Лекция 2. Основные принципы автоматизированного проектирования ЕМП и ЕМС.

Тема 1.

Общие вопросы автоматизированного проектирования ЭМП и ЭМС и возможности их совершенствования на основе инновационных технических решений и электротехнических материалов.

 

Лекция 1. Современные тенденции развития и общая классификация силовых электромагнитных преобразователей

 

Цель лекции: изучение современных направлений и средств совершенствования ЭМП и ЭМС на примере трансформаторных преобразователей электрической энергии, а также формирование у студентов четких представлений о перспективах развития трансформаторостроения.

Работа электромагнитных преобразователей электрической энергии основывается на трансформаторном эффекте явления электромагнитной индукции. В современных электроэнергетических системах и в других отраслях техники на основе этого эффекта функционирует значительное количество различных видов преобразовательных устройств – это прежде всего силовые преобразователи электрической энергии (силовые трансформаторы), измерительные преобразователи тока, напряжения и т.п. Трансформаторный эффект проявляется и используется и в электромеханических преобразователях энергии – в электрических машинах.

В современной электроэнергетике самое широкое применение трансформаторных устройств обусловлено тем, что пока еще нет более эффективных преобразователей по уровню коэффициента полезного действия, экономичности, удобству использования и управления. Универсальность трансформаторных преобразователей обусловила не только их широчайшее распространение, но и большое количество типоисполнений.

Классификация трансформаторов, используемых в электроэнергетических системах, может быть выполнена по различным признакам – по их назначению, особенностям применения, конструктивным исполнениям и схемным особенностям, классам напряжения и т.д. На рис.1.1. приведена общая классификация наиболее распространенных типов трансформаторов в соответствии с их назначением на основе общепринятой для электроэнергетических систем терминологии.

В этой классификации: силовые трансформаторы – предназначены для передачи и распределения электрической энергии, автотрансформаторы - для изменения напряжения в небольших пределах, измерительные трансформаторы – для измерительных преобразований токов и напряжений, трансформаторы специального назначения – сварочные, печные, испытательные, выпрямительные и т.п.

Рис.1.1. Основные типы трансформаторов

В данном лекционном курсе детально рассматриваются силовые трансформаторы для передачи и распределения электрической энергии. Эти ЭМП получили наибольшее развитие и распространение в энергетических системах ведущих стран мира. На рис.1.2 показана диаграмма роста напряжений силовых трансформаторов начиная с 60-х годов прошлого века по настоящее время, из которой следует, что рабочее напряжение современных мощных силовых трансформаторов может достигать 1800 кВ. На рис.1.3. показана диаграмма роста единичных мощностей трансформаторов за тот же период, из которой видно, что мощность однофазного трансформатора достигает 687 МВА, а трехфазного – 1250 МВА в единице. Из рис.1.2 и 1.3 следует также, что мощные силовые трансформаторы традиционных конструктивных исполнений практически достигли своего предела по единичной мощности и уровню высокого напряжения, которые за последние 20 лет не увеличиваются. В то же время технический прогресс трансформаторов идет по пути совершенствования их технико-экономических и экологических параметров.

В структуре систем электроснабжения наиболее значительна доля силовых распределительных трансформаторов (0,25 – 1,0 МВ∙А).

 

Проблема совершенствования силовых электромагнитных преобразователей (ЭМП) и электромеханических систем (ЭМС) с каждым годом становится все более актуальной во всем мире.

Особое значение эта проблема имеет для Украины в связи с необходимостью технического переоснащения распределительных электросетей и ввода до 2010 г. в эксплуатацию около 70 млн. кВ∙А трансформаторных мощностей и около 300 тыс. км воздушных линий электропередач.

Потери электрической энергии только в распределительных сетях Украины в 2001 г. cоставили до 20% от всей отпущенной с шин электростанций, тогда как в Германии эти потери составили всего около 5%. Значительную долю этих потерь составляют потери в силовых распределительных трансформаторах классов напряжения 6-35 кВ.

Важнейшей проблемой в связи с превышением нормативных сроков эксплуатации основного парка распределительных трансформаторов является также проблема продления их надежной работы до 50-60 лет при обеспечении приемлемого уровня надежности и, по возможности, снижения уровня потерь.

