Надежность систем автоматического управления

Размещено на http://www.allbest.ru/

Размещено на http://www.allbest.ru/

Курсовая работа

Надежность систем автоматического управления

Введение

автоматизированный тиристор управление

Расчеты надежности автоматизированных систем управления относятся к категории наиболее сложных расчетов. Им должны предшествовать:

1. Уяснение принципа работы и физической сущности явлений элементной базы, используемой в системах автоматического управления. Эти вопросы изучаются в курсах промышленной электроники, электрических машин и элементов систем автоматического управления.

2. Расчет и выбор основного оборудования, а также оптимальных систем автоматического управления. Эти вопросы изучаются в курсах автоматизированного электропривода и систем автоматического управления.

3. Определение параметров и характеристик элементом и систем автоматического управления; определения границ возможных изменений параметров и характеристик их влияния на работоспособность системы. Это вопросы курсов автоматизированного электропривода, систем автоматического управления и специальных курсов, завершающих теоретическую часть подготовки специалистов по автоматизации производственных систем.

Только после уяснения физики явлений, свойств элементарной базы и системы автоматического управления, влияние параметров и характеристик на работу системы автоматического управления можно приступать к расчету надежности, являющимся таким образом, завершающим этапом проектирования.

1. Техническое задание

1.1 Цель проектирования

На базе основного схемного решения тиристорного преобразователя разработать преобразователь, отвечающий техническим требованиям по надежности, изложенным в настоящем техническом задании (ТЗ).

1.2 Задание на проектирование

· обоснование выбора схемы выпрямления;

· расчет и выбор основных элементов силовой схемы;

· определение параметров силовой цепи с учетом реальных условий эксплуатации;

· формулирование понятия отказа преобразователя на основании изучения физических процессов, протекающих при его работе;

· поэлементный (поблочный) расчет надежности с учетом режимов работы элементов и расчет надежности основного соединения преобразователя в целом;

1.3 Основные технические требования

Перечислим основные технические требования:

· Тиристорный преобразователь предназначен для регулирования напряжения на якоре двигателя постоянного тока;

· Условия эксплуатации изделия - внутрицеховые. Диапазон изменения температуры окружающей среды ;

· Режим работы изделия в технологической установке - непрерывный, односменный, с длительностью рабочей смены 8 часов. Выполнение профилактических и регламентных работ осуществляется вне рабочей смены;

· Гамма-процентный срок службы изделия (время календарное с учетом рабочих и нерабочих смен) при вероятности отказа ;

· Полагаем, что конструктивное исполнение преобразователя является блочным со временем замены вышедшего из строя блока на резервный не более 0,5 часа. Исключение составляет замена отказавших силовых трансформаторов;

· Для каждого из блоков преобразователя предусмотреть замену на резервный при выработке гамма-процентного ресурса при вероятности достижения своего предельного состояния и при экспоненциальном законе распределения времени безотказной работы.

· Считаем, что в цехе эксплуатируется не менее 10 аналогичных тиристорных преобразователей. Необходимый годовой резерв ЗИП рассчитать для 10 изделий.

1.4 Исходные технические данные

· Мощность ДПТ, ;

· Номинальное напряжение ;

· Напряжение питающей сети . Возможные колебания первичного напряжения ;

· Схема силовой части ТП: нереверсивный тиристорный преобразователь по трёхфазной мостовой схеме с токоограничивающими реакторами;

· Диапазон регулирования скорости ДПТ - 25;

· Способ подключения преобразователя к первичной сети: непосредственно через токоограничивающий реактор;

· Допустимые пульсации тока якоря ;

· Допустимый граничный ток ;

