Методы, модели и алгоритмы автоматизированного проектирования оптимальных электромагнитных аппаратов (стр. 8 из 10)

Рис. 22 - Эскиз токоведущего контура электромагнитного аппарата

Рис. 23 - Эскиз щелевой дугогасительной камеры электромагнитного аппарата

Создан алгоритм оптимизационного проектного расчета наиболее часто применяемой в ЭМА щелевой дугогасительной камеры с магнитным дутьём (рис. 23), позволяющий учитывать ограничения по температуре нагрева стенок камеры, перенапряжениям в цепи, отключаемой проектируемым аппаратом, времени гашения и скорости движения дуги в камере. Данный алгоритм в отличие от известных позволяет рассчитать размеры минимальной по объёму камеры, в которой выполняется условие гашения дуги и все перечисленные выше ограничения.

Время горения дуги определяется при численном решении уравнения баланса напряжений цепи с дугой. Для расчёта максимального напряжения при обрыве дуги используются эмпирические выражения, в том числе при токах до 10 А – полученные автором работы.

Глава 5. Система автоматизированного проектирования ЭМА

САПР ЭМА предназначена для выполнения с помощью ЭВМ IBM PC AT, PS/2 и других, совместимых с IBM PC поиска прототипа, расчетных и чертежных работ при проектировании низковольтных ЭМА с электромагнитным приводом: контакторов, пускателей, реле, исполнительных электромагнитных механизмов. Область применения системы определяется следующими ограничениями:

номинальное напряжение главной цепи, В – до 1000

номинальный ток главной цепи, А - до 630;

номинальное напряжение привода, В - до 380

число главных и блокировочных контактов – не ограничено;

охлаждение – естественное воздушное и/или водяное;

тип электромагнита – клапанный, броневой, П - и Ш - образного типа с прямоходовым или поворотным якорем;

тяговое усилие электромагнита при рабочем воздушном зазоре, кН – до 10.

Основными структурными частями САПР ЭМА выступают проектирующие подсистемы. Проектирующими являются подсистемы: информационного поиска (ПСИП), автоматизации расчетных работ (ПСАР), автоматизации чертежных работ (ПСАЧР). К обслуживающим относятся мониторная система и система управления базой данных. Первая организует управление процессом проектирования: распределение устройств вычислительной техники, вызов программ, организацию диалога. Вторая выполняет операции записи, поиска и преобразования данных в процессе функционирования САПР.

В состав ПСИП входит экспертная система “Выбор конструкции ЭМА”.

При создании прикладного программного обеспечения решены задачи:

-разработка структуры и состава программного обеспечения;

-разработка программ и подпрограмм решения отдельных задач;

-комплектация программ и подпрограмм в подсистемы и пакеты прикладных программ.

Для формализации процедуры выбора технического решения разработан метод последовательного сужения исходного множества векторных оценок, представляющий собой развитие метода многокритериальной оптимизации Электра. Укрупнено алгоритм метода имеет вид:

1.Формирование таблицы векторных оценок.

Например, исходный материал для такой таблицы это информация о 28 различных вариантах построения дугогасительной системы ЭА, каждый из которых оценивается по 8 критериям, так что получение собственно таблицы оценок в данной ситуации сводится к представлению данной информации в принятом в теории решения многокритериальных задач виде.

2. Определение Парето-оптимального подмножества векторных оценок.

3. Построение бинарных отношений.

Бинарное отношение на множестве векторных оценок строится аналогично построениям в методе Электра [9], но при этом в рассматриваемом методе не оперируют конкретными значениями весовых коэффициентов. Для конкретной таблицы оценок результат их сравнения строится в виде дробей:

, , ….. , ,

где в числителе суммируются обозначения критериев, по которым i-я векторная оценка лучше j-й, а в знаменателе – обозначения критериев, по которым i-я векторная оценка хуже j-й. Изначально предполагается, что каждая дробь может быть >, <, =1.

4. Анализ полученных отношений в плане выявления равенства и линейной зависимости.

5. Проведение диалоговой процедуры с проектировщиком и, по совокупности с результатами этапа 4, построение множества орграфов. В нашем примере это 50 орграфов.

6. Определение ядра каждого из орграфов на множестве.