При этом приходится учитывать, что в современных условиях рыночной конкуренции и мониторинга окружающей среды к трансформаторам, как новейших конструктивных исполнений, так и к модифицируемым, существенно повысились требования по энерго- и ресурсосбережению, пожаро- и взрывобезопасности, экологичности, конкурентоспособности.

Ведущими трансформаторостроительными фирмами и научно-исследовательскими электротехническими организациями мира, в том числе Украины и стран СНГ разработан обширный арсенал электротехнических материалов, технологических процессов, технических решений, конструктивных исполнений для распределительных трансформаторов, которые могут быть использованы и уже используются для совершенствования как модернизируемых трансформаторов, так и в трансформаторах новых серий. Причем эти инновации относятся ко всем компонентам трансформаторного устройства, начиная от магнитной системы и заканчивая системами мониторинга и шумоподавления.

Анализ основных показателей новых технических решений и новых конструктивных исполнений распределительных трансформаторов показал, что их совершенствование идет по направлениям снижения потерь, расхода электротехнических материалов, повышения надежности и экологичности.

В трансформаторах основные потери возникают в стали магнитной системы (потери холостого хода) и в обмотках (потери короткого замыкания).

Прогресс электротехнических сталей (ЭТС) в последние годы обусловлен развитием двух направлений в технологии их производства [14,16,17,20,21].

Первое, традиционное направление, основано на выплавке сплава, горячей прокатке с последующей холодной деформацией (холодной прокаткой) и термической обработкой на конечной стадии изготовления.

Второе направление основывается на получении быстрозакаленной ленты ЭТС путем разливки расплава на поверхность валика-холодильника, который вращается с большой скоростью. Развитие этих направлений привело к получению новых типов ЭТС с высокой магнитной индукцией и малыми потерями и ускорило совершенствование сталей на основе традиционных сплавов Fe-Si.

Для магнитных систем распределительных трансформаторов основной остается анизотропная электротехническая сталь (АЭС). Характеристики этой стали в последнее время существенно улучшены за счет совершенствования ее кристаллографической текстуры, ребровой ориентации, уровень которых определяется требованиями потребителей и величиной рабочей продукции. Свойства этой стали зависят также от размеров кристаллов. При низких рабочих индукциях целесообразно использовать сталь с мелким зерном, при высоких индукциях – с крупным, поскольку в такой стали значительна доля потерь от вихревых токов из-за преобладания широких доменов. Для искусственного уменьшения размеров доменов на поверхность листов наносятся царапины поперек направления прокатки, возле которых формируются замыкающие домены, создаются искусственные барьеры. Эти барьеры формируются обычно лазерной обработкой [14,16]. Потери в АЭС снижают также за счет улучшения качества поверхности листов и уменьшения их толщины до 0,23-0,27мм. Применение всех этих мероприятий позволяет получить уровень магнитных потерь при индукции 1,7Тл и частоте 50Гц Р_1,7/50 = 0,4Вт/кг.

Лучшие марки сталей с высокой магнитной проницаемостью имеют удельные потери 0,8-0,85 Вт/кг. Разработанные в Японии АЭС типа Hi-B широко применяются в мировом трансформаторостроении и при толщине 0,23мм имеют удельные потери 0,75 Вт/кг при индукции 1,7 Тл.

Для наилучшего использования свойств АЭС конструкции магнитных систем должны обеспечивать протекание основного магнитного потока вдоль прокатки стали.

На основе быстрозакаленных сплавов реально применение электротехнических сталей из аморфных и микрокристаллических сплавов, которые предназначены для работы с высокой индукцией насыщения в низкочастотной области.

Одним из преимуществ аморфных сплавов является возможность получения различных магнитных свойств за счет формирования наведенной магнитной анизотропии после охлаждения в магнитном поле, что позволяет получить аморфную ленту с изотропным или анизотропным распределением намагниченности и с формированием оси анизотропии в любом заданном направлении. Толщина аморфной ленты на порядок меньше толщины ленты АЭС, а в состав сплава входят железо, никель, кобальт, титан, магний, кремний и др. Это, наряду с высоким электрическим сопротивлением, уменьшает долю потерь от вихревых токов Р_1,7/50 в общих потерях до 10%. Микрокристаллическую ленту получают при быстрой закалке расплава между двумя вращающимися валками.