· Кратность тока якоря при срабатывании токоограничения

2. Выбор оптимальных схемных решений

2.1 Преимущества серийно выпускаемых преобразователей

Производство электроэнергии осуществляется на электростанциях на переменном токе. Однако, значительная часть производственных процессов (электротехнология, электролиз в химии и металлургии, электрифицированный транспорт, автоматизированный электропривод станков, роботов и т.д.) требует электропитания на постоянном токе. Преобразование электрической энергии из первичного переменного напряжения в нерегулируемое вторичное постоянное напряжение осуществляется с помощью диодных выпрямителей. Если выпрямленное напряжение постоянного тока должно регулироваться, либо требуется его стабилизация с отклонениями от заданного уровня меньшими, чем у первичного питающего напряжения, то в современных преобразователях, как правило, используются тиристорные выпрямители. Этот вид регулируемых преобразователей вытеснил все многообразие магнитных или электромагнитных преобразователей, применявшихся ранее.

В последние годы в преобразователях постоянного тока малой и средней мощности начали внедряться транзисторные регуляторы и регуляторы на запираемых тиристорах. Но в процентном отношении эти виды преобразователей составляют в настоящее время и обозримом будущем несущественную долю от общего выпуска полупроводниковых преобразователей.

Инженеры, работающие в области автоматизации электропривода и автоматизированных промышленных установок, электротехнологии и эксплуатации электрооборудования и средств автоматизации, в своей практической деятельности сталкиваются с широким кругом вопросов, связанных с расчетами и выбором, наладкой и эксплуатацией тиристорных преобразователей различного назначения.

Режимы работы тиристорных преобразователей зависят, в первую очередь, от характера нагрузки. Из всего разнообразия нагрузок следует выделить двигательную нагрузку. Работа тиристорного преобразователя на якорь машины постоянного тока является наиболее сложной с точки зрения протекающих физических процессов и математического описания. Работа тиристорного выпрямителя на другие виды нагрузок (активную, активно-емкостную и активно-индуктивную) может быть рассмотрена как частные случаи режимов работы системы “тиристорный выпрямитель - двигатель” (система ТВ-Д).

Поэтому целесообразно рассмотреть в курсовой работе именно систему ТВ-Д, как с позиций наиболее общего примера многообразного класса тиристорных преобразователей, так и с позиций обеспечения надежности системы, нашедшей наиболее широкое применение в промышленности.

В курсовой работе будет осуществлен расчет, связанный с надежностью нереверсивного тиристорного агрегата по трехфазной мостовой схеме.

Повышение быстродействия и снижение пульсаций в выпрямленном напряжении достигается за счет увеличения фазности (пульсности) схем выпрямления. Поэтому в настоящее время нашли применение и трехфазные мостовые схемы выпрямления. Диапазон выходных мощностей этих преобразователей лежит в пределах от 20 до 200 кВт. Источником первичного напряжения является сеть напряжений 380/220 В.

Комплектные тиристорные устройства серий КТУ, КТЭ и тиристорные комплектные преобразовательные агрегаты серий ТРЗ, ТПЗ, ТЕРЗ, ТПРЗ, АТ, АТР выпускались на номинальные токи от 25 до 1600 А и выпрямленное напряжение 230, 345, 460, 660 В. В основу всех данных серий положена трехфазная мостовая схема выпрямления с подключением к сети через токоограничивающий реактора или трехфазный согласующий трансформатор. Трехфазная мостовая схема положена в основу и модифицированных комплектных электроприводов КТЭ с естественным охлаждением тиристоров, заменивших выпускавшиеся до этого агрегаты АТ, АТР, АТ В, АТРВ. Следующее поколение комплектных тиристорных агрегатов той же серии КТЭ расширила диапазон выходных мощностей преобразователей до 12 Мвт. Эти установки выпускаются на токи от 1,6 до 12,5 кА и напряжение 660, 825 и 1050 В.

