Надежность систем автоматического управления

Министерство общего и среднего специального образования Российской Федерации

Санкт-Петербургский институт машиностроения

Кафедра электротехники, вычислительной техники и автоматизации

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Курсовая работа

Надежность систем автоматического  управления

 

 

 

 

 

Выполнил: ст. гр. 6405

Лысков А.А.

Проверил:Поляхов Д.Н.

 

 

 

 

 

 

Санкт-Петербург 2012 г.

Введение

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.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Оглавление

 

 

 

 

 

 

1. Техническое задание
1. Цель проектирования

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

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;
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.
4. Исходные технические данные:
• Мощность ДПТ, ;
• Номинальное напряжение ;
• Напряжение питающей сети . Возможные колебания первичногонапряжения ;
• 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
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. 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.

3. Описание работы выпрямителя

В данном курсовом проекте используется трехфазная мостовая схема тиристорногопреобразователя, 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.

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
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: , ; .