Расчет показателей надежности электропривода асинхронного двигателя вентиляторной установки

 

 

КАФЕДРА ЭЛЕКТРОТЕХНИКИ И АВТОМАТИЗИРОВАННЫХ ПРОМЫШЛЕННЫХ УСТАНОВОК

 

 

 

 

 

 

КУРСОВАЯ РАБОТА

 

НАДЕЖНОСТЬ СИСТЕМ УПРАВЛЕНИЯ

 

ТЕМА: Расчет показателей надежности электропривода асинхронного двигателя вентиляторной установки

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

                        

                              

Москва 2013

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Введение.

 

Появление в 50-х годах 20-го столетия сложных систем управления привело к тому, что надежность аппаратуры стала определяющим фактором обеспечения эффективного использования этих систем. Вопросам надежности были посвящены самостоятельные работы, в результате чего сформировалась теория надежности.

Эффективность функционирования систем автоматического управления (САУ) в значительной степени зависит от надежности как отдельных устройств, входящих в системы, так и аппаратуры, обеспечивающей взаимодействие между этими устройствами.

Основными причинами, определяющими повышенное внимание к проблемам надежности, являются:

• рост сложности аппаратуры и появление сложных САУ;
• более медленный рост уровня надежности комплектующих элементов по сравнению с ростом числа элементов в аппаратуре;
• увеличение важности выполняемых аппаратурой функций и, как следствие этого, повышение требований к надежности аппаратуры;
• усложнение условий эксплуатации.

Интенсификация технологических процессов, повышение производительности и точности работы промышленного оборудования неразрывно связаны с усложнением общей схемы автоматизации производства. В этих условиях на первый план выдвигается очень важная проблема обеспечения надежной работы автоматизированного электрооборудования, выход из строя которого может привести к выпуску бракованной продукции, снижению производительности труда, потерям сырья и энергии, останову, а иногда и к авариям рабочих машин и механизмов, то есть к большим экономическим потерям. Задача повышения надежности электропривода является сложной и комплексной проблемой, которая должна решаться как на стадии проектирования и изготовления его элементов, так и при его монтаже и эксплуатации.

В этой курсовой работе произведен расчет надежности системы управления электроприводом и рассмотрены способы повышения надежности данной системы.

Задание на расчет надежности системы управления электроприводом:

 

1. Рассчитать основные показатели надежности – вероятность безотказной работы Р за период времени Тз больше 5000 ч. и наработку на отказ Т1 – для без редукторного электродвигателя вентилятора (см. рис. 1), включающего асинхронный двигатель с короткозамкнутым ротором и магнитным пускателем.
2. Рассчитать среднее время восстановления tв системы управления электроприводом.
3. Построить график зависимости вероятности безотказной работы системы управления электроприводом от времени Р(Тз).
4. Обеспечить наработку на отказ не менее Т1зад=8000 ч. календарного времени и вероятность безотказной работы системы управления электроприводом не менее Рз(Тз) = 0.8 путем введения внутри элементной и структурной избыточности.
5. Выбрать наилучший вид резервирования для системы управления электроприводом.
6. Рассчитать коэффициент готовности системы управления электроприводом.

Электропривод работает в закрытом помещении с повышенной запыленностью при температуре окружающей среды t = 60°С. Режим работы электропривода – длительный.

 

 

Расчет основных показателей надежности

               Рис.1. Схема управления короткозамкнутым  асинхронным двигателем с магнитным  пускателем

 

Схема управления асинхронным двигателем с использованием магнитного пускателя включает в себя магнитный пускатель, состоящий из контактора КМ и трех встроенных в него тепловых реле защиты КК. Схема обеспечивает прямой (без ограничения тока и момента) пуск асинхронного электродвигателя, отключение его от сети, а также защиту от коротких замыканий (предохранители FA) и перегрузки (тепловые реле КК).

Для пуска асинхронного двигателя замыкают выключатель QF и нажимают кнопку пуска SB1. Получает питание контактор КМ, который своими главными силовыми контактами в цепи статора асинхронного двигателя подключает его к источнику питания, а вспомогательным контактом шунтирует кнопку SB1. Происходит разбег асинхронного двигателя по его естественной характеристике.

Для отключения двигателя нажимается кнопка остановки SB2, контактор КМ теряет питание и отключает двигатель от сети. Начинается процесс торможения асинхронного двигателя выбегом под действием момента нагрузки на его валу.

 

Основой применяемых на практике инженерных методов определения надежности систем управления электроприводами является использование экспоненциального распределения как модели отказов и восстановления элементов и систем. Этот закон является однопараметрическим и полностью характеризуется постоянными значениями параметра потока отказов L (или наработки на отказ Т1) и среднего времени восстановления tв. Оценка надежности систем электропривода на стадии проектирования сводится к определению этих величин.

При расчете показателя безотказности L целесообразно использовать коэффициентный метод. Сущность коэффициентного метода состоит в том, что при расчете надежности электропривода используют не абсолютные значения интенсивности отказов элементов li, а коэффициенты надежности ki, связывающие значения li с интенсивностью отказов lб какого-либо базового элемента:

 

ki = li / lб;

 

Коэффициенты надежности ki практически не зависят от условий эксплуатации и для данного элемента являются константой, а различие условий эксплуатации учитывается соответствующим изменением lб. Обычно в качестве базового элемента выбирается металлопленочный резистор.