Изменяя в расплаве долю Si от 4,5 до 6,5%, а также совершенствуя кубическую текстуру, можно получать изотропную электротехническую сталь с высоким электросопротивлением и удельными потерями Р_1,7/50 менее 1Вт/кг. Из микрокристаллической ленты путем холодной прокатки можно получить анизотропную сталь с толщиной 0,08мм и потерями Р_1,7/50 = 0,6Вт/кг.

Для эффективного использования свойств новых типов трансформаторных сталей и уменьшения их расхода совершенствуются конструктивные исполнения магнитных систем и таких компонентов активной части, как изоляция и обмотки.

Развитие конструкций магнитных систем (МС) идет в направлении совершенствования как их структуры, так и геометрических и электромагнитных параметров.

Основные структурные типы МС предложены еще на начальном этапе развития трансформаторостроения. Это планарные (одноплоскостные) шихтованные или навитые магнитные системы и пространственные [16].

Для планарных МС, получивших преимущественное применение в распределительных трансформаторах, характерны стержневая и бронестержневая шихтованные и навитые конструктивные исполнения [21].

Более многообразны пространственные магнитные системы (ПМС). По сравнению с планарными они позволяют: для комбинированной трехстержневой МС с витым ярмом – уменьшить потери в стали на 25%, массы на 12%, а при замене материала обмоток на фольгу, за счет уменьшения размеров окна – масса стали уменьшается еще на 8%, а обмоток – на 2-4%. Совершенствование шихтованных планарных и пространственных стыковых МС идет по пути улучшения качества стыков. В плоских шихтованных МС наиболее совершенной, но и трудоемкой, является схема шихтовки “STEP-LAP” (коэффициент увеличения потерь в таком магнитопроводе всего 1,15-1,2).

При заданном конструктивном исполнении планарных и ПМС уменьшение расхода ЭТС достигается также за счет оптимизации геометрии магнитной системы, обмоток, размеров главной и продольной изоляции.

Для уменьшения размеров окна выполняется оптимизация размеров обмоток и провода главной и продольной изоляции по критерию максимального заполнения площади окна проводниковым материалом [7,14,16,24].

И, наконец, следует отметить значение оптимизации рабочей магнитной индукции, уровень которой при прочих равных условиях обуславливает и массу и потери в МС.

Ведущими фирмами (General Electric, ABB и др.) в Японии и США освоен выпуск трансформаторов с МС из аморфных сплавов. Несмотря на более высокую (на 25-30%) стоимость таких трансформаторов, они рентабельны из-за существенного (до 70%) снижения потерь холостого хода.

В современном трансформаторостроении большое значение придается совершенствованию технологии изготовления МС, средства и возможности которой заслуживают отдельного подробного анализа. Следует отметить, что за последние 20 лет улучшение технологии производства МС позволило снизить коэффициент увеличения потерь изготовленных МС (по сравнению с их уровнем в используемой стали) с 1,3 до 1,15.

Размеры МС и трансформатора в целом уменьшаются за счет увеличения коэффициента заполнения окна проводниковым материалом, что достигается уменьшением размеров главной и продольной изоляции и оптимизацией структуры и параметров обмоток [24].

Размеры изоляции зависят от ее электроизоляционных свойств. Традиционная изоляция распределительных трансформаторов состоит из комбинации целлюлозной изоляции и минерального масла, обладает удовлетворительными электрическими и тепловыми характеристиками, но ее электрические и механические свойства сильно зависят от влагосодержания, скорость старения быстро растет при превышении нормированной температуры, а нормированный срок службы не превышает 25 лет. Поэтому общей тенденцией является разработка и применение изоляционных материалов, не имеющих указанных недостатков. Большое распространение получила полиамидная бумага (Номекс), имеющая рабочую температуру 160⁰С, высокую маслостойкость при температурах масла до 120⁰С и диэлектрическую постоянную – 4,6.

