Экономические и технические аспекты проектирования электроприводов промышленных установок в энергосберегающих режимах

В составе критериев, используемых в процессе проектирования, обязательно присутствуют кри­терии экономические. Любое техническое решение будет неубедительным, неполным, а иногда и просто неверным, если в процессе разработки на всех ее стадиях не прояв­лено должного внимания к экономической стороне во­проса.

Экономические оценки, как и оценки функциональных свойств и надежности, должны сопровождать техническую разработку, начиная с постановки задачи. Осмыслив и сформулировав технические требования и условия, разра­ботчик должен ясно и полно определить, на какие вопро­сы экономического характера он должен уметь отвечать.

Каждая имеющая смысл техническая разработка пре­следует, как неоднократно отмечалось, вполне конкретные цели – технические и экономические. В подавляющем большинстве случаев она имеет аналоги, характеризующие технический и экономический уровень, который достигнут, или может быть достигнут, известными средст­вами.

Если конечным итогом разработки является техничес­кий эффект, т. е. повышение каких-либо свойств или показателей по сравнению с достигнутыми, то на каждом этапе его получения разработчик должен стремиться к наиболее экономичным решениям, а в конце должен уметь определить, какова цена достигнутого эффекта.

В связи с тем, что энергетические аспекты выбора технического решения играют все возрастающую роль, так как один и тот же алгоритм функционирования, одни и те же технические показатели можно реализовать при существенно различных затратах энергии, т.е. при различных ее потерях, одним из основных задач проектирования являются вопросы энергосбережения и оценка технических решений по энергетическим критериям. Подход к разработке энегосберегающих режимов различных типов электроприводов рассмотрен в разделах учебного пособия.

Кроме этого, как ранее отмечалось, исключительная важность надежности, как обязательного свойства любого устройства или системы, необходимыми аспектами проектирования являются вопросы надежности. Обсуж­дая отдельные технические решения, мы постоянно отме­чали это их качество, однако, без строгих оценок и без строгого определения самого понятия «надежность».

Надежностью в строгом - математическом смысле принято называть вероятность того, что при работе в за­данных условиях устройство или система будет удовлет­ворительно выполнять заданные функции в течение уста­новленного промежутка времени.

Рассмотрим возможные этапы выполнения проектирования систем автоматизированного электропривода применительно для объектов, изучаемых по курсам электроэнергетических специальностей.

Постановка задачи проектирования. Этапы проектирования

Почти каждому инженеру, связанно­му с электроэнергетикой и, в частности, электроприводом, приходится решать различные задачи проектирования. Обычно они имеют пример­но следующие формулировки: взамен устаревшего электрооборудования, элект­ропривода данной установки разработать современный, с лучшими техническими и экономическими показателями; взамен нерегулируемого электропривода агрегата приме­нить регулируемый - энергосберегающий; разработать электропривод, которым можно заменить импортный, не обеспеченный запасными элементами; разработать электропривод какой - либо уни­кальной установки - испытательного стенда, специальной электроустановки, к примеру транспортера и т.п.

Более сложные задачи проектирования - создание но­вых типов комплектных электроприводов или различных электротехнологических оборудований, разработка серийных образцов электроустановок с электроприводом и т. п. - решаются обычно специализированными организациями с участием технологов, механиков, электриков, приводчиков, специа­листов из других областей, а перечисленные выше внешне простые задачи - обычно удел электрика цеха или инже­нера, работающего в КБ предприятия, заводской электро­лаборатории. Такие же задачи решаются обычно в курсо­вых и дипломных проектах студентов, специализирующих­ся по электроэнергетике и электрическому приводу /1/.

Приведенные задачи, как и все задачи проектирования, довольно сложны, поскольку могут бытьрешены различными, в общем случае совсем не равными способами, а выбор одного решения, которое и будет затем реализовываться, должен быть сделан на основе ряда критериев при учете системы конкретных ограничений.

Решение таких задач проектирования - творческий процесс, в основе которого лежат, конечно, знания об объекте и условиях его функционирования, умение получать количественные оценки свойств объекта и т. п., но который невозможен без интуиции, эвристического мышления, изобретательности, без общей инженерной (а часто и не только инженерной) культуры. Рассмотрим основные этапы этого творческого процесса и приведем примеры из предмета электропривода.

Этапы проектирования.

Формулировка задачи. Первый - и обязательный этап проектирования - это формулировка задачи, т. е. точное указание того, что есть, чем это не устраивает и в каком смысле должно стать лучше после реализации проекта. На этом этапе не нужны детали, нужны лишь самые главные (определить это иногда совсем не просто) черты объекта до и после проектирования. Если этот этап выполнен плохо, очень велика опасность, что весь дальнейший труд будет потра­чен впустую. Приведем примеры.

Очень часто в электроприводе, задача проектирования фор­мулируется так: разработать электропривод, например, тележки мостового крана грузоподъемностью а т, со ско­ростью передвижения b м/с, и ускорением с м/с², при пи­тании от трехфазной промышленной сети 380 В, 50 Гц. При такой формулировке, скорее всего, проектировать ни­чего не надо, а нужно найти в каталоге подходящее уже имеющееся решение и заказать соответствующее оборудо­вание (эту задачу, кстати, часто лучше решают опытные работники отделов снабжения). Разра­ботчики часто всерьез проектируют подобное оборудова­ние, тратят время, средства, а затем, что еще хуже, начи­нают его производить. И если такое положение дел еще как-то терпимо применительно к единичным не очень от­ветственным изделиям (издержки не очень велики), то оно становится совершенно недопустимым при массовом производстве таких разработок - появляются новые, ни­чем не лучше прежних полупроводниковые приборы, телевизоры, лифты, комбайны...

