4999

Надежность систем автоматического управления

Книга

Коммуникация, связь, радиоэлектроника и цифровые приборы

Надежность систем автоматического управления Введение Расчеты надежности автоматизированных систем управления относятся к категории наиболее сложных расчетов. Им должны предшествовать: Уяснение принципа работы и физической сущности явлений элемен...

Русский

2012-12-01

231 KB

144 чел.

Надежность систем автоматического управления

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.

Поэтому настоящее пособие, посвященное расчетам надежности силовой части тиристорного преобразователя, разбито на две части. Первая часть посвящена перечисленным выше вопросам. При этом имеется возможность использовать результаты проектирования, полученные ранее в курсовых работах, проведенных при изучении дисциплин “Промышленная электроника” и “Автоматизированный электропривод”. Надежностные расчеты являются таким образом логическим продолжением ранее выполненных курсовых работ. В свою очередь, эти расчеты должны быть продолжены при дипломном проектировании. Таким образом формулируется логически связанная цепочка проектных работ, выполняемых последовательно в течение нескольких лет, параллельно с теоретической частью изучаемых дисциплин.

Возможен и второй вариант, при котором, используя методику, приведенную в первой части пособия, расчеты повторяются с расширением изучаемых материалов, их систематизации и выбором современных средств автоматизации, выпускаемых в настоящее время отечественной промышленностью. Вторая часть пособия посвящена непосредственно расчетам надежности одной из систем автоматического управления с параметрами, заданными в индивидуальном задании. К числу основных вопросов второй части пособия относятся:

  1.  Формулировка понятия отказа основных элементов, функциональных блоков изделия в целом.
  2.  Расчет надежности основных элементов, функциональных блоков системы автоматического управления в целом.
  3.  Учет условий эксплуатации.
  4.  Разработка методов резервирования.
  5.  Разработка комплекса организационных и технический мероприятий, направленных на предупреждение отказов при эксплуатации.

Более подробно перечень вопросов,  подлежащих разработке, перечислен в техническом задании на проектирование.

В двух частях пособия в качестве примера исследованы два различных варианта тиристорного преобразователя. Это позволяет расширить круг вопросов, подлежащих решению при проектировании аналогичных устройств в реальных условиях.

Настоящее пособие не заменяет соответствующие учебники, а является дополнением к ним. Напротив, при работе с  пособием должны появляться побудительные мотивы обращения вначале к подготовленному одновременно с ним конспекту лекций по надежности систем автоматического управления, затем к капитальным учебникам и монографиям, перечисленным в списке литературы и, наконец, к журнальным статьям по данному вопросу. Это позволяет современному специалисту быть подготовленным в одной из наиболее сложной и динамично развивающейся области знаний - надежности систем автоматического управления.


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;

повышение надежности изделия за счет применения резервирования;

разработка комплекса организационных и технический мероприятий (регламентные и восстановительные работы), направленных на предупреждение отказов при эксплуатации изделия;

разработка технических средств диагностирования работоспособного состояния некоторых блоков (элементов).

 1.3. Основные технические требования

1.3.1.  Тиристорный преобразователь предназначен  для регулирования напряжения на якоре двигателя постоянного тока.

1.3.2. Основные технические требования к основной схеме преобразователя изложены в первой части настоящего пособия.

1.3.3. Условия эксплуатации изделия - внутрицеховые. Диапазон изменения температуры окружающей среды 10оС окр 40 оС.

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

1.3.5. Гамма-процентный срок службы изделия Тср=50103 ч (время календарное с учетом рабочих и нерабочих смен) при вероятности отказа ср =0,1.

1.3.6. Полагаем, что конструктивное исполнение преобразователя является блочным с временем замены вышедшего из строя блока на резервный не более 0,5 часа. Исключение составляет замена отказавших силовых трансформаторов. Для их замены в случае отказа предусмотрены следующие нормы

Типовая мощность трансформатора кВА

Время замены, ч

10 50

0,5

60100

1,0

160250

1,5

320800

2,0

10003200

4,0

400010000

8,0

1.3.7. Для каждого из блоков преобразователя предусмотреть замену на резервный при выработке гамма-процентного ресурса при вероятности достижения своего предельного состояния ср =0,1 и при экспоненциальном законе распределения времени безотказной работы.

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

 1.4. Индивидуальное задание

Каждый из студентов должен получить свой шифр, состоящий из трех цифр, например 375, 456, 123 и т.д. Первая цифра определяет номер расчетной схемы из табл. 1.

Таблица 1.

Первая цифра

Номер рисунка, на котором изображена схема

1

1,a

2

1,б

3

2,a

4

2,б

5

2,в

6

2,г

7

3,a

8

3,б

Например, цифра 3 означает, что предназначенная для проектирования схема изображена на рис. 2,а; это нереверсивный тиристорный агрегат трехфазной нулевой схемы.

Вторая цифра определяет номинальную мощность, исходя из табл. 2.

Таблица 2

Вторая цифра

Номинальная мощность, кВт

1

50

2

100

3

125

4

150

5

200

6

250

7

320

8

350

Например, цифра 7 означает, что задана номинальная мощность 320 кВт.

Третья цифра определяет диапазон регулирования скорости (табл.3)

Таблица 3

Третья цифра

Диапазон регулирования скорости

1

15

2

20

3

25

4

30

5

32

6

35

7

40

8

45

Например, цифра 5 означает, что задан диапазон 32.