Считается целесообразным применение изоляционных эмалей на основе полистерамидимида и пире-ML полиамида (класс нагревостойкости 200-220⁰С) в комбинации с арамидными бумагой и картоном. Особенно эффективно применение этой изоляции при модернизации и ремонте трансформаторов, т.к. при стоимости арамидной изоляции примерно в 20 раз большей, чем целлюлозной, стоимость ремонта с комбинированной изоляцией увеличивается всего на 20-30%. Если используется только высокотемпературная изоляция, то увеличивается мощность модернизированного трансформатора и нагрузочная способность при перегрузках.

Маслонаполненные трансформаторы пожаро- и экологически опасны, масло подвержено старению и не способствует снижению уровня шума, но такие трансформаторы значительно дешевле и рентабельнее там, где не ужесточены требования экологичности.

Повышение требований экологичности, пожаро- и взрывобезопасности распределительных трансформаторов привело к разработке ряда типов пожаробезопасных жидких диэлектриков [11,21]: кремнийорганических жидкостей, синтетических эфиров, высокотемпературных углеводородных масел и других жидкостей, которыми заменяют минеральное масло. Широко применяются кремнийорганическая жидкость полидиметилсилоксан, которая устойчива к старению, практически не ядовита, хорошо разлагается в воде, воздухе, почве и не создает вредных для здоровья соединений.

Дальнейшее развитие получают элегазовые трансформаторы [1,21]. В распределительных трансформаторах до 2500 кВА используется естественная циркуляция газа в баке.

Преимуществами трансформаторов с литой изоляцией являются: экологическая чистота, безопасность эксплуатации, малые габариты, простота монтажа, устойчивость к воздействию влаги и сырости, минимальные эксплуатационные затраты, повышенная надежность.

Наибольшее снижение потерь достигается в трансформаторах с обмотками из высокотемпературных сверхпроводников (ВТСП) [14,24], сверхпроводящее состояние которых существует при температуре ниже критической (для большинства из них – ниже 110⁰К). Рабочую температуру таких обмоток удобно принимать равной температуре кипящего жидкого азота (77⁰К). Обычно ВТСП представляет собой ленту из материала Bi 2223. ВТСП материалы интенсивно совершенствуются и получают всё большее применение для различных электротехнических устройств. Поскольку в рабочем режиме потери в ВТСП пренебрежимо малы, то реальные потери в обмотке считаются равными электрической мощности, потребляемой холодильной установкой, КПД которой около 4%.

Номинальный ток обмотки из ВТСП должен быть ниже критического и соответствовать области сверхпроводимости. Если ток значительно превышает критическое значение, то сопротивление ВТСП резко возрастает на порядок, а энергия, выделяемая ВТСП в этом переходном режиме, поглощается испарением части охлаждающего жидкого газа (азота). Максимально допустимое значение тока определяется перегрузочной способностью охлаждающего устройства.

Эти свойства ВТСП позволяют значительно повысить КПД трансформатора, при уменьшенных массе и габаритах, исключить трансформаторное масло как охлаждающий агент, ограничивать большие токи.

У них также отсутствует термическое старение изоляции. Способность трансформаторов с ВТСП ограничивать токи короткого замыкания позволяет уменьшить напряжение короткого замыкания на 50% и, тем самым, стабилизировать напряжение трансформаторов без его регулирования. Технология применения явления “теплой” сверхпроводимости развивается достаточно высокими темпами.

Расчетные исследования с учетом современных экономических показателей подтвердили экономическую целесообразность создания трансформаторов с использованием высокотемпературной сверхпроводимости не только на мощности более нескольких десятков МВА, но и для тяговых трансформаторов.

Компактные размеры таких трансформаторов, замена охлаждающего масла жидким азотом, позволяют расширить диапазон их применения на распределительные трансформаторы для установки в городских условиях и помещениях.

Факторами, пока еще сдерживающими широкое применение трансформаторов со сверхпроводимостью, являются высокая цена ВТСП провода и необходимость использования сравнительно дорогих холодильных установок (криокулеров).

Следует отметить тенденции подхода к технико-экономическому обоснованию новых технических решений.