Трехфазная мостовая схемы выпрямления приведена на следующем рисунке:

2.2 Функциональная схема тиристорного преобразователя

В настоящее время основным видом преобразователей являются управляемые тиристорные выпрямители (далее УТВ). Они вытеснили все остальные виды преобразователей за счет более высокого КПД, отсутствия движущихся элементов, повышенной надежности и более высокой приспособленности к автоматическому регулированию. На выход системы управления выпрямителем (СУВ) поступает управляющее напряжение , где оно преобразуется в соответствующее значение угла открытия тиристоров . Изменение ведет к регулированию выходного напряжения тиристорного блока . Кривая выпрямленного напряжения может содержать значительные пульсации, что требует сглаживания выходного напряжения, осуществляемого блоков фильтрации (БФ). Согласование уровня первичного сетевого напряжения и требуемого значения переменного напряжения, подаваемого на УТВ, осуществляется силовым согласующим трансформатором. Блок РПФ-БКА содержит коммутационную и защитную аппаратура, осуществляющую рабочее и аварийное отключение (включение) ТП от первично сети, а также может содержать радиоподавляющие фильтры, предотвращающие попадание высших гармоник, генерируемых преобразователем, в первичную сеть. Измерительное устройство осуществляет контроль параметров ТП (в частности тока и напряжения) и в случае аномальных режимов воздействует на коммутационную аппаратуру БКА и систему управления, вызывая запирание тиристоров (отключение преобразователя).

РПФ - радиоподавляющий фильтр;

БКА - блок коммутационной аппаратуры;

УТВ - управляемый тиристорный выпрямитель;

БФ - блок фильтров;

СУВ - система управления выпрямителем.

2.3 Описание работы выпрямителя

В данном курсовом проекте используется трехфазная мостовая схема тиристорного преобразователя, которая приведена выше. Данная схема получила широкое распространение для построения трёхфазных управляемых выпрямителей.

Тиристоры схемы разбиты на две группы: 1 группа (тиристоры VS4-VS6) и тиристоры 2 группы (тиристоры VS1-VS3). Всякий раз, когда на обмотку поступает импульс, на одной группе тиристоров открывается тиристор, на котором наибольший потенциал и из другой группы открывается тиристор, на котором наименьший потенциал. Работа схемы приведена на графике ниже.

Длина управляющего импульса равна длине горения тиристора. Но обычно используют отложенный короткий импульс с малой длительностью, который подаётся на управляющий электрод тиристора в начале положительной полуволны питающего напряжения. Тиристор открывается в начале полуволны и до конца положительной полуволны остаётся включенным, в конце он естественным способом закрывается. Кривая на нагрузке характеризуется средним значением .

Фазовый способ управления работой тиристора заключается в изменении момента подачи Взрывающего импульса на управляющий электрод тиристора. При этом происходит изменение среднего (действующего) значения напряжения на нагрузке.



2.4 Обоснование выбора схемы выпрямления

Мостовые схемы выпрямления допускаются включать напрямую в сеть переменного тока без согласующего трансформатора.

Можно приблизительно оценить КПД выпрямителя:

- падение напряжения на тиристоре в открытом состоянии (1,5В);

- число тиристоров, последовательно проводящих ток нагрузки в выпрямленной схеме ( =6)

Расчетное значение КПД УТВ =0,990

3. Выбор основных элементов силовой схемы

3.1 Определение параметров нагрузки

Номинальный ток якоря в двигателе можно рассчитать по формуле:

- коэффициент полезного действия двигателя. Для ДПТ, номинальная мощность которого , лежит в пределах .

Для проектируемого преобразователя: , ; .

Потери в двигателе оценим по выражению:

Полагаем, что потери в меди якоря при номинальном токе составляют половину суммарных потерь. Это позволяет определить сопротивление якоря двигателя.

Индуктивность якорной цепи оценим по формуле Лицвилля:



- число пар полюсов двигателя;

- номинальная частота вращения;

- расчётный коэффициент ( для некомпенсированных машин с , для компенсированных машин с большой мощностью);

Значение для общепромышленных машин постоянного тока серий П2 и П можно принять равным .

