Введение к работе
В диссертации представлено комплексное решение задачи достоверного определения параметров реактивных элементов (РЭ), в частности коммутирующих реакторов и дросселей фильтров, являющихся непременными элементами многих электротехнических комплексов и систем различного промышленного назначения, в том числе и преобразовательных устройств, на этапе их проектирования по заданным техническим условиям методами современной технологии математического моделирования и вычислительного эксперимента.
Под термином «современная технология математического моделирования и вычислительного эксперимента» понимается совокупность процедур, обеспечивающих точное выполнение требований к изделию при минимальных затратах.
В основу решения поставленной задачи положена разработанная автором методика расчета реакторов, оптимальных по критерию минимального объема, на магнитопроводе и без магнитопровода с учетом добавочных потерь в обмотках. Акцент на решении задач оптимизации обусловлен общей тенденцией минимизации объема, занимаемого устройством, снижением энергетических потерь и материальных затрат на проектирование и изготовление элементов.
Основной компонентой этих процедур является априорная оценка конечного результата по фактическим значениям влияющих факторов. Получить такие оценки традиционными методами не удается по причинам их недостаточной достоверности (относительная погрешность достигает 30%). Рабочая концепция автора в своей основе предполагает создание адекватной методики итерационных расчетов параметров электромагнитных элементов на всех этапах его проектирования и изготовления, обеспечивающих максимальное приближение к заданным требованиям. Адекватность методики может быть обеспечена детальным анализом функциональной связи характеристик изделия с его физическими и геометрическими параметрами. Такой подход позволяет унифицировать программное обеспечение процедур выбора, расчета и анализа устройств, в процессе их синтеза. По результатам анализа разработаны алгоритмы управления и пакеты прикладных программ.
Актуальность.
Актуальность работы определяют ряд объективных факторов:
современные тенденции в автоматизации (формирование интегрированных систем проектирования и управления производством);
условия конкурентоспособности предприятия (точное исполнение требований заказчика при минимальной стоимости и времени исполнения заказа);
высокий уровень неопределённости аналитических (априорных) оценок функциональных параметров изделия.
Интегрированные системы управления производственными процессами в настоящее время обеспечены развитым рядом программ (SKADA - системы и др.), но эти программы реализуют обобщенные алгоритмы управления, а для применения в конкретных технологиях необходимо дополнить их специальными
подпрограммами. В производстве и проектировании реактивных элементов это особенно важно ввиду динамичного характера управления.
Точное исполнение требований заказчика (фактор конкурентоспособности) традиционно сопряжено с изготовлением опытного образца и проведением стендовых испытаний, что с неизбежностью увеличивает стоимость и срок исполнения заказа. Исключить этап экспериментальной подгонки параметров реактора возможно при достаточном уровне адекватности методики расчетов параметров реактивных элементов на всех этапах их проектирования и изготовления. Создание ресурсосберегающих технологий и конструкций является другой стороной весьма актуальной в настоящее время задачи обеспечения конкурентоспособности предприятия. Средством решения этой задачи является разработка такой методики расчета реактора, использование которой, позволило бы спроектировать оптимальный по массо-габаритным показателям реактор, с минимальным расходом материалов, требуемых для его изготовления, при минимальных потерях энергии, что важно для экономии энергоресурсов и уменьшения возможного перегрева, а также уменьшения времени для расчета.
Построение методики расчета с достаточным уровнем адекватности представляется возможным путем обобщения исследований в данной области и проработки ряда собственных идей автора.
. Целью работы является обеспечение требуемого уровня достоверности априорной оценки функциональных параметров реакторов на этапах проектирования и изготовления изделий.
Достижение поставленной цели обеспечивается решением ряда частных задач:
анализ факторов, определяющих адекватность методики расчета реактивных элементов и достоверность априорных оценок;
разработка методики определения площади сечений токонесущих элементов по совокупности физических и геометрических параметров реактора;
разработка методики для реакторов с ленточной обмоткой;
разработка методики массогабаритной оптимизации реакторов;
разработка алгоритмов и программного обеспечения для расчета, проектирования и изготовления реактивных элементов.
Методы исследований.
При решении поставленных задач в работе использованы методы теории подобия, математический аппарат дифференциальных уравнений в частных производных, методы теории функций комплексного переменного, методы структурного анализа и проектирования.
Научная новизна. Признаки научной новизны содержат следующие результаты исследований:
анализ факторов, влияющих на массогабаритные характеристики типовых
реакторов;
физический механизм влияния профиля токонесущих элементов и частоты протекающих токов на уровень потерь в реакторах;
алгоритмы априорной оценки добавочных потерь в реакторах;
алгоритмы оптимизации конструктивных параметров реакторов по совокупности требований к ним;
методика прогнозирования характеристик реактора по фактическим параметрам его элементов на определенных стадиях изготовления; Достоверность полученных результатов, выводов и рекомендаций
диссертационной работы обеспечивается физической и математической корректностью постановки задачи и методами их решения, организацией экспериментов, хорошим совпадением расчетных значений функциональных параметров электромагнитных элементов с измерениями на готовых образцах. Положения, выносимые на защиту:
методика определения площади сечений токонесущих элементов по совокупности физических и геометрических параметров реактора;
методика и алгоритмы определения добавочных потерь в обмотках из тонкой ленты и фольги;
методика и алгоритмы оптимизации массогабаритных параметров реакторов при заданных ограничениях.
Практическая ценность работы состоит в том, что предложенные методики и алгоритмы обеспечивают:
повышение функциональной полноты систем автоматизированного проектирования и изготовления реакторов, оптимальных по массо-габаритным показателям;
априорную оценку параметров изделия на любой стадии проектирования и изготовления;
снижение затрат (а во многих случаях полное исключение) на проведение стендовых испытаний и изготовление опытных образцов;
создание ресурсосберегающих конструкций реакторов;
сокращение потерь энергии в реакторах.
Реализация результатов. Результаты работы используются в ЗАО «Электротехнические системы 1» при проектировании и изготовлении реакторов серийных и модернизированных конструкций.
Апробация работы. Отдельные научные и практические результаты диссертационной работы докладывались, обсуждались и получили положительную оценку
на IV Всесоюзной научно-технической конференции «Проблемы преобразовательной техники», г. Чернигов, 1987г.;
на III Всесоюзном научно-техническом совещании «Применение вычислительной техники для исследования и автоматизации проектирования преобразователей», г. Николаев, 1989 г.;
на II Международной научно-технической конференции «Проблемы создания подвижного состава с асинхронными тяговыми двигателями», г. Рига, 1990 г.;
на научной конференции ВНВТУ им. Каблешкова, Г.София, Болгария, 1990 г.;
- на заседаниях кафедры «Компьютерных технологий и программного
обеспечения» СЗТУ, 2003-2006 гг.
- на заседаниях кафедры «Теоретические основы электротехники» ПГУПС,
2001-2007 гг.;
Публикации; Основные положения диссертации опубликованы в 17 печатных работах, в том числе 2 работы в журналах, рекомендованных ВАК.
Структура и объем работы: Диссертационная работа изложена на 119 страницах. Состоит из введения, четырех глав, заключения, списка использованных источников и приложения. Содержит 19 рисунков и 6 таблиц.