Увеличение стоимости нефти с 70-х годов, примерно на порядок, привело к увеличению стоимости и других видов топлива и энергии, что повысило и стоимость потерь в трансформаторах. Поэтому за последние 30 лет трансформаторостроители снизили уровень потерь в среднем на 50% [21,29].

При сравнении вариантов одного и того же трансформатора как основной показатель выступают потери. При проектной оптимизации основным критерием обычно служит полная капитализированная стоимость – это сумма стоимости установки трансформатора (включая его цену) и капитализированная стоимость потерь [12,21,22] (сумма, достаточная для оплаты стоимости потерь в каждом году срока службы трансформатора, которая может быть покрыта годовым доходом от суммы в банке, положенной под сложный процент, при установке трансформатора).

Однако при обосновании применения распределительных трансформаторов новых конструктивных исполнений (и более дорогих) в современных проектах [24], учитывается и ряд системных факторов – экономия затрат на прокладку инженерных сетей, повышение надежности, взрывобезопасности, экологичности, возможность более плотной застройки жилых кварталов и т.д.

Важнейшей тенденцией, обусловившей достижение мировым трансформаторостроением высокого современного уровня, является интенсивное развитие научных исследований, создание эффективного нормативного и расчетно-методического базиса, информационного, методического, математического и программного обеспечения для автоматизации научных исследований, проектных разработок, оптимизации технических решений и технологических процессов производства трансформаторов.

Значительный вклад в эти достижения внесен трансформаторостроителями и учеными научно-исследовательских организаций Украины (институт электродинамики НАН Украины, ОАО «ВИТ», ОАО НИЦ «ЗТЗ-Сервис», ZTR, Хмельницкое ОАО «Укрэлектроаппарат» и других).

Рассмотренные тенденции развития мирового и отечественного трансформаторостроения обусловили создание мощного научного базиса, новых электротехнических материалов, технических решений, технологических процессов, которые должны быть использованы для модернизации и совершенствования парка распределительных трансформаторов Украины, обладающей мощным научно-техническим потенциалом и трансформаторостроительной промышленностью.

Одним из ключевых направлений решения этой проблемы является опережающее развитие на основе имеющегося мирового научно-технического задела информационного, математического, методического и программного обеспечения автоматизации научных исследований, синтеза, анализа и оптимизации структуры и параметров отечественных трансформаторов.

 

Литература: 8, 14, 16, 17, 18, 24

 

Контрольные вопросы

1. Какой физический эффект используется во всех видах трансформаторных преобразователей?

2. Какие виды трансформаторов получили наибольшее распространение в энергосистемах и промышленности? Приведите их общую классификацию по назначению.

3. Чем обусловлена актуальность проблемы совершенствования распределительных трансформаторов?

4. Каковы тенденции совершенствования магнитных систем современных трансформаторов?

5. Тенденции совершенствования изоляционных материалов для трансформаторостроения.

6. Чем обусловлена актуальность решения проблемы снижения потерь в трансформаторах?

7. Какие критерии используют при оптимизации трансформаторов?

8. Что дает использование в трансформаторах высокотемпературной сверхпроводимости?

9. Какие ведущие научные и проектные организации в Украине решают проблему совершенствования трансформаторов?

10.Какие тенденции обусловили современные достижения мирового трансформаторостроения?

Лекция 2. Основные принципы автоматизированного проектирования ЕМП и ЕМС.

 

Основная цель лекции – ознакомление студентов с общими принципами современной организации процессов автоматизированного проектного синтеза и анализа ЕМП и ЕМС и формирования в их сознании четкого представления о преимуществах и объективной необходимости построения процесса автоматизированного проектирования (АП) на основе системного подхода.

Для этого излагаются такие вопросы, как обоснование необходимости применения информационных технологий и вычислительной техники при АП ЕМП и ЕМС, даются та обосновываются основные понятия и термины, которые используются при АП (“системный объект”, “структура технического объекта”, “системный анализ”, “декомпозиция объекта и процесса проектирования”, “стадии и этапы АП” и т. п.).

