На современном этапе технологического развития и глобализации одним из главных конкурентных преимуществ становятся умение приобретать новые навыки. Миссия проекта по разработке и внедрению курса формулируется разработчиками как «Более быстрое получение знаний». Здесь имеется в виду сравнение с традиционным процессом обучения в университете. Программное обеспечение позволяет слушателю быстро создавать сложные системы электропривода, собирая их из стандартных компонентов, но также и рассматривать различные варианты таких систем и проводить их сравнительный анализ.

Онлайн курс DriveConstructor создан А.В. Матвеевым и А.А. Гавриловым. Он находится в свободном доступе по адресу https://driveconstructor.com/. Программа основана на сведениях о реальном выпускаемом оборудовании, тщательно подобранном авторами для решения определенного круга задач. При этом программа не предусматривает добавление пользователем своих собственных моделей в общую базу компонентов. Считается, что использование достаточно большой библиотеки стандартных компонентов для построения электромеханических систем позволяет слушателям вырабатывать те же навыки, что и работа с собственными настраиваемыми моделями новых компонентов.

Онлайн-курс содержит прежде всего программу подбора компонентов для составления электропривода, а также электронный учебник и задачник.

DriveConstructor
Программа является основной частью онлайн курса. Она позволяет собирать вместе компоненты для получения оптимальных систем для конкретных применений, изменять топологию системы и настраивать отдельные компоненты, проводить бенчмаркинг и оптимизацию системы. При этом программа использует достаточно простую логику при сборке компонентов в единую систему. Например, выходной ток преобразователя частоты должен превышать номинальный ток приводного двигателя, мощность двигателя должна превышать мощность, потребляемую приводным механизмом во всем рабочем диапазоне скоростей.

В основу программы положены реальные каталоги производителей оборудования, на базе которых были сформированы усредненные каталоги возможных компонентов. Важно, что каталоги содержат не только техническую информацию, но и сведения о стоимости компонентов. Это позволяет программе проводить стоимостной анализ проектируемых систем для последующего выбора оптимального варианта.

Другой особенностью программы является учет коэффициентов полезного действия компонентов при частичных нагрузках и проведение на их основе анализа эффективности всей системы для различных рабочих циклов нагрузки.

Для удобного сравнения различных вариантов проектируемой системы программа использует инструменты бенчмаркинга. Она позволяет в табличном и графическом виде сравнивать отдельные показатели различных вариантов проектируемой системы. Обычно сравнение проходит по таким показателям, как КПД при нагрузке 100%, 75%, 50% и 25%, общий объем системы, занимаемая площадь, вес и полная стоимость.

Рассматриваемые системы
Поставщики компонентов часто называют задачи «применениями» (applications). DriveConstructor дает возможность проектирования систем для четырех применений: насос, конвейер, лебедка (или намоточное устройство) и ветряная (или свободно-поточная) турбина (энергетическая установка). Эти применения характеризуются отличными друг от друга нагрузочными характеристиками и режимами работы (рис. 1).

Компоненты, соединенные вместе, образуют систему преобразования энергии или, говоря иначе, систему электропривода.

• Насос характеризуется глубиной (высотой) подъема жидкости, расходом жидкости, частотой вращения и КПД, также можно задать момент трогания. Тип жидкости определяется ее плотностью. Все топологии насосных систем предполагают использование преобразователя частоты для регулирования расхода и защиты насосного оборудования. Также возможно использование трансформатора и редуктора.
• Конвейер характеризуется номинальным моментом, максимальной и минимальной скоростью и рабочим циклом. Можно также задавать однократную или периодическую перегрузку. Топология также может включать трансформатор и редуктор.
• Ветряная или свободно-поточная энергетическая установка характеризуется номинальной частотой вращения лопастей, номинальным моментом и коэффициентом превышения частоты вращения.
• Лебедка характеризуется диаметрами пустого барабана и барабана с полностью намотанным тросом, номинальным усилием на тросе и номинальной скоростью движения троса. Также можно задать рабочий цикл и различную перегрузку.

После выбора «применения» и задания параметров нагрузки программа предлагает выбрать из наиболее подходящих вариантов все компоненты выбранной системы. Однако у пользователя остается полная свобода выбора внутренних параметров системы – напряжения питания внутренних компонентов (с помощью трансформатора), частоты вращения (с помощью редуктора), а также типа преобразователя частоты и электрической машины.

Программа позволяет выбирать только вращающиеся электрические машины переменного тока с внутренним ротором. Доступны следующие типы машин: асинхронная машина с короткозамкнутым ротором, синхронная реактивная машина и синхронная машина с постоянными магнитами. Как и положено, любая электрическая машина обратима и может использоваться в качестве двигателя или генератора в зависимости от «применения».

Трансформатор в большинстве систем является необходимым компонентом, обеспечивающим кроме правильного уровня напряжения гальваническую развязку и подавление гармоник преобразователя частоты для защиты сети. Программа позволяет выбрать двух- или трехобмоточный трансформатор, сухой или масляный, отдельный или интегрированный в систему, с воздушным или жидкостным охлаждением, а также с требуемым классом защиты.

Редукторы также могут быть выбраны разного типа: винтовой, конический, планетарный или червячный, могут иметь до трех ступеней с задаваемым передаточным отношением и разными типами передачи каждой ступени.