Остальные заданные величины добавляются в таблицу исходных технически данных, приведенных ниже. Таким образом, пункты 1 и 7 определяются шифром, остальные определяются  по исходным техническим данным.

Исходные технические данные

  1.  Номинальная мощность ДПТ, например, согласно шифру 373, Рн=320 кВт.
  2.  Номинальное напряжение якоря Uн =154 В.
  3.  Напряжение питающей сети U1=10/6 кВ. Возможные колебания первичного напряжения
  4.  Схема силовой части ТП - шестифазная схема с уравнительным реактором (схема Кюблера).
  5.  Способ подключения преобразователя к первичной сите - через согласующий трансформатор.
  6.  Схема соединение обмоток трансформатора: звезда ноль-двойная звезда (Y0/Y0-Y11).
  7.  Диапазон регулирования скорости ДПТ- например, согласно шифру 375   - 32.
  8.  Допустимые пульсации тока якоря
  9.  Допустимый граничный ток
  10.  Кратность тока якоря при срабатывании токоограничения

 2. Выбор оптимальных схемных решений

2.1. Обзор типовых схемных решений, применяемых в серийно выпускаемых преобразователях

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 с 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-идуктивную) 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.

Проведем краткий обзор схем силовых тиристорных преобразователей постоянного тока, нашедших применение в промышленных установках в России.          

 

  а      б

Рис.1: а - нереверсивный тиристорный преобразователь по полупроводниковой схеме выпрямления; б - реверсивный тиристорный преобразователь с реверсом цепи нагрузки.

Наиболее простыми и дешевыми являются преобразователи постоянного тока, выполненные по схеме однофазного мостового полууправляемого выпрямителя (рис. 1,а). При питании от сети напряжением 380 В выходное напряжение преобразователя достаточно хорошо согласуется с номинальными напряжениями двигателей постоянного тока, равными 254 В и 220 В. При питании установки от фазного напряжения Uф =220 В номинальное выпрямленное напряжение может равняться 110 В и 60 В. Согласующие трансформаторы в однофазных преобразователях в этих случаях не применяются, а ограничение аварийных токов в системе достигается установкой токоограничивающего реактора LR1, что существенно уменьшают стоимость преобразователя по сравнению с трансформаторным вариантом. Для подавления пульсаций в цепи постоянного тока применяют дополнительный фильтрующий реактор LF1.  Рассмотренная схема либо ее вариант с использованием четырех тиристоров (с заменой диодов VD1 и VD2 на тиристоры VS3 и VS4) применяются в комплектных тиристорных преобразователях серий ЭТ1 и БУ при мощности нагрузки до 5 кВт, а также в однофазных тиристорных агрегатах АТО, имеющих диапазон выходных мощностей от 0,7 до 22 кВт. В реверсивных вариантах этих тиристорных преобразователей (БУ-3601 и АТОР) применяют реверсоры в цепи нагрузки (тиристоры VS5-VS8 на рис.1,б).

Повышение быстродействия и снижение пульсаций в выпрямленном напряжении достигается за счет увеличения фазности (пульсности) схем выпрямления. Так, в широко используемых тиристорных преобразователях серий ПТ, ЭТ3, ЭТ6 и БТУ-3501 нашли применение трехфазные нулевые (рис.2, а), шестифазные нулевые (рис.2,б) и трехфазные мостовые (рис.2, в,г) схемы выпрямления. Диапазон выходных мощностей этих преобразователей лежит в пределах от 0,5 до 200 кВт, причем трехфазные нулевые схемы используются в диапазоне от 0,5 до 20 кВт, шестифазные от 6 до 120 кВт, а трехфазные мостовые от 20 до 200 кВт. Источником первичного напряжения является сеть напряжений 380/220 В.

  а       б

Рис.2: а - нереверсивный тиристорный агрегат трехфазной нулевой схемы; б - нереверсивный тиристорный агрегат по шестифазной нулевой схеме.

Комплектные тиристорные устройства серий КТУ, КТЭ и тиристорные комплектные  преобразовательные агрегаты серий ТР3, ТП3, ТЕР3, ТПР3, 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 (рис.2,в) или трехфазный согласующий трансформатор (рис.2,г). Трехфазная мостовая схема положена в основу и модифицированных комплектных электроприводов КТЭ с естественным охлаждением тиристоров,  заменивших выпускавшиеся до этого агрегаты АТ, АТР, АТВ, 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. ..   в       г

Рис.2: в - нереверсивный тиристорный агрегат по трехфазной мостовой схеме с токоорганичивающими реакторами.

Для повышения КПД и уменьшения влияния на других потребителей силовые агрегаты питаются от сети напряжением 10/6 кВ через индивидуальные согласующие трансформаторы. Увеличение мощности достигается за счет последовательного либо параллельного  соединения вентильных секций, каждая из которых выполнена по трехфазной мостовой схеме.

Как при последовательном (рис.3, а), так и при параллельном (рис. 3,б) соединении секций, их питание осуществляется от двух вторичных обмоток трансформатора TV1 (либо двух самостоятельных трансформаторов), собранных по различным схемам. Этим достигается сдвиг кривых выходных напряжений секция на угол /6 и получение результирующего двенадцатифазного выпрямленного напряжения. При параллельном соединении секций часто применяются уравнительные двухфазные реакторы (LE на рис.3,б), что обеспечивает выравнивание токов между секциями и увеличение продолжительности открытого состояния тиристоров (угол ) в режиме непрерывного тока от /3 до 2/3.

