкнутого ротора с_ал=0,65 у.е/кг. Стоимости листовой стали приведена ниже:

Марка стали	2013	2312	2312	2411	3411	ст30
Толщина мм	0,5	0,5	1,0	0,5	1,0	10-6
Значение ,у.е./кг	0,21	0,25	0,225	0,30	0,25	0,096

Средняя стоимость изоляции составляет при классе нагревостойкости изоляции В 12 у.е./кг, классе F —16 у.е/кги классе H - 22у.е/кг. Средняя стоимость конструкционных материалов =0,38 у.е/кг.

Суммарная стоимость материалов (руб.) машин переменного тока.

(7-11)

машин постоянного тока

(7-12)

Здесь - суммарная стоимость обмоточных проводов; — суммарная стоимость листовой стали.

Стоимость производства, а, следовательно, и себестоимость машины на электромашиностроительном предприятии определяется путем подробной калькуляции с учетом масштаба выпуска, уровня технологического процесса, уровня механизации и автоматизации производства. Однако при разработке проекта и сравнения различных вариантов достаточно определить приближенное значение стоимости производства

. (7-13)

Здесь — коэффициент, определяемый совершенством оборудования, технологического процесса и организации производства (среднее значение =3,2·10^-4 для асинхронных двигателей; =6,5·10^-4 - для машин постоянного тока и синхронных машин).

Приведенный выше метод следует также применять для сравнения показателей технического уровня отдельных вариантов спроектированной машины. При этом себестоимость машины определяют отдельно для каждого варианта, а составляющую эффекта Q₅, обусловленную разностью массы машин, исключают из (7-8), так как при расчете себестоимости машин учитывается изменение массы материалов, а также влияние массы на технологический процесс и на стоимость производства машин.

Глава 8

ПРИМЕНЕНИЕ ЭВМ ПРИ ПРОЕКТИРОВАНИИ ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ МАШИН

§ 8-1. Общие сведения

За последние годы ЭВМ применяют практически во всех областях народного хозяйства. Поэтому в планы подготовки студентов вузов по большинству инженерных специальностей включена дисциплина «Программирование и применение ЭВМ». Применительно к электрическим машинам эта дисциплина изложена в [6]. Изучение вопросов применения ЭВМ предшествует дисциплине «Проектирование электрических машина». Поэтому в настоящей главе учебника не рассматриваются подробно следующие вопросы, приведенные в [6]: применение метода планирования эксперимента к оптимизации электрических машин; проектирование электрических машин методом геометрического программирования; математическое обеспечение систем автоматизированного проектирования электрических машин; техническое обеспеченнее систем автоматизированного проектирования.

В настоящее время единичные электрические машины практически не проектируются (кроме особо мощных турбо - и гидрогенераторов), проектируют лишь серии электрических машин. При этом расчеты выполняются с помощью ЭВМ, что технически и экономически вполне оправдано.

При проектировании серий электрических машин с использованием ЭВМ в зависимости от принятых критериев оптимальности и граничных условий для изменения выходных параметров удается проектировать электрические машины соответствующие предъявляемым требованиям. Особенно важен при этом оптимальный расчет зубцовой зоны электрической машины.

Студенту при выполнении курсовых и дипломных проектов целесообразно расчет единичной электрической машины выполнять «вручную». Это целесообразно также потому, что при «ручном» счете студент лучше усваивает особенности проектирования на всех этапах и становится подготовленным к работе с ЭВМ. Однако для выполнения различных расчетных исследований, а также для оптимального и автоматизированного проектирования электрических машин необходимо использование ЭВМ.

Применение ЭВМ для выполнения большого объема поисковых и поверочных расчетов позволяет значительно повысить производительность труда расчетчиков, сократить сроки выполнения расчетных работ и снизить их себестоимость. Главный эффект от применения ЭВМ заключается в том‚ что нахождение для проектируемых машин оптимальных соотношений электромагнитных нагрузок и геометрических размеров, обеспечивающих наименьшие суммарные затраты на материалы, изготовление и эксплуатацию, обеспечивает при внедрении спроектированных серий машин большую экономию средств в народном хозяйстве.