Научно-технический прогресс современного человеческого общества и современное состояние экономики и промышленности Украины поставили сейчас ряд масштабных и безотлагательных проблем, среди которых важнейшие такие:

− выход страны на передовые научно-технические позиции и мировой уровень производительности труда;

− организация управления, планирования, проектирования в соответствии с требованиями интенсификации промышленного производства и экономики в условиях реформирования народного хозяйства.

Опыт мировых высокоразвитых государств показывает, что решение этих проблем возможно только на основе новейших научных направлений – кибернетики, информатики и информационных технологий на базе современной вычислительной техники.

Новейшая вычислительная техника и современное программно-информационное обеспечение – это могучие факторы повышения эффективности производства, роста благосостояния всего общества, но для их эффективного применения необходимо решать и новые проблемы. Среди этих проблем главная – проблема органического ввода автоматизированных комплексов и принципов АП в социальную среду, обеспечение эффективного взаимодействия человека и вычислительной техники.

Тенденции развития современного промышленного производства ЕМП и ЕМС характеризуются повышением сложности, расширением номенклатуры, сокращением сроков сменяемости и жесткостью требований к качеству изделий. Путь к решению этих проблем – создание и постоянное развитие современных компьютерных технологий проектирования и производства. Основные преимущества компьютерных производственных систем следующие:

− быстрое освоение высокоэкономичной новой техники;

− получение дополнительной прибыли;

− повышение качества продукции;

− снижение материальных и финансовых расходов;

− повышение производительности труда.

Поэтому сейчас главная составляющая и наукоёмкая часть любой производственной деятельности – это система автоматизированного проектирования (САПР).

В современной техносфере сформировались такие направления применения САПР:

− создание орудий труда нового типа путем синтеза механизмов и управляющих электронных устройств – механотроника;

− автоматизация производственных технологий, их регуляция без участиячеловека – технотроника;

− автоматизация (в допустимых границах) непроизводственных социально-коммуникативных процессов и технологий – информатика.

Вершиной автоматизации в современных условиях признается гибкое автоматизированное производство (ГАП) из двух или большего числа взаимосвязанных гибких комплексов. В наиболее развитых странах обозначилась тенденция кибернетизации материального производства путем интеграции механотроники, технотроники, информатики в одно комплексное направление – телематику (телекоммуникации и информатика). Гигантские резервы памяти и быстродействия современных ЭВМ позволяют перерабатывать огромные потоки информации и выявлять закономерности сложных процессов и в любых технических устройствах, в природе и обществе. Поэтому безгранично расширяется информационная сфера исследования и проектирования. И хотя в основе новых идей и обобщений в науке и технике лежит талант исследователя, его ум и интуиция, все же большую роль в рождении новых идей играют объем материалов, массивы данных, глубина и скорость их проработки.

Поэтому автоматизация исследований, экспериментов, проектирование на базе компьютерной технологии – одна из основных тенденций современного НТП.

Инструментом, который обеспечивает наивысший уровень и эффективность создаваемого электрооборудования и электромеханических систем служат САПР и системы автоматизированного управления производственными процессами (АСУП).

Поскольку проектирование ЕМП и ЕМС оказывается комплексной проблемой, в которой в сложной взаимосвязи переплетаются задачи синтеза, анализа, оценки, оптимизации и принятия решений, то эффективное решение этих сложных задач возможно только на основе методологии системного подхода.

Системный подход ис ходит с того, что специфика сложных объектов и процессов не исчерпывается особенностями частей и элементов, из которых они складываются, а содержится в характере связей и отношений между ними. Это приводит к расширению базиса проектирования за счет введения таких понятий как структура, функция, организация, связь, отношение и т.п. и поэтому обеспечивает определенные преимущества системному подходу перед традиционными методами исследования и проектирования, потому что позволяет создавать более адекватные действительности модели сложных объектов, процессов проектирования и технологических процессов.

Системный подход особенно эффективен при проектировании ЕМП и ЕМС так как несмотря на очень широкий спектр номенклатуры этих объектов все они основаны на едином принципе преобразования электрической энергии. Это создает предпосылки эффективной реализации проектного синтеза ЕМП и ЕМС на основе единого подхода и аналогии структур математических моделей (ММ). Единая методика и инвариантные методы проектного синтеза позволяют создавать эффективные ММ, типовые программные модули и программные комплексы, структура и содержание которых автоматически адаптируются к специфическим особенностям ЕМП или ЕМС в соответствии с заданными техническими условиями.