3.2 Расчёт параметров идеального выпрямителя

Идеальным является выпрямитель, выполненный на элементах, не имеющих потерь. Анализ схем выпрямления ведем, положив угол управления тиристорами равным нулю. В этом случае нет запаздывания в открытии тиристоров относительно точки естественной коммутации (ТЕК), а тиристоры можно условно заменить диодами. В этом режиме преобразователь обеспечивает на выходе максимальное выпрямленное напряжение, обозначенное . Так как у идеального выпрямителя нет внутреннего падения напряжения, то , где - внутренняя ЭДС выпрямительной схемы при .

Очевидно, что при нагрузке на выходе выпрямителя R, либо RL типа, мощность, отдаваемая преобразователем, и загрузка его элементов будут максимальными при . Поэтому выбор элементов преобразователя производиться в данном режиме работы.

Кроме указанных выше допущений считаем, что ток нагрузки идеально сглажен, т.е. . Это является ошибочным предположением при RL-нагрузке либо двигательной нагрузке. При работе на ДПТ допустимые пульсации в кривой выпрямленного тока как правило, не должны превышать 5%. При больших уровнях пульсации резко ухудшаются условия протекания коммутационных процессов на коллекторе ДПТ. Это проявляется в усилении искрения в щеточных контактах машин и обгорания коллектора.

Необходимое соотношение между средним значением выпрямленного напряжения идеального выпрямителя и вторичным напряжением трансформатора (для идеального трансформатора ) устанавливается на основании соотношения:

- число пульсаций в кривой выпрямленного напряжения за период сетевого напряжения . Для проектируемой схемы

Для схем выведена общая расчетная формула:

Это выражение позволяет определить коэффициенты согласования по напряжению для различных схем выпрямления.

Численное значение относительной величины вторичного расчётного напряжения для проектируемой схемы, рассчитанное по вышеприведённым выражениям

Основными показателями при выборе тиристоров по напряжению является значение максимального напряжения, прикладываемого к тиристору в закрытом состоянии .

Отношение назовём коэффициентом использования вентилей по напряжению . Очевидно, что при заданном , чем ближе к единице, тем на меньшее напряжение выбираются тиристоры по каталогу. Для большинства трёхфазных схем выпрямленное значение определяется амплитудой вторичного линейного напряжения ). Используя известное соотношение амплитуд и действующих значений напряжений в трёхфазной симметричной и вышеприведённое выражение, было рассчитано численное значение . Выбор тиристоров по току в идеальной схеме осуществляют по предельно возможному значению среднего тока, протекающему через него.

Для большинства схем - .

- угол проводимости тиристора, определяемый по диаграммам работы схемы (для трёхфазной мостовой схемы ).

Тогда:

Обычно токовую нагрузку тиристоров определяют через коэффициент использования тиристоров по току.

Для рассматриваемой схемы коэффициент использования тиристоров по току

Для различных схем выпрямления продолжительность открытого состояния (угол ) и форма тока различны. Это означает, что при равных значениях токов через вентили их действующие значения могут отличаться. Как известно, эффективность (действующее значение) тока вентиля определяется выражением:

Относительное значение действующего тока вентилей:

Для рассматриваемой схемы коэффициент относительной эффективности тока тиристоров (взят из справочной таблицы) .

3.3 Расчёт идеального преобразователя

Всем расчётным параметрам присвоен индекс «и», что означает, что расчёты выполнены для идеальной схемы.

Используя данные справочной таблицы и соответствующие расчетные формулы для проектируемого преобразователя получим:

· Действующее значение ЭДС вторичных обмоток трансформатора

Максимальное напряжение, прикладываемое к тиристору в закрытом состоянии

· Среднее значение тока через тиристор

· Эффективное значение тока через тиристор

3.4 Определение параметров силовых условий эксплуатации

При эксплуатации тиристорных преобразователей в реальных условиях возникают отклонение напряжения и тока от расчётных значений за счёт не идеальности элементов схем и действия внешних возмущений (колебания сетевого напряжения, температуры окружающей среды и воздействия токовых перегрузок). На стадии проектирования при определении параметров схем вводят ряд коэффициентов запаса, каждый из которых позволяет учесть влияние определённых эксплуатационных факторов.