     а

Рис. 3, а : нереверсивный тиристорый агрегат по двенадатифазной схеме с последовательным соединением трехфазных мостов.

Из приведенного краткого обзора тиристорных выпрямителей, выпускавшихся до настоящего времени отечественной промышленностью, следует, что в серийных тиристорных преобразователях находят широкое  применение все основные виды схем выпрямления. Поэтому при выдаче варианта технического задания на проектирование могут быть рекомендованы все приведенные выше схемы.

     б

Рис.3,б. Нереверсивный тиристорный агрегат по двенадцатифазной схеме с параллельным соединением трехфазных мостов через уравнительный реактор.  

 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 (рис.4) выпрямителем (СЧВ) поступает управляющее напряжение Uy, где оно преобразуется в соответствующее значение угла открытия тиристоров . Изменение ведет к регулированию выходного напряжения тиристорного блока  Ud. Кривая выпрямленного напряжения Ud(t) может содержать значительные пульсации, что требует сглаживания выходного напряжения, осуществляемого блоков фильтрации (БФ). Согласование уровня первичного сетевого напряжения U1 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).

Рис.4. Блок-схема тиристорного преобразователя, где

РПФ - радиоподавляющий фильтр; БКА - блок коммутационной аппаратуры; УТВ - управляемый тиристорный выпрямитель; БФ - блок фильтров; СУВ - система управления выпрямителем.

 2.3. Пример описания работы выбранной схемы выпрямления

В качестве примера приводится описание работы УТВ по схеме Кюблера. Если в задании указаны другие схемы, они могут быть описаны по аналогичной методике.

На рис. 5 представлен управляемые выпрямитель по схеме Кюблера, а на рис.6 - временные диаграммы напряжений и токов этой схемы. Как и  шестифазный нулевой выпрямитель, схема Кюблера выполнены на двух трехфазных нулевых схемах, каждая из которых подключены к собственной вторичной обмотке трансформатора. Как известно, в нулевых схемах выпрямления проводит ток тот вентиль, анодное напряжение которого максимально. Это обуславливает поочередную работу шести вентилей нулевой схемы с длительностью горения (проводящего состояния) равной 2/6. В схеме Кюблера две трехфазные нулевые схемы выпрямления соединены через уравнительный реактор LE1.  Схему выпрямления на тиристорах VS1б VS3 и VS5 назовем нечетной группой, а на тиристорах VS2, VS4 и VS6  - четной группой.

Рис. 5. Щестифазная нулевая схема выпрямления с уравнительным реактором (схема Кюблера).

Пусть в какой-то момент напряжения обеих групп равны. Это соответствует любому моменту пересечения фазных синусойд на диаграмме Ud(t) на рис.6. Две группы в этот момент работают параллельно на общую нагрузку. Однако уже через малое время напряжение одной из групп, например е1, превышает напряжение второй группы е2. Тем не менее, это не приводит к запиранию открытого в этот момент тиристора второй группы, как в шестифазной нулевой схеме, т.к. вступает в действие уравнительный реактор. Разность напряжений трехфазных групп вызывает появление ЭДС самоидукции на обмотках реактора еL= е1- е2. К каждой выпрямительной группе прикладывается половина еL, причем в контуре (второй) первой группы эта половина ЭДС действует против е1, а в контуре второй группы согласно с е2. Таким образом, напряжения в контурах групп продолжают оставаться равными между собой. По теореме об эквивалентном генераторе эквивалентная ЭДС двух генераторов напряжения, работающих на общую нагрузку, равна полусумме ЭДС генераторов. Это показано в рис.6, где кривая Ud(t) построена как полусумма кривых е1 и е2. Очевидно, что средневымпрямленное напряжение схемы Кюблера равно средневыпрямленному напряжению трухфазной нулевой схемы, т.е.  Результирующая кривая выпрямленного напряжения с точки зрения частоты и относительной амплитуды пульсаций эквивалентна трехфазной мостовой схеме (частота пульсаций fп=6f1=300 Гц, а относительная амплитуда первой гармоники ).

 

Рис.6. Временные диаграммы, иллюстрирующие работу схемы Кюблера.

Каждая из трехфазных групп схемы Кюблера нагружена половиной тока нагрузки (кривая id(t)). В каждой группе коммутация (переход тока с вентиля на вентиль) происходит через угол 2/3. Это определяет форму тока через вентиль с длительностью проводящего состояния = 2/3 и амплитудой прямоугольного тока при  активно-индуктивной нагрузке Ivm=Id/2 (кривая ivs1(t)).  Вентиль VS4, подключенный к обмотке a3x3, включается со сдвигом на угол относительно момента включения VS1. Так как вторичные трехфазные схемы обмотки имеют разные схемы соединения, то токи ivs1 и ivs4 намагничивают стержень первого трансформатора в разные стороны. Это объясняет форму тока в первичной обмотке (кривая i1(t)). В отличие от нулевых схем в схеме Кюблера отсутствие явление однонаправленного подмагничивания сердечников трансформатора, что позволяет соединять обмотки как в звезду, так в и треугольник.

Если в задании указаны другие схемы соединения, их особенности работы могут быть взяты из рекомендованной литературы.