Для реализации такого подхода ЕМП и ЕМС следует рассматривать как сложные многомерные системы, которые предназначены для преобразования электрической энергии с одними параметрами в электрическую энергию с другими параметрами или в механическую.

Основные элементы таких систем взаимосвязаны как самой физикой преобразовательных процессов, так и по своим параметрам.

Так, например, в трансформаторных устройствах в соответствии с используемым в них физическим эффектом электромагнитной индукции магнитное и электрическое поля взаимосвязаны, а их элементы образуют в общем случае пять основных подсистем: обмоток, магнитную, изоляционную, охлаждения, регулировочную. Содержание и назначение каждой из этих подсистем четко определяется стандартами. Таким образом, трансформаторное устройство является единым комплексом технических подсистем со сложными взаимосвязями между ними.

Для овладения основными принципами организации процессов АП и САПР таких сложных технических объектов, как ЕМП и ЕМС, необходимое четкое понимание основных понятий и терминов АП, а также представление об основных научных дисциплинах, на которых базируется теория современного АП.

Системой в теории АП называют взаимодействующий набор элементов, который обеспечивает выполнение этой системой заданных функций. Или: под системой S понимают целенаправленное множество взаимозависимых элементов какой-нибудь природы.

Системный подход (СП) – это общеметодологический принцип, который состоит из нескольких аспектов. Гносеологическим аспектом СП является теория систем, которая относится к методологии науки. СП реализуется обычно на основе дедуктивного принципа – от общего к частному, когда в основе его лежит цель. Рецептурная или аппаратная реализация СП осуществляется средствами системного анализа (СА). Основные идеи и принципы СА есть развитие идей теории исследования операций (ИО) поэтому ее методы и являются сейчас одной из основных составляющих СА. Основа СА –построение и анализ ММ.

Автоматизированное проектирование (АП) – новая технология проектирования, которая основывается на использовании идей и методов СА.

Ее особенность – широкое использование современных средств обработки информации и представления ее в виде, который позволил бы проектировщику до конца выявить и использовать свои творческие возможности. Любая система АП – это прежде всего сложная имитационная система.

При проектировании сложных конструкций важнейшим оказывается принцип разделения, принцип декомпозиции, который лежит в основе всех технологий проектирования.

Один из важнейших аспектов системы это ее структура.

Структура системы – это совокупность связей между ее элементами, которая отображает их взаимодействие. Структура системы может изучаться или исследоваться

− извне, с позиций состава отдельных подсистем и отношений между ними;

− изнутри, когда анализируются отдельные свойства, то-есть изучаются функции системы.

При АП, особенно в САПР, СП применяется как к объекту проектирования, так и к субъекту проектирования.

Проектирование – это процесс создания описания, необходимого и достаточного для реализации (построения, осуществления) в заданных условиях еще не существующего объекта на основе первичного описания этого объекта – технического задания (ТЗ).

Автоматизированное проектирование – это систематическое применение ЭВМ в процессе проектирования при научно обоснованном распределения функций между проектировщиком и ЭВМ и при научно обоснованном выборе методов машинного решения проектных задач.

Научно обоснованное распределение функций между проектировщиком и ЭВМ предусматривает, что человек должен решать задачи творческого характера, а ЭВМ – задачи, которые легко алгоритмизуются, и более эффективно решаются на ЭВМ, чем человеком. За человеком остаются задачи генерации идей, формирования гипотез, оценка.

Процессу проектирования свойственно противоречие, которое заключается в том, что проектирование системы нуждается в информации о характеристиках, свойствах и поведении системы, которую еще нужно создать, раньше, чем она создана. Поэтому основной алгоритм проектирования обычно такой:

1. Генерировать (создать) какой-то вариант технической системы.

2. Проанализировать (с помощью ЭВМ) предложенную на первом шаге систему.

3. На основе данных, полученных на втором шаге и технического задания, принять рассмотренный вариант или отбросить его и вернуться к первому шагу.

Результатом работы проектировщика является словесное и документальное описание (техническая документация) объекта, в сущности – модель будущего объекта.