 

Опыт эксплуатации систем управления показывает, что их надежная работа зависит от многих взаимосвязанных факторов, к которым помимо производственных факторов относятся условия применения элементов и дестабилизирующее влияние окружающей среды.

Влияние на надежность элементов основных дестабилизирующих факторов – электрических нагрузок и температуры окружающей среды – учитывается введением в расчет поправочных коэффициентов аj. Значения коэффициентов аj принимаются равными единице для номинальных лабораторных условий, когда интенсивность отказов i-го элемента равна lнi. Очевидно, что интенсивность отказов этого же элемента, определенная с учетом условий применения и окружающей среды, будет равна:

;

;

 

где  ki – табличное значение коэффициента надежности элемента;

       lнб – интенсивность отказов базового элемента в лабораторных условиях;

       l – число воздействующих факторов.

 

 

Результирующий коэффициент надежности i-го элемента электропривода с учетом электрических нагрузок и температуры окружающей среды (исключая релейно – контакторную аппаратуру)  равен:

 

,

 

где ki – номинальное значение коэффициента надежности (Таблица 2);

      а1 – коэффициент, учитывающий отклонение температуры окружающей среды и электрической нагрузки от номинальной;

      а2 – коэффициент, учитывающий отклонение температуры окружающей среды от номинальной;

      а3 – коэффициент, учитывающий снижение электрической нагрузки относительно номинальной;

      а4 – коэффициент использования элемента, определяемый отношением времени работы элемента к времени работы электропривода.

 

Коэффициент надежности релейно-контактных аппаратов равен:

 

,

где    ki0, kjk – соответственно коэффициенты надежности воспринимающей (цепь катушки) и исполнительной (контактная система) частей аппаратуры;

         а4 – коэффициент, учитывающий время нахождения катушки аппарата под напряжением в течении одного цикла «включено – выключено» и температуру окружающей среды;

        а3 – коэффициент, учитывающий уровень электрической нагрузки контакта;

        nk – число контактов;

       fф и fном – фактическая и номинальная частота срабатывания аппарата в час.

После определения коэффициентов надежности отдельных элементов рассчитываются показатели надежности электропривода в целом.

При логически последовательном (основном) соединении элементов, узлов и устройств вероятность безотказной работы P(Tз) за период времени Тз равна:

;

 

где    Ni – число однотипных элементов i-й группы в электроприводе;

               n - общее число элементов в электроприводе, имеющих логически последовательное соединение.

 

Наработка на отказ электропривода равна:

;

Среднее время восстановления электропривода рассчитывается по уравнению:

 

где фвi – затраты времени на восстановление i-го элемента;

 

Если рассчитанные значения показателей надежности меньше требуемых, необходимо повысить надежность электропривода путем введения различного вида избыточности, под которой подразумеваются дополнительные средства и возможности, превышающие минимально необходимые для выполнения заданных функций. Избыточность может быть внутриэлементной, структурной и временной.

Рекомендуемая последовательность использования методов повышения надежности:

• внутриэлементная избыточность предусматривает снижение электрических нагрузок на элементах схемы, использование элементов с более высокими показателями надежности, облегчение условий работы элементов, сокращение времени активной работы элементов в схемах;
• структурная избыточность, или резервирование, элементов и узлов системы;
• временная избыточность предусматривает использование технологических резервов времени для восстановления работоспособности электропривода.

 

Повышенную запыленность помещения учтем коэффициентом K=2.5 (Таблица №4 приложения). Таким образом, интенсивность отказов базового элемента (металлопленочного резистора) составит:

 

1/ч.

 

При расчете принимаем логически последовательную (основную) схему.

Определим для каждого элемента электропривода коэффициенты надежности основываясь на таблицах 1-4 и рисунках 1-5 Приложения. Принимаем, что напряжение втягивания для реле соответствует 100 % от номинального.

 

Получаем значения коэффициентов надежности элементов электропривода, которые представлены в таблице 1.

 

	М	КМук	КМкс	ККук	ККкс	QF	SB1	SB2	FA
ki	252					4,6	5	5	25
kio		20		10
kik			25		17,8
Kн	0,85	0,6		0,6		0,6	0,8	0,6	0,6
fф			5		5
a1	12,3
a2
a3	0,45	0,55		0,55		0,55	0,75	0,55	0,55
a4	7,2		7,2		6,7	7,2	0,7	6,7	6,7
ki'	10042,7	11,0	180,0	5,5	119,3	18,2	2,6	18,4	92,1
Ni	1	1	1	1	1	1	1	1	3
Ni ki'	10042,7	11,000	180,000	5,500	119,260	18,216	2,625	18,425	276,375
Ni ki'/∑Niki'	0,941	0,001	0,017	0,001	0,011	0,002	0,0002	0,002	0,026
Pi(Tз)	0,023	0,996	0,935	0,998	0,956	0,993	0,999	0,993	0,902
T1i	1328	1212121	74074	2424242	111801	731957	5079365	723654	48244
фвi	5,300	2,125	2,125	2,975	2,975	1,000	1,000	1,000	0,106
Niki'/∑Niki'*фвi	4,986	0,002	0,036	0,002	0,033	0,002	0,0002	0,002	0,003