Даже соединительные кабели могут влиять на окончательный выбор оптимальной системы. Для этого пользователь может задавать: необходимую длину кабеля (которая может быть весьма существенной при офшорном размещении приливных или ветряных турбин); материал (медный или алюминиевый проводник); сечение проводников и число элементарных проводников. Разумеется, большая часть таких параметров выбирается программой автоматически, но у пользователя остается возможность исследовать влияние этих параметров на всю систему.

Электронный учебник
Учебник расположен на том же сетевом ресурсе. Он создан с помощью GitBook и содержит основную информацию об электромеханических системах и их компонентах. Это не инструкция пользователя, но именно небольшой учебник.

Прежде всего в учебнике рассматриваются четыре «применения» из данного курса: насосы, конвейеры, турбины и лебедки. Рассмотрены их типичные нагрузочные характеристики и параметры, задаваемые при проектировании системы. Учебник также поясняет ограничения, заложенные в программе, касательно проектируемых систем и их параметров.

Более подробно в учебнике рассмотрены те компоненты, из которых строятся системы для указанных применений. Прежде всего, это электрические машины и силовые преобразователи. Вместо детального описания конструкций, принципов действия и характеристик различных электрических машин учебник описывает их с точки зрения потребителя: типичный ряд мощностей, напряжений, синхронных скоростей, классы энергоэффективности, способы охлаждения, исполнения по способу монтажа и классы нагревостойкости изоляции. Для силовых преобразователей после рассмотрения основных топологий и областей их применения описывается ряд мощностей и напряжений; приводятся параметры, определяющие перегрузку по току; описываются способы охлаждения, монтажа преобразователей и используемых совместно с ними фильтров.

После описания трансформаторов, редукторов и силовых кабелей рассматривается тема ограничения мощности электрических машин и силовых преобразователей по мере увеличения высоты над уровнем моря. Этот вопрос часто ускользает от внимания студентов, но на практике оказывается очень важен. С ростом высоты падает атмосферное давление и ухудшается охлаждение электрических компонентов системы. Разные производители оборудования дают несколько различающиеся рекомендации по снижению мощности и номинального напряжения электрических машин и преобразователей с ростом высоты над уровнем моря. Учебник содержит общие рекомендации, сведенные в удобные таблицы. То же относится и к температуре окружающей среды или температуре хладагента в случае жидкостного охлаждения – удобные таблицы позволяют быстро выбрать степень уменьшения (или увеличения) номинальной мощности электрических машин, преобразователей и трансформаторов в зависимости от температуры окружающей среды.

Последний раздел учебника, посвященный общим вопросам проектирования электромеханических систем, рассматривает основные принципы выбора отдельных компонентов системы и их влияние на работу всей системы. Подробно рассмотрены преимущества приводов с переменной частотой вращения, показаны примеры экономии электроэнергии на примере регулируемых и нерегулируемых насосов в гидравлической системе.

Отдельный параграф посвящен вопросам выбора оптимальной системы. Рассматриваются критерии эффективности, количественные и качественные способы оценки, операционные затраты и понятие стоимости жизненного цикла.

Особое внимание уделено в учебнике вопросам взаимодействия компонентов системы, в частности, влиянию силового преобразователя на работу электрической машины, с одной стороны, и на электрическую сеть, с другой. Приводятся основные сведения по источникам высших гармонических тока и напряжения, создаваемых силовыми преобразователями, негативным эффектам и способам оценки степени влияния гармоник. С точки зрения электрических машин взаимодействие с преобразователями рассматривается с позиций перенапряжений, волновых эффектов и подшипниковых токов, возникающих под действием синфазного напряжения при использовании широтно-импульсной модуляции выходного напряжения.

Задачник
Задачник в настоящее время содержит описание 43 задач, которые предлагается решить студенту. Все они независимы, но  сгруппированы по образовательным целям. Первые 22 задачи посвящены основным компонентам системы (электрическим машинам и силовым преобразователям) и характеристикам системы в целом, а остальные разбиты на группы по четырем применениям (насосы, конвейеры, ветряные/свободно-поточные энергетические установки, лебедки), позволяя сосредоточится на оптимизации конкретной системы. Все задачи носят весьма конкретный характер. В них присутствует не только постановка задачи, но и конкретные условия работы того или иного применения, включая величину механической нагрузки, режим работы и рабочий цикл механизма. 

Читая учебник и решая задачи из Задачника, можно освоить процесс задания параметров механизмов и компонентов системы для четырех предложенных применений и получить практические навыки оптимизации систем. Одна из задач курса – научить студента искать и находить "рабочие" топологии для разных задач. Студенту предлагаются те же альтернативы, с которыми сталкиваются проектировщики в реальной жизни, например:

• выбрать тип электрической машины
• перейти от низкого напряжения к высокому
• использовать механический редуктор или нет

В задачи включено сравнение систем по ключевым показателям качества, оптимизация систем по цене, весу, КПД, занимаемому пространству. Кроме того, даются знания об основных компонентах систем: электрических машинах, механических редукторах, преобразователях частоты и трансформаторах.

© Ширинский С.В.
каф.ЭМЭЭА, МЭИ, 2019