Уточнение величины фазного напряжения осуществляется с помощью выражения:

- коэффициент запаса по напряжению, учитывающий возможное снижение напряжение сети заданное в техническом задании.



- коэффициент запаса, учитывающий возможное снижение выпрямленного напряжения за счёт отклонения управляющих импульсов от их расчётного положения (для многоканальных систем управления , для цифровых и одноканальности синхронных систем ).

- коэффициент запаса, учитывающий внутренне падение напряжения в ТП ().

Действующее значение первичного тока, потребляемого ТП из сети, уточняем по выражению:

- коэффициент запаса, учитывающий возможные технологические перегрузки ();

- коэффициент запаса, учитывающий возрастание действующих значений токов в трансформаторе из-за пульсации тока якоря, который можно оценить по выражению:

- значение допустимых пульсаций тока якоря, заданное в техническом задании;

- коэффициент запаса, учитывающий протекание в первичных обмотках намагничивающего тока . Последний обычно принимают равным току холостого хода трансформатора, значение которого приводится в технических данных трансформаторов. Для ТП, работающего в составе электроприводов с широким диапазоном регулирования скорости (), на этапе предварительного расчёта можно ориентировочно принять .

- расчётный коэффициент. При этом коэффициент трансформации рассчитывается по приближённому выражению . Для проектируемой схемы.

3.5 Выбор тиристоров

Основным параметров, по которому осуществляется выбор тиристоров для преобразователей, работающих на частотах 5ч1000 Гц, является предельно допустимый средний ток, протекающий через прибор в открытом состоянии . Этот ток для унифицированных низкочастотных тиристоров серии Т, определяется на заводах - изготовителях экспериментально в классификационной однополупериодной схеме выпрямителя при работе на активную нагрузку при . Следовательно, - это постоянная составляющая однополупериодной волны синусоидального тока.

При этом за номинальное значение принимают такой ток , который разогревает полупроводниковую структуру прибора до предельной рабочей температуры при определённых условиях охлаждения. Значение , определенное при принудительном охлаждении с номинальными скоростью и температурой охлаждающего воздуха, указывается в обозначении тиристора

Первая задача, которую решает разработчик при выборе тиристоров - определяет условия их охлаждения.

По действующим нормативным документам при проектировании тиристорных выпрямителей, подключаемых к промышленным сетям, рекомендуется применение принудительного охлаждения тиристоров при выходной мощности преобразователя при напряжениях . Для низковольтных выпрямительных установок принудительное охлаждение принудительное охлаждение применяется при .

При меньших мощностях (токах) применяется естественное охлаждение тиристоров. Радиаторы (охладители), на которых закрепляются тиристоры, охлаждаются естественными восходящими конвекционными потоками без принудительного обдува. На основе данных рекомендаций осуществляется выбор условий охлаждения тиристоров в проектируемой установке. В тиристорных преобразователях, подключаемых к промышленным сетям, рекомендуется использовать унифицированные низкочастотные тиристоры серии Т.

Рассчитаем максимальное значение среднего тока, протекающего через тиристор в проектируемом преобразователе:

и - коэффициенты запаса по току ( и ).

Далее по данным справочной таблицы из методического указания подбираем тиристор и тип охладителя, исходя из условия . Причём ближайшее значение выбирается из столбца при соответствующих условиях охлаждения.

При работе выбранного тиристора в реальном преобразователе условия его работы, как правило, отличаются от классифицированных. Эти отличия касаются формы и длительности тока, протекающего через тиристор и температуры охлаждающей среды. Воспользуемся выражением для определения среднего допустимого тока.