 2.4.  Обоснование выбора схемы выпрямления

Обоснование выбора схемы выпрямления приведено на примере обоснования целесообразности применения схемы Кюблера. Их обзора схем выпрямления, приведенного выше, следует, что нулевые схемы выпрямления, включая схему Кюблера, рекомендуется применять при низких значениях выпрямленного напряжения Ud. Обычно к низким значениям относят напряжения 24, 40, 60, 110 В, в некоторых случаях 154 В. Это связано с  тем, что при низких значениях выпрямленного напряжения Ud существенное влияние на КПД преобразователя оказывает падение напряжения на тиристорах.

Можно приблизительно оценить КПД выпрямителя

                        (1)

где Uvs - падение напряжение на тиристоре в открытом состоянии (1,5 В); n - число тиристоров последовательно проводящих ток нагрузки и в выпрямительной схеме (для мостовых схем n=2 или 4, для нулевых схем n=1).

Рассчитаем зависимость КПД как функции от Ud для нулевых и мостовых схем (табл. 5).

Таблица 5

Ud

В

24

40

60

110

154

220

354

утв

n=1

0,940

0,960

0,975

0,986

0,990

0,993

0,995

утв

n=2

0,890

0,930

0,952

0,973

0,981

0,986

0,992

Очевидно, что для выпрямителей с Ud220 В влияние n становится не столь существенным, а КПД определяется потерями в других элементах: трансформаторах, дросселях и др. Согласно обзору, приведенному выше, трехфазные нулевые схемы могут быть рекомендованы в низковольтных преобразователях на тока до 150-200 А, шестифазные нулевые схемы в низковольтных преобразователях на токи до 500-600 А. Схема Кюблера находит применение на токи до несколько тысяч ампер при напряжениях Ud, не превышающих обычно значений 150-200 В. Последнее объясняется тем, что тиристоры в схеме Кюблера имеют наилучшие показатели по току ( в табл. 6 - Iос, ср - среднее за период значение тока через тиристор в открытом состоянии, Iос - действующее значение тока через тиристор в открытом состоянии ).

Таблица 6

Схема выпрямления

Трехфазная нулевая

1/3

1/=0,577

Шестифазная нулевая

1/6

1/2=0,410

Схема Кюблера

1/6

1/2=0,288

Трехфазная мостовая

1/3

1/=0,577

Из табл.6 видно, что загрузка тиристора по току при равных значениях Id  в схеме Кюблера вдвое меньше, чем в трехфазных системах, и меньше, чем в шестифазной нулевой схеме.

Если, например, для проектируемой схемы преобразователя согласно техническому заданию, имеем  Ud =Uян=154 В, а Id=Pd/Ud=2080 A,  то преобразователь может быть отнесен к классу низковольтных. Применение схемы Кюблера в данном случае является наиболее целесообразным.

 3. Выбор основных элементов силовой схемы

 3.1. Определение параметров нагрузки

Номинальный ток якоря в двигателей можно рассчитать по формуле

где д - коэффициент полезного действия двигателя.

Для ориентировочных расчетов можно рекомендовать таблицу значений КПД для двигателей различной мощности (табл. 7).

Таблица 7

Рн, кВт

1-5

5-20

10-100

100-500

500-10000

д,%

87-91

90-92

92-94

94-96

96-98

Для проектируемого в качестве примера преобразователя с Рн=320 кВт имеем д=95%

A.

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

                                            (4)

Ом.     

Индуктивность якорной цепи оценим по формуле Лицвилля

                                          (5)

где р -  число пар полюсов двигателя, н - номинальная частота вращения, К1 - расчетный коэффициент, принимаемый равным:

0,6 для некомпенсированных машин с Рн5-10 кВт,

0,25 для компенсированных машин с большой мощностью.

Значение рн для общепромышленных машин ДПТ серий П2 и П4 можно принять равным 314 с-1.

мкГн.

 3.2. Расчет 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 выпрямленной напряжением, обозначенное Udo. Так как у идеального выпрямителя нет внутреннего падения напряжения, то Udodo=Uян, где Еdo - внутренняя ЭДС выпрямительной схемы при =0. Очевидно, что при нагрузке га выходе выпрямителя R  - либо RL типа мощность, отдаваемая преобразователем, и загрузка его элементов будут максиммальными при =0. Поэтому выбор элементов преобразователя производится в данном режиме его работы.

Кроме указанных выше допущений считаем, что ток нагрузки id(t) идеально сглажен, т.е. id(t)=Id=const. Это является ошибочным предположением при RL-нагрузке либо двигательной нагрузке. При работе на ДПТ допустимый пульсации в кривой выпрямленного тока id(t) как правило не должны превышать 5%. При больших уровнях пульсаций 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 Udo  и вторичным напряжением трансформатора (для идеального трансформатора U) устанавливается на основании соотношения

                                 (6)

где m - число пульсаций в кривой выпрямленного напряжения ud(t) за период сетевого напряжения 2.

Для нулевых схем на основании выражения (6) выведена общая расчетная формула

.                                         (7)

Выражение (7) позволяет определить коэффициенты согласования по напряжению для различных схем выпрямления

.                              (8)

Численное значение  Ксх,U для ряда схем, рассчитанное по выражениям (6) и (8), приведены в табл. 8.