Если после применения метода единственный вариант технического решения не получен, то возможны следующие подходы:

а) если полученных вариантов немного 2-3, и они близки по физической сути, их можно считать эквивалентными, и выбрать для реализации любой;

б) можно вернуться к началу решения задачи и уточнить состав критериев и значения компонент векторных оценок;

в) можно, с учетом описанных выше уточнений, вернуться к процедуре диалога.

Разработанный метод не имеет ограничений по области применения, и его целесообразно использовать при решении любых задач выбора или принятия решений.

САПР ЭМА использована при разработке электромагнитных клапанов трубопроводной арматуры, прижимных электромагнитов корпусосборочных устройств, электромагнитов систем магнитного подвеса ВСНТ, модернизации тяговых электромагнитных контакторов серии МК, а также П- и Ш-образных электромагнитов переменного тока.

В приложении приведены табличные данные расчетов, лабораторных исследований, пример проектирования с помощью САПР ЭМА контактора, акты внедрения.

Основные результаты и выводы.

В диссертации разработан комплекс методов и алгоритмов для автоматизированного проектирования электромагнитных аппаратов, выполнены исследовательские и проектные работы, необходимые при создании ЭМА различных конструкций и назначения. Основные результаты диссертационной работы могут быть представлены в следующем виде:

1. Автоматизация проектирования электрических аппаратов определяется объективной необходимостью создания более совершенных конструкций, ускорения сроков проектирования и повышения производительности труда конструкторов. Реализация автоматизированного проектирования потребовала разработки новых математических моделей, более строго отражающих физические процессы, происходящие при работе электрических аппаратов, условия и режимы работы аппаратов.

2. Обоснована и реализована трехуровневая структура процесса проектирования электрического аппарата, первый уровень которой составляют модели и алгоритмы проектных оптимизационных расчетов, второй – поверочных, основанных на методах теории цепей, а третий – поверочных, основанных на методах теории поля. Такой подход позволяет решать различные задачи проектирования электрических аппаратов наиболее экономичным образом и с приемлемой точностью.

3. Получены оптимальные значения магнитной индукции в рабочем воздушном зазоре и стали электромагнитов переменного тока с втягивающимся якорем и стопом, зависящие от величин тяговых усилий и рабочего зазора, критерия оптимальности, условий работы механизма и т.д. Показано, что оптимальными для исследованных случаев являются электромагниты с наибольшей индукцией в магнитопроводе, не превышающей 1,1 Тл.

4. Разработана универсальная математическая модель и алгоритм проектного оптимизационного расчета электромагнитов постоянного и переменного тока различных конструктивных форм на заданные статические тяговые характеристики. Погрешность расчета по сравнению с экспериментом составила не более 10% для электромагнитов постоянного тока и не более 20% для переменного тока. Разработанный алгоритм реализован в виде модуля САПР ЭМА и использовался при проектировании электромагнитов подвеса ВСНТ, электромагнитных захватов, электромагнитных приводов контакторов типа МК и других устройств.

5. Предложен ряд новых алгоритмов проектных оптимизационных расчетов электромагнитов постоянного и переменного тока на заданные динамические тяговые характеристики. Отличительной особенностью данных алгоритмов является возможность проектирования оптимальных механизмов на заданные электромагнитные (например, тяговая) и механические (перемещение, скорость, ускорение) характеристики с повышенной точностью. Определены соотношения геометрических размеров, обеспечивающие экстремумы различных критериев оптимальности.

6. Для реализации второго уровня проектирования составлены модифицированные алгоритмы поверочных электромагнитных и тепловых расчетов, основанные на методах теории цепей. Погрешность расчета в этом случае составляет менее 10%. Алгоритмы реализованы в виде модулей САПР ЭМА.

7. Предложены новые математические модели и алгоритмы для определения параметров электромагнитных и тепловых полей, а также расчета интегральных характеристик электромагнитов постоянного и переменного тока различных конструкций. Отличительной особенностью указанных моделей является многократное уменьшение времени счета, учет потерь на вихревые токи и гистерезис в шихтованных магнитопроводах. Расчетные алгоритмы позволяют осуществлять полевые расчёты как в статическом так и в динамическом режимах работы. Погрешность расчетов не превышает 4%.

8. При разработке прикладного программного обеспечения САПР ЭМА составлены универсальные алгоритмы расчета механических характеристик и дугогасительных устройств электрических аппаратов постоянного и переменного тока различных конструктивных форм.