- допустимая рабочая температура полупроводниковой структуры (для унифицированных тиристоров принимают равной 125°С);

- температура охлаждающей среды (температура воздуха при классификационных испытаниях принимается равной 40°С);

- полное установившееся тепловое сопротивление «переход-среда» для выбранного типа радиатора (охладителя) и при принятых условиях охлаждения;

- коэффициент тока (для однополупериодного тока синусоидальной формы в классификационной схеме );

- пороговое напряжение тиристора;

- динамическое сопротивление тиристора в открытом состоянии;

Используя предыдущее выражение для классификационной схемы, можно определить значения для выбранного охладителя:

Для определения в реальных условиях эксплуатации вновь используем выражение (22), поставив в него рассчитанное по выражению (23) значение и новые значения и .

Если ТС особо техническим заданием не оговаривается, а преобразователь предназначен для работы в цеховых условиях для средней полосы России, то в летний период температура охлаждающего воздуха под кожухом преобразователя может достигать °С.

Зависимост представлена в нижеприведённой таблице.

л, рад	р	2р/3	р/2	р/3
Kф	1,41	1,73	2,0	2,45

В паспортных данных тиристоров не указывается конкретные значения параметров тиристора по напряжению. Задача их выбора решается проектировщиком.

Основными параметрами, определяющими способность тиристора выдерживать приложенное напряжение, являются:

· - допустимое повторяющееся импульсное напряжение между анодом и катодом в закрытом состоянии;

· - повторяющееся допустимое импульсное напряжение в обратном направлении.

Унифицированные низкочастотные тиристоры выпускаются равными значениями этих параметров . Тиристоры могут иметь в пределах от 100 до 2000 В с дискретными значениями параметра через 100 В. Значение UЗСП в сотнях вольт называется классом тиристора по напряжению. Тиристоры могут иметь класс от 1 до 20. С повышением класса стоимость прибора возрастает. Следовательно, избыточный запас при выборе тиристора по напряжению экономически не оправдан. К тиристору в условиях эксплуатации прикладывается:

· рабочее напряжение с амплитудой;

· периодические импульсные напряжения с амплитудой ;

· непериодические напряжения с амплитудой ;

Каждый из этих перенапряжений не должно превышать соответствующий показатель тиристора.

Максимально возможная амплитуда рабочего напряжения:

, , , - определены ранее.

Определив можно рассчитать основной параметр тиристора по напряжению, используя выражения:



[...] - означает целую часть числа, заключённого в скобки;

- коэффициент соотношения рабочего и периодических напряжений ().

Выходная мощность проектируемого преобразователя при номинальной нагрузке двигателя и при рабочем номинальном напряжении составит:

Максимально значение среднего тока через тиристор составляет .

В соответствии с в графе допустимых средних токов при принудительном охлаждении выбираем значение , которое является основным токовым параметром тиристора Т123-200 при использовании серийного охладителя 0123-100 и при номинальных условиях охлаждения (скорость потока воздуха V = 12м/с, температура охлаждающего воздуха Тс - 40°С ).

3.6 Основные технические данные тиристора Т123-200

· Максимально допустимый средний ток в классификационной схеме ;

· Ударный неповторяющийся ток в открытом состоянии , при и ;

· Критическая скорость нарастания анодного тока ;

· Критическая скорость нарастания анодного напряжения: в закрытом состоянии

при и

Группа	-	4	5	6	7
	В/мкс	200	320	500	1800

Пороговое напряжение в открытом состоянии ;

· Максимальная температура перехода при отсутствии перегрузок ;

· Динамическое сопротивление в открытом состоянии ;

· Время включения;

· Время выключения при ;

· Отпирающее напряжение управления при и ;

· Ток удержания в открытом состоянии ;

· Повторяющийся импульсный обратный ток ;

· Повторяющееся импульсное напряжение в закрытом состоянии ;

На основании полученных данных рассчитаем полное сопротивление «переход-среда»:

Для проектируемого преобразователя продолжительность открытого состояния тиристоров в режиме непрерывного тока составляет . Тогда по вышеприведённой таблице имеем . Принимаем предельно возможную температуру охлаждающего воздуха для цеховых условий Тс равной 50°С. Определяем значение для тиристора Т123-200 при изменённых условиях эксплуатации:

Полученное значение удовлетворяет неравенству , что подтверждает правильность выбора тиристора по току.