Основными показателями при выборе тиристоров по напряжению является значение максимального напряжения, прикладываемого к тиристору в закрытом состоянии - Uзс,max. Отношение Uзс,max/Edo назовем коэффициентом использования вентилей по напряжению КVU. Очевидно, что при  заданном Edo чем ближе КVU к единице, тем на меньшее напряжение выбираются тиристоры по каталогу. Для большинства трехфазных схем выпрямленное значение UV, max определяется амплитудой вторичного линейного напряжения (Uзс,max=U2лm). Исключение составляет шестифазная нулевая схема, для которой Uзс,max=2U2Фm. Схема Кюблера при малых токах нагрузки может перейти в режим, эквивалентный режиму работы шестифазной схемы. Поэтому при выборе тиристоров для нее также применяют соотношение Uзс,max=2U2Фm. Используя известное соотношение амплитуд и действующих значений напряжений в трехфазной симметричной системе U2лm= и выражение (6), были рассчитаны численные значения КVU для основных схем, приведенных в табл.8.

Выбор тиристоров по току в идеальной схеме осуществляют по предельно возможному значению среднего тока, протекающем через него

                                          (9)                                                

где -угол проводимости тиристора, определяемый по диаграммам работы схемы.

Учитывая, что для большинства схем (за исключением схемы Кюблера) iV(t)=Iян=const

IVcp=Iян                                                  (10)

а для схемы Кюблера

IVcp=Iян .                                                  (11)

Обычно токовую загрузку тиристоров определяют через коэффициент использования тиристоров по току

                                      (12)

Численные значения этого коэффициента анализируемых схем приведена в табл.8.

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

.                                   (13)

Относительное значение действующего тока вентилей

                                 (14)

рассчитано на основании (13) и приводится в табл. 8.

 3.3. Выбор силового трансформатора

Выбор силовых трансформаторов преобразовательных схем осуществляется по каталогам, исходя из следующих данных:

схема соединения обмоток трансформатора;

значение первичного напряжения U/U;

значение вторичного фазного напряжения U(или Е для идеального преобразователя). Последнее определяется по (6), (7), (8) и данным табл.8.;

расчетное значение типовой мощности трансформатора

                                 (15)

где m1, m2 - числа фаз первичной и вторичной обмоток соответственно.

Относительное значение типовой мощности трансформатора назовем коэффициентом использования трансформатора в выпрямительной схеме

                                       (16)

Рассчитанные на основании (15) и (16) численные значения Ксх,p , приведены в табл.8.

 

 3.4. Пример расчета преобразователя

Всем расчетным параметрам присвоим индекс “и”, что означает, что расчеты выполнены для идеальной схемы.

Используя данные табл.8 и соответствующие расчетные формулы для  проектируемого преобразователя получим:

  1.  Действующее значение ЭДС вторичных обмоток трансформатора       В.
  2.  Максимальное напряжение, прикладываемое к тиристору в закрытом состоянии  В.
  3.  Среднее значение тока через тиристор  А.
  4.  Эффективное значение тока через тиристор  А.
  5.  Типовая мощности трансформатора  кВА.

 3.5. Определение параметров силовых условий эксплуатации

При эксплуатации тиристорынх преобразователей в реальных условиях возникают отклонение напряжения и тока  от расчетных значений за счет неидеальности элементов схем и действия внешних возмущений (колебаний сетевого напряжения, температуры окружающей cреды Tcp и воздействия токовых перегрузок). На стадии проектирования при определении параметров схем вводят ряд коэффициентов запаса, каждый из которых позволяет учесть влияние определенных эксплуатационных факторов.

Уточнение величины фазного напряжения на вторичных обмотках трансформатора осуществляется с помощью выражения

                                      (17)

где Кн1 - коэффициент запаса по напряжению, учитывающий возможное снижение напряжение сети , заданное в ТЗ    - коэффициент запаса, учитывающий возможное снижение выпрямленного напряжения за счет отклонения управляющих импульсов от их расчетного положения. Для синхронизации многоканальных систем управления обычно принимают =1,05, а для цифровых (при высокой разрядности) и одноканальности синхронных систем =1,02-1,03; КR - коэффициент запаса, учитывающий внутреннее падение напряжения в ТП.

Обычно принимают

{

 1,04 - для схемы Кюблера,

КR=1,05 - для вариантов 1а, 2а, 3 и 5б,   

 1,06 - для вариантов 2б и 5а.  

Для проектируемой схемы Кюблера принимаем = 1,05, Kн1=1,15, KR=1,04. Тогда получим U=   В.

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

                                     (18)

где К11 - коэффициент запаса,  учитывающий возможные длительные технологические перегрузки (обычно равен 1,15-1,2); К12 - коэффициент запаса, учитывающий возрастание действующих значений токов в трансформаторе из-за пульсаций тока якоря, который можно оценить по выражению

                                             (19)

где  - значение допустимых пульсаций тока якоря, заданное в ТЗ; К13 -  коэффициент запаса, учитывающий протекание в первичных обмотках намагничивающего тока Iн. Последний обычно принимают равным току холостого хода трансформатора Ixx, значение которого приводится в технических данных трансформаторов. Для ТП, работающего в составе электроприводов с широким диапазоном регулирования скорости (D10:1), на этапе предварительного расчета можно ориентировочно принять равным значениям, приведенным в табл.9.

Таблица 9

Рн

кВт

1-10

10-100

100-1000

К13

1,08-1,12

1,04-1,08

1,02-1,04

В последствии К13 уточняется на основании технических данных трансформатора.