§ 8-2 Оптимальное проектирование электрических машин

На первом этапе применения ЭВМ для проектирования серий электрических машин выбор оптимального варианта расчета осуществлялся путем последовательных приближений с чередованием расчетов на ЭВМ с «ручным счетом». Однако такой путь был длителен, так как много времени уходило на многократный ввод в ЭВМ исходных данных и на печать результатов расчета каждого из промежуточных вариантов. Значительно эффективнее автоматический режим работы машины. При этом машина переходит от одного рассчитанного варианта к другому, сравнивая полученные результаты по определенным заранее заданным критериям с выбором наиболее целесообразного варианта. При этом машина сама определяет направление дальнейшего движения в поиске оптимального варианта и совершает последующий шаг, используя информацию, полученную на предыдущих шагах. Такой метод поиска оптимального варианта известен как случайный поиск с самообучением. В памяти ЭВМ сохраняются результаты нескольких предыдущих расчетов, и по ним прогнозируется наивыгоднейшее направление очередного перемещения.

Технические требования при проектировании обычно задаются в виде неравенств. Математическим аппаратом, специально созданным для решения задач оптимизации нелинейных моделей с ограничениями в виде неравенств, является нелинейное программирование. Нелинейная функция n переменных F( ), которую требуется оптимизировать, т. е. максимизировать или минимизировать, называется функцией цели

F( ) = min;

(8-1)

Для машин общего назначения F( ) — это приведенная стоимость машины; — n - мерный вектор независимых переменных, от которого зависит значение F( ) . Составляющими вектора могут быть геометрические размеры машины, качество исходных материалов, рассеивание размеров и других физических величин, качество изготовления, электромагнитные нагрузки и т. п. Геометрическим образом целевой функции является поверхность отклика. Линейные или нелинейные функции , определенные в том же пространстве независимых переменных, значения которых не должны быть больше (или меньше) определенных наперед заданных значений, называются ограничениями или лимитерами. Ограничениями при проектировании электрических машин являются превышения температуры обмоток или других частей машины, энергетические показатели, ограничения на некоторые размеры активной части, накладываемые конструкцией и технологией. Кроме того, для асинхронных и синхронных машин — максимальный момент, начальные пусковые ток и момент (кроме асинхронных двигателей с фазным ротором); для машин постоянного тока — коммутационные параметры. Задача программирования состоит в минимизация функции F( ) при заданных условиях.

Выбор критерия оптимизация — весьма ответственный этап проектирования. Если электрическая машина имеет узкоспециализированное назначение, то целевая функция может быть сформулирована заказчиком. Например, максимальная мощность, максимальный момент, минимальная масса, минимальный расход меди, минимальная длина, максимальный КПД, максимальный коэффициент мощности.

Для электрических машин, не имеющих определенного заказчика (общего назначения), критерий оптимизация должен отражать народнохозяйственную эффективность. Таким критерием может быть критерий минимальной обобщенной стоимости

, (8-2)

где С_n — приведенные затраты на изготовление машины; С_Э— эксплуатационные затраты; — вектор переменных, варьируемых при оптимизации отдельной машины (диаметр расточки статора, длина сердечника, количество витков, высота и ширина пазов статора и ротора и т. п.); - постоянные проектирования, общие для ряда машин серии (магнитная проницаемость и удельные потери электротехнической стали, теплопроводность материалов, допустимые температуры, коэффициент заполнения паз, коэффициент загрузки, длительность использования).

Кроме критерия минимальной обобщенной стоимости могут быть предусмотрены и другие критерии или линейные комбинации из двух критериев. Так, при расчете асинхронных двигателей серии 4А в качестве второго критерия была принята минимальная длина сердечника статора как показатель наибольшей технологичности конструкции.

При расчете на ЭВМ используются методики расчета, изложенные в гл. 9 —11 настоящей книги. Однако все применяемые зависимости должны быть заданы в аналитической или цифровой табличной форме. Целесообразно также выражать параметры в относительных единицах. Исходные данные можно подразделить на постоянные, переменные и лимитеры. Варианты расчета, не удовлетворяющее хотя бы одному из лимитеров, исключаются как неприемлемые.

При расчете электрических машин массового выпуска определенное влияние на выбор оптимального варианта оказывает необходимость унификации размеров штампов листов сердечников статора и ротора машин с одинаковой высотой оси вращения, но разных длин или унификации длин сердечников машин на разные частоты вращения при данных высоте оси вращения и длине корпуса. В этих случаях оптимизация проводятся для наиболее массового типоразмера электрической машины.