Следовательно предметом труда проектировщика является модель объекта проектирования, которая в процессе проектирования превращается в математическую, компьютерную, графическую и т.п. модели.

В процессе проектирования модель может многократно создаваться (синтезироваться) и анализироваться. Поэтому процессы синтеза и анализа в процессе проектирования выступают в диалектическом единстве.

Системный подход при проектировании таких сложных объектов как ЕМП и ЕМС реализуется через использование таких принципов как декомпозиция и иерархичность описаний объектов, многоэтапность и итерационность процесса проектирования.

Это обусловлено тем, что описание технических объектов по сложности должно быть согласованным с возможностями восприятия их человеком и возможностями оперирования этими описаниями в процессе их преобразований с помощью современных средств проектирования.

Для сложных объектов это возможно только при расчленении описаний на иерархические уровни, аспекты и реализации блочно-иерархического принципа проектирования.

Иерархический принцип означает структуризацию описания объекта проектирования (ОП) по степени детализации описания. На каждом из иерархических уровней реализуется определенная степень детализации (или абстрагирование) описания.

На верхнем (более высоком) уровне проектируемый сложный объект рассматривается как система S из N взаимозависимых и взаимодействующих элементов Si. Каждый из элементов этого уровня (i=1,2,…,n) также представляет собой сложный объект, который рассматривается как система Si на уровне 2 с элементами Sij (j=i,m). Аналогично выполняется деление вплоть до получения на некотором уровне базовых элементов, которые не подлежат последующему разделению.

Принцип декомпозиции означает разбиение описаний каждого уровня на ряд частей (блоков) и возможность раздельного (поблокового) проектирования этих частей.

Аспекты описаний образуются на основе декомпозиции описаний по характеру отображаемых свойств объектов.

Аспекты описаний обычно относятся к функциональному, конструкторскому и технологическому проектированию.

Функциональный аспект – отображение основных принципов функционирования, характера физических и информационных процессов в объекте. Обычно отображается в принципиальных, функциональных, структурных, кинематических схемах и их описаниях.

Конструкторский аспект – реализация результатов функционального проектирования, то есть определение геометрических форм объектов и их взаимного расположения в пространстве.

Технологический аспект – реализация результатов конструкторского проектирования, то есть описание методов и средств изготовления элементов объекта.

Процесс проектирования развивается во времени и его принято разделять на такие компоненты: стадии, этапы, проектные процедуры, проектные операции.

Для таких сложных систем как ЕМП и ЕМС выделяют 8 стадий:

Проектные исследования.

Техническое задание.

3. Техническое предложение.

4. Эскизный проект (ЭП) – проверка технической возможности реализации технического задания.

5. Технический проект (ТП) – конкретизация и детализация технических решений.

6. Рабочий проект (РП) – разработка технической документации для изготовления экспериментальных образцов.

7. Испытания.

8. Внедрение.

Стадии 1,2,3 – это стадии научно-исследовательских работ(НИР). На этих стадиях на основе анализа научно-технических достижений, имеющихся ресурсов определяются основные принципы построения технического объекта (основные технические решения) и формируют ТЗ. Этап – это часть процесса проектирования, включающая формирование всех описаний объекта, которые требуются и относятся к одному или нескольким иерархическим уровням и аспектам описания (проектирование принципиальных схем и т.п.).

Этапы состоят из проектных процедур (ПП). ПП – это формализованная совокупность действий, выполнение которых заканчивается проектным решением (ПР) (расчет параметров, выбор типичной конструкции электрической машины, оформление чертежа и т.д.).

Проектное решение (ПР) – промежуточное или конечное описание объекта проектирования, необходимое и достаточное для рассмотрения и определения последующего направления или окончания проектирования. Проектная процедура выполняется с помощью проектных операций.

Проектная операция (ПО) – действие, или формализированная совокупность действий, которые составляют часть проектной процедуры, алгоритм которой остается неизменным для ряда проектных процедур (расчет критерия, решение системы уравнений и т.п.). таким образом, понятия уровня и аспектаотносятся к структуризации описания объектов, а понятие этапа – к структуризации самого процесса проектирования.