Кр - расчетный коэффициент, приведенный для рассматриваемых вариантов схем в табл.8. При это коэффициент трансформации рассчитывается по приближенному выражению Кт=U1/U. В качестве U1 выбирается линейное или фазное первичное напряжение согласно ТЗ и схеме трансформатора в табл.8.

Значение типовой мощности трансформатора с учетом эксплуатационных факторов рассчитаем по выражению

                    (20)  

где Кр1- коэффициент запаса по мощности, обеспечивающий устранение явления насыщения стали. Так как из рассматриваемых схем явление подмагничивания стали имеет место только в трехфазной нулевой схеме (вариант 2а), то для этого варианта Kp1 =1,2 а для остальных вариантов Кр1=1.

 3.6. Пример расчета трансформатора с учетом коэффициента запаса

Определяем значение коэффициента трансформации  В. Определяем значение коэффициентов запаса: Кт1=1,17;  K13=1,03;  Тогда линейный ток, потребляемый из сети, составит  А.

Определяем значение типовой мощности трансформатора  кВА.

 3.7. Практические рекомендации по выбору трансформаторов

В электротехнических справочниках приведены технические параметры некоторых серийных трансформаторов, которые могут быть применены в проектируемых схемах ТП.

Для однофазных мостовых преобразователей применение согласующих трансформаторов рекомендуется при выходных выпрямленных напряжениях Ud = 24, 36, 48, 60, 100 В. При напряжениях Ud= 115 и 154 В работе ТП обеспечивается при подключении к однофазному сетевому напряжению U1 =22 В через токоограничивающие реакторы, а при Ud = 220 и 254 В при подключении через реакторы к линейному напряжению U1 =380 В. Для двухполупериодных однофазных преобразователей  рекомендуются однофазные трансформаторы. Трехфазные трехобмоточные трансформаторы серии ТТ в серийном исполнении имеют схему соединения “треугольник-двойная звезда”.

При проектировании конкретного варианта ТП можно допустить изменение схемы соединения обмоток. Это предоставляет разработчику широкие возможности по использованию трансформаторов ТТ во многих вариантах ТП. Так, при последовательном соединении вторичных фазных  обмоток можно образовать на стороне вторичного напряжения новые варианты соединения: звезда, треугольник, зигзаг. При этом новые значения вторичного линейного напряжения будут соответственно равны:

                   

где U2лс - значение вторичного линейного напряжения серийного трансформатора, приведенное в графе U серийного трансформатора. Это позволяет применять трансформаторы ЕЕ для ТП по вариантам 2а, 2б, 5а, 5б. Естественно, трансформатор может применяться без дополнительных переключений для ТП по вариантам 3 и 4.

Все вышесказанное относится к сухим трехобмоточным трансформаторам серии ТС. Эти трансформаторы имеют два варианта исполнения первичной обмотки: с соединением “звезда” и с соединением “треугольник” с подключенным к сети напряжением 380 В. Последний вариант допускает пересоединение в “звезду” с подключением к сети 660.380 В, если данное напряжение сети предусмотрено ТЗ.

Сухие трансформаторы серий ТСП и ТСЗП выполнены по схеме “звезда ноль - звезда одиннадцать” и  предназначены для ТП по трехфазной мостовой схеме с выпрямленным напряжением Ud=154, 230, 354, 460 и 660 В либо по трехфазной нулевой схеме с Ud = 115, 160, 230 и 330 В. Вторичные обмотки допускают пересоединение в “треугольник” со снижением линейного напряжения в  раз.

У всех классов рассмотренных трансформаторов допускается регулирование напряжения на вентильных обмотках в пределах 5%. Это осуществляется переключением ответвлений сетевой обмотки на доске зажимов (щетке) при снятой нагрузке и отключением трансформатора от сети. Данная регулировка у трансформаторов называется подрегулировка без возбуждения (ПБВ).

Для уменьшения влияния преобразовательных агрегатов на цеховые сети напряжением 380/220 В и улучшения энергетических показателей питания ТП мощностью 400 кВА и выше осуществляется при более глубоком вводе от сети напряжением 10/6 кВ.

Таким образом, условия выбора конкретного трансформатора формулируются так:

первичное линейное напряжение серийного трансформатора U1лс должно соответствовать напряжению первичной сети U, определенному в ТЗ, т.е. U1лс=U;

номинальная мощность серийного трансформатора Sнс не должна быть меньше требуемой мощности, определенной по выражению (20), т.е. Sнс Sт;

Схема соединения обмоток трансформатора и его основные конструктивные решения (число фаз первичных обмоток, число вторичных обмоток) должны соответствовать схеме, заданной в ТЗ;

определенное в п.3.5 значение фазного напряжения вентильных обмоток трансформатора U должно соответствовать номинальному фазному напряжению вторичных обмоток серийного трансформатора, т.е. U=U2фс. Применяя отмеченные выше переключения вторичных обмоток, удается расширить число возможных вариантов напряжения вторичных обмоток. Кроме того, наличие у трансформаторов ПБВ позволяет сделать условие U=U2фс менее жестким, так как U2фс может приобретать за счет переключения отпаек три значения: 0,95 U2фс, U2фс и 1,05 U2фс. Если U не соответствует ни одному из возможных вариантов при выполнении требований по этим пунктам, то осуществляется перерасчет параметров вторичной обмотки серийного трансформатора на новое вторичное напряжение.