Параметры, имеющие одинаковые значения, например для большой группы рассчитываемых асинхронных двигателей: количество фаз, частота тока, напряжение, коэффициенты заполнения сталью, удельные потери в стали, удельное сопротивление материала обмотки, входят в расчетные формулы в числовом виде.

При проектировании асинхронных двигателей в течение расчета — поиска варьируются только следующие параметры: наружный диаметр сердечника статора D_н1, внутренний диаметр сердечника статора D₁, длина сердечника , размеры пазов статора и ротора, количество витков и прочие зависящие от них параметры — индукция в воздушном зазоре , диаметр вентилятора, сечение короткозамыкающих колец, длина лобовой части обмотки статора, и т.п. Следует заметить, что наружный диаметр сердечника статора определяют только для базового типоразмера двигателя, а для других типоразмеров двигателей принятой высоты оси вращения он остается постоянным. При расчете накладывается и ряд конструкционно-технологических ограничений. Например, ширина зубцов статора и ротора в наиболее узком месте не должна быть меньше (1+0,01D_н1), мм; высота спинки статора не должна быть меньше 0,055 D_н1, мм.

При указанном критерии оптимальности минимальная обобщенная стоимость, энергетические показатели электрической машины автоматически получаются оптимальными.

§ 8-3. Расчетные исследования с помощью ЭВМ

В процессе проектирования электрических машин возникает необходимость проведения ряда расчетных исследований с помощью ЭВМ. Так, например, весьма полезно знать влияние коэффициентов целевой функции на геометрию оптимальной машины. Коэффициентами целевой функции будем называть множители, с помощью которых при известных массоэнергетических показателях электрической машины определяют стоимости ее изготовления и эксплуатации. К коэффициентам целевой функции относятся цены на материалы и электроэнергию, нормативный срок окупаемости, показатели интенсивности использования.

Было исследовано влияние нормативного срока окупаемости, расчетного коэффициента загрузки и расчетного числа часов нагружения в году на технико-экономические показатели асинхронных двигателей. Было установлено, что при изменении срока окупаемости в интервале четыре — восемь лет он не оказывает существенного влияния на расход материалов и электроэнергии.

Коэффициент загрузки и расчетное количество часов нагружения в году входят только в слагаемое целевой функции, характеризующее эксплуатационные затраты. При изменении стоимости потерь энергии по любой причине алгоритм оптимального проектирования будет стремиться так изменить геометрию, а следовательно, и стоимость двигателя С_Д , чтобы изменение обобщенных затрат было оптимальным. Так, при увеличении количества часов нагрузки в году увеличится , поэтому начнется движение оптимальной точки в сторону уменьшения , т. е. начнет увеличиваться КПД за счет увеличений расхода материалов. Такое же влияние на целевую функцию оказывает коэффициент загрузки, поэтому для оптимального проектирования важно точно знать количество часов работы в году и коэффициент загрузки двигателя. Оказалось, что среднее для промышленности число часов работы , хорошо коррелировано с начальной мощностью:

(8-3)

Интересно также исследование зависимости технико-экономических показателей асинхронных двигателей от коэффициентов влияния ряда исходных данных для проектирования. Ими являются магнитная проницаемость и удельные потери электротехнической стали, коэффициент заполнения паза, допустимая температура обмотки статора. Коэффициентом влияния входного параметра на функцию называется приращение функции в процентах, вызванное изменением параметра на один процент. В результате проведенного исследования получена система уравнений, которая при любом изменения исходных данные позволяет наметить комплекс мероприятий для максимального отрицательного приращения обобщенной стоимости двигателя. В частности, могут быть рассчитаны лимитные цены на новые материалы, т е. такие цены, которые в сочетании с новыми свойствами материалов дают нулевое приращение целевой функции — обобщенной стоимости двигателя.

