Четкую последовательность этапов проектирования электропривода определить практически невозможно. Как правило, приходится принимать какие-то ориентировочные решения, на основе которых производятся последующие расчеты, а затем вновь возвращаться к первоначально принятому решению и уточнять и корректировать его. Очень часто вообще приходится идти несколькими параллельными путями и, сравнивая получаемые результаты, принимать решение по выбору варианта.
Проектирование всегда необходимо начинать с изучения свойств рабочей машины, для которой предназначается электрический привод, и составления на базе полученных результатов технического задания. В нем должны быть сформулированы все требования, касающиеся как статических, так и динамических свойств разрабатываемого электропривода. На основе заданий должны быть выявлены возможные пути решения поставленной задачи — установлены возможные варианты привода, удовлетворяющие поставленным условиям. При этом хотя бы предварительно должны быть проработаны все вопросы построения электропривода, включая, и систему управления. Далее на основе данных об ожидаемых режимах работы механизма — возможной частоте включений, характере изменения статического момента, ожидаемых значениях скорости и ускорения, должны быть построены его нагрузочные диаграммы. На основе последних ориентировочно может быть оценена необходимая мощность и момент, развеваемый двигателем. Далее должна быть выбрана номинальная скорость двигателя. При этом возможны различные подходы к решению этого вопроса. Для приводов, у которых существенное значение имеют переходные процессы, одновременно должно быть просчитано оптимальное значение передаточного отношения редуктора. При наличии длинных механических валов здесь же необходимо оценить возможное влияние упругих деформаций и учесть их в уравнениях, описывающих поведение системы.
При работе механизма с ударной нагрузкой, как это имеет место в прессах, ножницах и т. п. объектах, необходимо продумать вопрос об использовании маховика для снижения возможных перегрузок двигателя. Здесь же необходимо оценить его момент инерции. Следует, однако, иметь в виду, что окончательно вопрос о необходимости маховика и его размерах может быть решен лишь после выбора двигателя.
Чтобы перейти к предварительному выбору преобразователя, питающего двигатель, необходимо, уже на этом этапе продумать вопросы управления приводом и составить структурную схему привода. Исходя из требований по допустимым погрешностям должны быть определены необходимые передаточные коэффициенты (коэффициенты усиления) блоков, последовательно включаемых в цепь управления, и соответствующие им схемные воплощения.
Далее следует одни из основных этапов проектирования — синтез системы управления. В большинстве случаев структура системы управления выбирается на основе инженерной интуиции проектировщика, исходя из сформулированных ранее требований к функционированию привода. Это может быть система подчиненного управления, система комбинированного управления и т. д.
Задача синтеза в основном касается выбора параметров корректирующих цепей, т.е. преимущественно проводится параметрический синтез. Лишь некоторые методы, известные в теории автоматического управления (аналитического конструирования, модального управления), осуществляют структурный синтез. Однако результаты их обычно бывают либо избыточными, либо требуются дополнительные, иногда достаточно сложные,, структурные преобразования для построения реальной схемы.
На этом же этапе производится выбор задающего устройства — задатчика интенсивности, а также устройств ограничения токов, моментов. По результатам синтеза определяются все блоки системы управления.
Далее можно приступить к расчету динамики, т.е. к построению кривых переходных процессов. На основе этих кривых строятся нагрузочные диаграммы электропривода. Последние являются основой для проверки правильности выбора мощности двигателя. Несоответствие первоначально принятому значению приводит к необходимости уточнения типоразмера двигателя, и проведения повторного расчета во всей его последовательности.
После завершения расчета по выбору мощности двигателя можно провести расчет электрических параметров преобразователя, питающего двигатель, и всех блоков управления. Как правило, используют готовые блоки, выпускаемые промышленностью, и к потребителю поступают уже предварительно настроенные системы управления. Необходимо лишь уточнить параметры отдельных узлов, например регуляторов в системах с блоками УБСР. Естественно, что некоторая подстройка необходима, так как при проектировании установки расчетчик располагает лишь приближенными сведениями об объекте как в отношении его математического описания, так и параметров. Кроме того, в расчетах часто не учитывается некоторая нелинейность характеристик, упругие деформации в механических передачах. Однако в реальной системе влияние их может оказаться заметным. Иногда приходится даже вводить дополнительные корректирующие средства. Если проектирование велось параллельно для нескольких вариантов, то на завершающем этапе необходимо провести технико-экономическое сравнение и окончательно выбрать целесообразный тип привода и оформить всю техническую документацию.
Существенному ускорению проектных работ в настоящее время способствует их автоматизация — внедрение САПР. В связи со сложностью электромеханических объектов, различием физических процессов, протекающих в отдельных звеньях систем управления, полностью решить проблему автоматизации пока не удается. Как правило, автоматизация сейчас ведется в двух направлениях:
- Использование ЭВМ для решения наиболее сложных в математическом плане задач анализа и особенно синтеза систем управления. При этом обычно используются приемы оптимизации решения задач.
- Автоматизация трудоемких работ по выбору элементов электромеханических систем, наиболее пригодных для поставленных требований. Для этого создаются банки данных электродвигателей, преобразователей, усилителей, датчиков различных физических величин. Проектирование, как правило, ведется в диалоговом режиме с активным участием проектировщика, а иногда даже и интерактивном режиме с решением ряда вопросов непосредственно разработчиком.
Постепенное расширение областей применения ЭВМ при разработке электромеханических систем позволяет существенно сократить сроки проектирования и повысить эффективность использования труда квалифицированных специалистов.
Следует еще остановиться на выборе параметров используемой электроэнергии — напряжения и частоты. Значения их регламентируют ГОСТ 21128—83 и ГОСТ 6697—83, которыми предусмотрена широкая шкала номинальных значений U и f. Однако на промышленных предприятиях основное напряжение в распределительных сетях — 380 В, которое обеспечивает относительно небольшие потери в сетях.
Дальнейшее повышение напряжения обычно нерационально. Напряжение 500 В уже относится к категории высоких и его использование усложняет эксплуатацию. Лишь для индивидуальных установок большой мощности может быть рациональным использование напряжений 3, 6, 10 кВ.
Внутри установок возможен широкий выбор уровня напряжения. Он не регламентирован ГОСТ. В частности, широко используются двигатели постоянного тока на напряжение 400 и 440 В. Напряжение преобразовательных установок, питающих двигатели, определяется номинальным напряжением последних и схемой преобразователя.
В промышленных установках, как правило, используется та же частота тока, что и в энергосистеме, т.е. 50 Гц. В установках с преобразователями частоты в качестве номинальной (от которой идет регулирование в сторону более низких значений) также обычно принимается частота 50 Гц, так как на другие частоты двигатели не изготовляются. В локальных установках, а также в сервоприводах и следящих системах с целью уменьшения габаритных размеров и массы аппаратуры иногда используют повышенную частоту 400 Гц. Следует, однако, иметь в виду, что по массогабаритным показателям двухфазные двигатели с номинальной частотой 400 Гц незначительно отличаются от двигателей с номинальной частотой 50 Гц.