Максимально возможная амплитуда периодического напряжения в трёхфазной мостовой схеме составит:

Тогда имеем:

Значит, выбираем тиристор 7-ого класса по напряжению с параметрами:

, , .

4. Расчёт надёжности трёхфазной мостовой схемы выпрямления

4.1 Расчётное задание

Рассчитать наработку до отказа трёхфазной мостовой схемы выпрямителя, работающего на обмотку возбуждения двигателя постоянного тока. Напряжение сети переменного тока 380/220 В, напряжение сети постоянного тока , номинальное значение тока обмотки возбуждения . Условия эксплуатации - внутрицеховые позволяют считать, что поток отказов простейший.

4.2 Формулировка отказов

Под отказом в проектируемом источнике питания понимаются любые изменения режима работы источника, при котором напряжение на нагрузке снижается более чем на 20%. Причинами колебания выходного напряжения могут являться только отказы элементов схемы. Провалы выходного напряжения, вызываемые сверхнормативными колебаниями напряжения сети, не рассматриваются как отказы. Это отказ всей установки в целом. Считаем, что колебания напряжения в сети могут достигать +10%/-15% (не является отказом).

4.3 Расчёт параметров схемы. Вентильная группа

Средний ток вентилей:

;

Учтем коэффициент запаса за счёт нестандартной формы тока ;

Условие выбора вентилей по току .

Ближайший тиристор по справочнику - Т123-200, ;

Максимальное рабочее напряжение на вентиле: .

Учтём возможное повышение напряжения сети на 10% и введём 20% запас на перенапряжение , . Условие выбора тиристоров по напряжению .

4.4 Расчёт параметров схемы. Автоматический выключатель

Для отключения преобразователя от питающей сети и защиты от коротких замыканий используется автоматический выключатель.

По таблице находим величину интенсивности отказа автоматического выключателя .

4.5 Определение времени наработки на отказ трёхфазной мостовой схемы

Время наработки на отказ схемы выпрямителя определяется с помощью суммирования интенсивностей отказа отдельных элементов.



- интенсивность отказов вентилей;

- интенсивность отказов согласующего трансформатора;

- интенсивность отказов автоматического выключателя.

Необходимо отметить, что полученное значение является оценочным, приближённым. В расчёте не учитывается ни реальный характер распределения, ни условия эксплуатации.

4.6 Учёт условий эксплуатации. Вентильная группа

Отказы тиристоров имеют два проявления:

· Пробой - короткое замыкание структуры (КЗ);

· Обрыв - потеря проводимости структуры (ОБР);

Интенсивность отказов:

- суммарная составляющая интенсивности отказов;

- составляющая, зависящая от короткого замыкания;

- составляющая, зависящая от обрыва структуры;

Обычно на основании эксплуатационных данных принимается , , т.е. соотношение между составляющими принимается как 9:1.

Проведём расчёт интенсивности отказов с учётом коэффициентов нагрузки. При этом учтём две составляющие причины увеличения интенсивности отказов: электрическую и тепловую. Электрическая составляющая характеризуется двумя величинами: током и напряжением.

Коэффициент нагрузки по току вентиля :



Имеем: .

Коэффициент нагрузки по обратному напряжению на вентиле :

Имеем: .

Коэффициент нагрузки по температуре :

Имеем: .

Следовательно:

Из выражения , имеем:

Отказ типа КЗ любого из шести тиристоров вентильной группы ведёт к короткому замыканию. В этом случае автоматический выключатель должен отключить схему от сети, т е. происходит полный отказ. С позиций отказов все тиристоры образуют последовательно соединённую структуру. Интенсивность отказов выпрямителя, вызванная КЗ, определяется простым суммированием или трёхкратным увеличением (по числу тиристоров) величины .