Высоты оси вращения электрических машин нормализованы (см. гл. 9). Поэтому может оказаться необходимым скорректировать выбранные по расчету оптимальные значения наружного диаметра сердечника D_Н1 . Представляет интерес расчетное исследование на ЭВМ влияние отклонений от оптимальных значений наружных диаметров сердечника статора (на ±20%) на обобщенную стоимость С. В результатё оказалось, что имеется следующая зависимость:

(8-4)

Проведено расчетное исследование (с помощью ЭВМ) влияния класса нагревостойкости примененной изоляции на энергетические характеристики и суммарные затраты. Это исследование проводилось на асинхронных двигателях с h = 180 ÷ 225 мм и степенью защиты IР23. Были выполнены поисковые расчеты оптимальных двигателей с изоляцией классов нагревостойкости E и F. Было учтено, что провода класса F дороже проводов класса Е примерно на 16%. Расчеты показали, что переход с изоляции класса нагревостойкости Е на изоляцию класса F позволяет в среднем уменьшить расход меди на 15 %, электротехнической стали - на 18%, стоимость двигателей снижается на 12%, суммарные затраты на 2,8%. При этом КПД при коэффициенте загрузки 0,6 уменьшается на 0,6%, а коэффициент мощности практически не меняется.

Приведенные примеры показывают высокую эффективность применения ЭВМ для проведения расчетных исследований в процессе проектирования электрических машин.

§ 8-4. Система автоматизированного проектирования электрических машин

Системой автоматизированного проектирования электрических машин (САПРЭМ) называется комплекс технических, информационных и математических средств, предназначенных для автоматизации процессов расчета и конструирования электрических машин с участием человека. Эта система особенно эффективна при проектировании серий электрических машин, так как требуется выполнение большого объема не только расчетных, но и конструкторско-технологических работ. Поэтому кроме оптимального расчетного проектирования электрических машин с помощью ЭВМ возникла необходимость применения их также для автоматизации разработки конструкции и технологии. Автоматизация проектно-конструкторских работ осуществляется таким образом, чтобы при сохранении творческой деятельности конструктора были автоматизированы работы, связанные с повторением ранее решенных задач с вычерчиванием деталей узлов и отдельных элементов. При автоматизации проектирования получают также информацию для станков с числовым программным управлением и для изготовления технологической оснастки (штампы, пресс-формы, модели и т. п.).

Система автоматизированного проектирования предусматривает соединение в одну систему всех стоящих при проектировании задач. При этом выходная информация одного этапа машинного проектирования является исходной для последующего с исключением ручных процедур преобразования информации. Можно САПРЭМ разбить на следующие отдельные относительно автономные подсистемы: расчетное и конструкторское проектирование, ведение чертежной документации в серийном производстве. Можно проследить следующие основные этапы системы проектирования. На основе математической модели электрической машины (а ею является методика расчета) осуществляются оптимизационные расчеты активной части машины. Далее проводятся поверочные расчеты, которые охватывают все технические характеристики электрической машины и предусматривают унификацию и доводку важнейших элементов и узлов машины. Поверочные расчеты проводятся в диалоговом режиме работы расчетчика с ЭВМ. Проектировщик задает исходные данные с помощью дисплея и на его экране получает информацию о результатах расчета. Параметры и характеристики, полученные в результате поверочных расчетов, используются для разработки конструкции. При этом используется пакет прикладных программ машинной графики. Автоматизация проектирования конструкции предусматривает воспроизведение отдельных элементов конструкции, которые на основе многолетнего опыта имеют отработанные формы и не претерпевают существенных изменений. Проектирование конструкции с применением ЭВМ содержит в основном те же этапы, которые имеются при «ручном» конструировании, а именно: разработку общего вида, сборочных единиц и деталей, окончательное оформление чертежей, спецификации и другой конструкторской документации. Для разработки общего вида электрической машины необходимо предварительно выбрать принципиальные конструктивные основные решения, а для проектирования элементов конструкции, создать математические модели этих элементов. С этой целью должны быть определены функциональные зависимости размеров элементов от главных размеров, высоты осей вращения электрической машины. Разработка конструкции включает в себя прочностные, виброакустические и другие расчеты. Изменение конструкции в процессе проектирования требует итерационного повторения поверочных расчетов.

Переходным этапом от разработки конструкции к технологии изготовления электродвигателей является выпуск технической документации на машинных носителях для автоматического изготовления оснастки и отделочных деталей на станках с числовым программным управлением, а также ведение чертежного хозяйства в производстве.

Одна из важных проблем успешного освоения САПРЭМ — создание банка данных электромеханических задач. Хранение, поиск и обработка данных приобретают в современных системах автоматизированного проектирования электрических машин первостепенное значение.

Дата добавления: 2018-06-01; просмотров: 441; Мы поможем в написании вашей работы!

Поделиться с друзьями:

Мы поможем в написании ваших работ!