Надежность систем автоматического управления

• 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 ).

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
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.

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).

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. 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  .

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.

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 двесоставляющие причины увеличения интенсивностиотказов:электрическуюи тепловую.Электрическая составляющая характеризуетсядвумявеличинами:токоми 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 снижениенапряжения 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 .

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:

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.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

5. Список использованной литературы

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

• Глазунов Л.П. Основы теории надёжности автоматических систем управления. JL: Энергоатомиздат, 1984.
• Надёжность технических систем. /Под ред. Н.А. Ушакова. Справочник. М.: Радио и связь, 1985.
• Козлов Б.А., Ушаков В.А. Справочник по расчёту надёжности радиоэлектронной аппаратуры и автоматики. М.: Соврадио, 1975.
• Хейтагуров Я.А. Надёжность автоматизированных систем управления. М.: Высшая школа, 1979.
• Электротехнический справочник. М.: Энергия, 1972.
• Забрендин Ю.С. Промышленная электроника. М.: Высшая школа, 1982