 3.8. Выбор тиристоров

Основным параметром, по которому осуществляется выбор тиристоров для преобразователей, работающих на частотах 5-1000 Гц, является предельно допустимый средний ток, протекающий через прибор в открытом состоянии (Iос,ср). Этот ток для унифицированных низкочастотных тиристоров серии Т определяется на заводах-изготовителях экспериментально в классификационной однополупериодной схеме выпрямителя при работе на активную нагрузку при а=0. Следовательно, Iос,ср - это постоянная составляющая однополупериодной волны синусоидального тока

                               (21)

При этом за номинальное значение принимают такой ток Iос,ср, который разогревает полупроводниковую структуру прибора до предельной рабочей температуры Tп, max при определенных условиях охлаждения. Значение Iос,ср, определенное при принудительном охлаждении с номинальными скоростью и температурой охлажденного воздуха, указываются в обозначении тиристора.

Например, Т133-320 - это низкочастотный унифицированный тиристор, который при принудительном охлаждении с номинальными параметрами способен пропустить в однополупериодной схеме выпрямления средний ток не более 320 А (цифра 133 определяет конструктивное выполнение). При других условиях охлаждения или другой форме тока значение Iос,ср может существенно отличаться от паспортного.

Первая задача, которую решает разработчик при выборе тиристоров - определением условий их охлаждения.

По действующим нормативным документам при проектировании тиристорных выпрямителей, подключаемых к промышленным сетям, рекомендуется применение принудительного охлаждения тиристоров при выходной мощности преобразователя Pd250 кВт при напряжениях Ud200 В. Для низковольтных выпрямительных установок принудительное охлаждение применяется при I1200-1500 А.

При меньших мощностях (токах) применяется естественные охлаждения тиристоров. Радиаторы (охладители), на которых закрепляются тиристоры, охлаждаются естественными восходящими конвенционными потоками без  принудительного обдува. Но основе данных рекомендаций осуществляется выбор условий охлаждения тиристоров в проектируемой установки. В тиристорных преобразователях, подключаемых к промышленным сетям, рекомендуется использовать унифицированные низкочастотные тиристоры серии Т. Для обеспечения выбора конкретного типа тиристора значение Iос,ср  для всех тиристоров этой серии при принудительном и естественном охлаждении приведены в табл.10.

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

Iv,ср,m=KI1КI2Кv1Iян,                                         (22)

где KI1 и КI2 - коэффициенты запаса по току, физический смысл и рекомендуемые численные значения которых приведены в пояснениях к выражению (18), а значения коэффициентоа по току Кv1 даны в табл.8. Далее по данным табл.10 подбирают тиристор и тип охладителя, исходя из условия Iос,ср Iv,ср,m. Причем ближайшее большее значение Iос,ср выбирается из столбца при соответствующих условиях охлаждения.

При работе выбранного тиристора в реальном преобразователе условия его работы, как правило, отличаются от классификационных. Эти отли-

Таблица 10

Тип тиристора

Тип охлаждения

Iос,ср при принудительном охлаждении

Iос,ср при естественном охлаждении

Т112-10

Т112-16

0111-60

10

16

4

6

Т122-20

Т122-25

0221-60

20

25

12

14

Т132-16

Т132-25

0131-60

16

25

9

12

Т132-16

Т132-25

0231-80

16

25

11

14

Т132-40

Т132-50

0231-80

40

50

19

21

Т142-32

Т142-40

Т142-50

0141-60

32

40

50

13

14

15

Т142-32

Т142-40

Т142-50

Т142-63

Т142-80

0241-80

32

40

50

63

80

15

17

29

24

27

Т151-100

0151-80

100

30

Т161-125

Т161-160

0171-80

125

160

45

49

Т171- 200

Т171-250

Т171-320

0181-110

200

250

320

75

80

85

Т123-200

Т123-250

Т123-320

0123-100

200

250

320

75

85

95

Т133-320

Т133-400

0143-150

320

400

100

120

Т133-400

0А-026

400

100

Т143-400

Т143-500

Т143-630

0243-150

400

500

630

160

180

205

Т153-630

Т153-800

Т253-800

Т253-1000

Т253-1250

0153-150

630

800

800

1000

1250

180

210

200

250

250

чия касаются формы и длительности тока, протекающего через тиристиор и температуры охлаждающей среды. Воспользуемся выражением для определения среднего допустимого тока

                   (23)

где  Тп, max - допустимая рабочая температура полупроводниковой структуры (для унифицированных тиристоров принимают равно 125 оС); Тс - температура охлаждающей среды ( температура воздуха при классификационных испытаниях принимается равной 40оС); RT(П-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 Кф=/2=1,57); Uo - пороговое напряжение тиристора; rдин - динамическое сопротивление тиристора в открытом состоянии. Используя выражение (23) для классификационной схемы, можно определить значение RТ,(П-С)  для выбранного охладителя

                          (24)

Для определения  в реальных условиях эксплуатации вновь используем выражение (23), подставив в него рассчитанное по выражению (24) значение RТ,(П-С) и новые значения Кф и Тс,max.

Если ТС особо ТЗ не оговаривается, а преобразователь предназначен для работы в цеховых условиях для средней полосы России, то в летний период температура охлаждающего воздуха по кожухом преобразователя может достигать Тсmax=50-55oC. Зависимость Кф=f() представлена в табл. 11.