В рассматриваемом примере может, правда, оказать­ся, что либо а, либо б, либо с не соответствуют стандарт­ному (имеющемуся) решению, и тогда может возникнуть такая, например, задача проектирования: существующие электроприводы тележки мостового крана грузоподъемностью, а т не обеспечивают нужной в данном кране скорос­ти передвижения; разработать электропривод, который будет ее обеспечивать. Это уже задача, она заслуживает внимания инженера [21].

Возможна такая формулировка преды­дущей задачи: серийно выпускаемые электроприводы те­лежек мостовых кранов не позволяют при разрешенных по паспортным данным ускорениях и скоростях контролиро­вать (ограничивать), раскачивание груза, что снижает фактическую производительность кранов. Раз­работать электропривод, обеспечивающий при тех же ус­корениях и скоростях движения уменьшение амплитуд раскачивания груза, по крайней мере, на порядок. Нетруд­но видеть, что если проект удастся, будет создана новая техника.

Еще одна формулировка. Опыт эксплуатации серийного электропривода тележек ответственных мостовых кранов показал его недостаточную надежность - средняя нара­ботка на отказ составила Т ч. Разработать электропривод, имеющий среднюю наработку на отказ не менее 10 Т. Лег­ко видеть, что труд проектировщика не пропадает даром.

Анализ задачи. Второй этап проектирования - анализ задачи, т. е. выявление всех существенных качественных и количественных признаков создаваемого объекта в исходном (до проектирования) и конечном (после проектирования) состояниях, определение ограничений и назначение критериев. Для уже упоминавшегося объекта проектирования - электропривода тележки мостового крана, который должен приобрести новое качество, нужно обосновать все главные количественные характеристики - уровни скорости, диапазоны нагрузок, высоты подвеса грузов (ковша), возможные (желательные) времена циклов, допустимое раскачивание и т. п.

Нужно определить и сформулировать ограничения -технические (новый привод должен разместиться на тележке, не должен создавать недопустимых помех соседне­му электронному оборудованию, должен обеспечивать бе­зопасную работу персонала и т. п.), экономические (наличие ресурсов на модернизацию, возможность приоб­рести оборудование, работа в энергосберегающих режимах) и т. п.

Наконец, нужно назвать критерии, по которым будут оцениваться допустимые решения, т. е. определить, что хо­рошо и что плохо, более того расположить критерии в определенной иерархической последовательности - от са­мого главного к менее главным. Среди них будут чисто технические - такие, например, как показатели качест­ва движения в различных условиях; технико-экономичес­кие - надежность, массогабаритные показатели, удель­ный расход энергии; чисто экономические - срок окупае­мости, прибыль за счет нового технического решения и т. п. Необходимо провести полный учет конкретной технической ситуа­ции.

Поиск возможных решений - это третий этап проектирования. Здесь в первую очередь необходимы зна­ния. Но кроме знаний нужно, или, во вся­ком случае, очень желательно, нестандартное мышление, умение избегать как консерватизма, так и поспешности. Очень полезны аналоги, разумеется, при критическом к ним отношении, посещение выставок, чте­ние литературы, консультации и т. п.

Даже в простом случае уместно предложить несколь­ко (много) решений, которые в принципе соответствуют задаче. В нашем случае, по-видимому, могут рассматри­ваться и приводы постоянного тока, выполненные как уп­равляемый источник ЭДС - двигатель, источник тока - двигатель, и приводы переменного тока в различных струк­турах. Когда предлагается много решений, разумеется, не заведомо негодных, меньше шансов пропустить хорошее.

Выбор решения из множества возможных на основе сформулированных выше критериев и с учетом ограниче­ний. Это четвертый, очень ответственный этап. Здесь опять не нужны избыточные детали, кроме тех, что позволяют целенаправленно, по критериям, сравнивать решения. Здесь очень важны верные крупные оценки. Например, в упоминавшемся объекте - электроприводе тележки кра­на - при примерно одинаковой управляемости, т. е. воз­можности иметь одинаковые показатели по техническому критерию, асинхронный короткозамкнутый двигатель бу­дет легче двигателя постоянного тока в 2, 5 - 3 раза и де­шевле в 3 - 4 раза, но стандартный преобразователь час­тоты тяжелее и дороже управляемого выпрямителя в 4 - 5 раз.

Можно рассматривать специальные преобразовате­ли, не забывая об ограничениях по стоимости, надежности, энергопотреблению и т. д.

В теории проектирования вводится понятие нехудших решений, т. е. решений, попадающих в некоторую допустимую область по совокупности признаков, и формулируются алгоритмы их поиска. Поскольку мы лишь обозначаем этапы проектирования, не будем развивать дальше эти интересные вопросы.

Детальная разработка выбранного технического реше­ния. Это пятый этап - этап окончательного выбора оборудования, расчета характеристик, составления алгоритмов управления, конструктивной компоновки узлов, оценки ос­новных показателей и т. п. Пятый этап выполняется всег­да - и в серьезных, и в учебных проектах, однако если ему не предшествуют первые четыре или если они выпол­нены некачественно, нетворчески, итоги могут быть неудовлетворительными.

Подчеркнем, что, как и всякий творческий процесс, конкретное проектирование, даже при очень жестких огра­ничениях во времени, не развивается по равномерно вос­ходящей линии - неизбежны возвраты, повторы и т. п. B хороших проектах первые четыре этапа занимают не менее 50 % всего времени - при этом создается или, точ­нее, может создаваться действительно новое и действитель­но хорошее, лучшее, чем было, решение.