Для вентильной группы в целом имеем:

Учёт отказов типа обрыв структуры. При отказе одного из трёх вентилей трёхфазной мостовой схемы выпрямления напряжение уменьшается на 1/6, т е. становится равным . По определению отказа снижение напряжения на величину 20% и больше означает отказ источника питания в целом. Следовательно, обрыв структуры одного тиристора вентильной группы не является отказом выпрямителя. Отказ наступает, если у двух вентилей происходит отказ типа обрыва структуры.

Время наработки на отказ состоит из двух отрезков времени - от начала эксплуатации до выхода из строя одного из шести вентилей и - время между выходом из строя первого и последующим выходом из строя одного из пяти оставшихся вентилей группы

Из таблицы выберем .

Имеем:

Но отказы в виде обрыва имеют место в 10% случаев, следовательно:

Отсюда

Для вентильной группы в целом:

Полная интенсивность отказов выпрямителя складывается из и .

4.7 Учёт условий эксплуатации. Автоматический выключатель

Основным функциональным назначением автоматического выключателя является операторное подключение нагрузки к сети, а также аварийное отключение её при тепловой перегрузке и мгновенных перегрузках (функции обеспечения тепловой и максимальной защиты). Отказы связанны с обгоранием главных контактов и неисправностями механической части автоматических выключателей.

Характерной особенностью элементов САУ подобных автоматическим выключателям является наличие трёх режимов работы.

1. Установившийся режим - режим включённого состояния; за время этого режима допускается определённое число оперативных включений и выключений;

2. Режим отключения аварийных перегрузок. Количество аварийных перегрузок, как правило, нормируется. Но частота аварийных перегрузок разработчику не известна.

3. Режим отключенного состояния - режим хранения;

Каждый из режимов характеризуется своей интенсивностью отказов. При хранении учитываются условия хранения. Интенсивность отказов при хранении колеблется в пределах . При этом нижний предел - 0,01 принимается при хранении на складе, верхний предел 0,1 - в цехе.

Для автоматических выключателей типа АК, АП, АО, АЗ700 в технических условиях, данных по надёжности нет, но оговаривается число оперативных включений. При односменном режиме работы число оперативных включений за смену не превышает десяти. Это позволяет ориентировочно рассчитать ресурс изделия при односменной эксплуатации.

- допустимое гарантированное включение за смену (для автоматических выключателей ;

- число оперативных включений за смену ();

t - число часов в сутках;

Гарантированный ресурс изделия . Отсюда . Интенсивность отказов можно рассчитать из выражения: , .

Отсюда:



Интенсивность отказов на один цикл включения:

Вероятность безотказной работы изделия с учетом трех режимов работы:

- среднее число цикла;

h - число циклов;

- интенсивность отказов при аварийном срабатывании ()

Примем и , то имеем:

Следовательно, интенсивность отказов автоматического выключателя:

- среднее время эксплуатации (временем переключения пренебрегаем);

При работе в одну смену , . Следовательно:

4.8 Суммарные показатели надёжности

Теперь можно рассчитать суммарные показатели надёжности изделия в целом.

При ослаблении величин можно определить оптимальный запас ЗИПа, а также наиболее уязвимую часть изделия.

Список использованной литературы

1. Кривцов А.Н., Куценко Б.Н., Суслова О.В. Надёжность систем автоматического управления. СПб. 2003.

2. Глазунов Л.П. Основы теории надёжности автоматических систем управления. JL: Энергоатомиздат, 1984.

3. Надёжность технических систем. /Под ред. Н.А. Ушакова. Справочник. М.: Радио и связь, 1985.

4. Козлов Б.А., Ушаков В.А. Справочник по расчёту надёжности радиоэлектронной аппаратуры и автоматики. М.: Соврадио, 1975.

5. Хейтагуров Я.А. Надёжность автоматизированных систем управления. М.: Высшая школа, 1979.

6. Электротехнический справочник. М.: Энергия, 1972.

7. Забрендин Ю.С. Промышленная электроника. М.: Высшая школа, 1982

Размещено на Allbest.ru

...