Таблица 11

рад

2/3

/2

/3

Кф

__

1,41

1,73

2,0

2,45

Обычно рассчитанное для новых условий значение  оказывается несколько меньше, чем выбранное из табл.10. Поэтому надо проверить условие (22). Если условие не выполняется, то выберем тиристор на больший ток, и вновь повторим расчет по выражениям (23) и (24). Для мощных ТП часто используют параллельное соединение тиристоров.

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

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

Uзсп (VDRM) - допустимое постящееся импульсное напряжение между анодом и катодом в закрытом состоянии;

Uобрп(VRRM) - повторяющееся допустимое импульсное напряжение в обратном направлении.

Унифицированные низкочастотные тиристоры выпускаются равными значениями этих параметров Uзсп= Uобрп. Тиристоры могут иметь Uзсп в пределах от 100 до 2000 В с  дискретными значениями параметра через 100 В. Значение Uзсп в сотнях вольт называются классом тиристора по напряжению. Тиристоры могут иметь класс от 1 -го до 20-и. С повышением класса стоимость прибора возрастает. Следовательно избыточный запас при выбора тиристора по напряжению экономически неоправдан. К тиристору в условиях эксплуатации прикладываются:

  1.  рабочее напряжение с амплитудой Up,max;
  2.  периодические импульсные перенапряжения с амплитудой Um,max;
  3.  непериодические перенапряжения с амплитудой Uнеп,max.

Каждое из этих перенапряжений не должно превышать соответствующий показатель тиристора

{

Up,maxUзср

Um,maxUзсп                                            (25)

Uнеп,maxUзснп,

где Uзср - предельно допустимая для тиристора амплитуда периодических рабочих напряжений; Uзснп - предельная амплитуда импульсного периодического перенапряжения, возникающего вследствие импульсных всплесков.

Для унифицированных тиристоров серии Т существует жесткая связь между тремя указанными параметрами. Для  тиристоров от Т112-10 до Т142-80 характерны соотношения

Uзср =0,6 Uзсп  иUзснп=1,1 Uзсп                             (26)

а для тиристоров от Т151-100 дл Т253-1250

Uзср =0,7Uзсп   и Uзснп=1,12 Uзсп .                            (27)

Соотношения (25)-(27) позволяют определить искомые параметры по напряжению, если рассчитать максимально возможную амплитуду рабочего напряжения

Up,maxн1Кн2ККRKmUян.                                      (28)

Кн1 , К , КR определены в пояснении к (17).

Определив Up,max, можно рассчитать основной параметр тиристора по напряжению, используя выражения

где [...] - означает целую часть числа, заключенного в скобки, а Кзн - коэффициент соотношения рабочего и периодического напряжений, равный 0,6 либо 0,75 в соответствии с разъяснениями к (26) и (27).

 3.9. Пример расчета и выбора тиристоров

Выходная мощность проектируемого преобразователя при номинальное нагрузке двигателя составит  Вт при рабочем номинальном напряжении Uдн=Uян=154 В. Согласно (22) максимальное значение среднего тока через тиристор составит IV,cp,max=1,151,021/62187=428 А. В соответствии с Ioc,cp428 А в графе допустимых средних токов при принудительном охлаждении (табл.6) выбираем значение Ioc,cp=500 А, которое является основным токовым параметром тиристора Т143-500 при использовании серийного охладителя 0243-150 и при номинальных условиях охлаждения (скорость потока воздуха V=12 м/c, температура охлаждающего воздуха Тс=400С).

Основные технические данные тиристора Т143-500:

максимально допустимый средний ток в классификационной схеме Ioc,cp=(ITAVM)=500 А;

ударный неповторяющийся ток в открытом состоянии Ioc,уд=(ITSM(10))=10 кА, при tп=(ti)=10 мс и Тп,max=125oC;

критическая скорость нарастания анодного тока  А/мкс;

критическая скорость нарастания анодного напряжения: в закрытом состоянии  при Uзср=0,67Uзсп и Тп=125оС по группам:

Группа

-

4

5

6

7

В/мкс

200

320

500

1800

пороговое напряжение в открытом состоянии Uo=(UT(TO))1,1 В;

максимальная температура перехода при отсутствии перегрузок Тп,max=(TJm)=125oC;

динамическое сопротивление в открытом состоянии rдин=(rT)0,5710-3 Ом;

время включения tвкл=(tdt) 25 мин;

время выключения tвыкл=(tdt) 500 мин при Тп=125 oC;

отпирающее напряжение управления tу,от=(tGT) 3,5 В при Тп=25 oC и Uзс=12 В ;

ток удержания в открытом состоянии Iзсп=(IРRM) 30 мА;

повторяющийся импульсный обратный ток Iобрп=(IRRM) 30 мА;

повторяющееся импульсное напряжение в закрытом состоянии Uзсп=(UPRM)=(URRM)=400-1600 В;

 

На основании полученных данных рассчитаем полное сопротивление “переход-среда”, используя выражение (24)

Для проектируемого преобразователя продолжительность открытого состояния тиристоров в режиме непрерывного тока составляет =2/3. Тогда по таб.11 имеем Кф =1,73. Принимаем предельно возможную температуру охлаждающего воздуха для цеховых условий Тс равной 50оС. Определяем значение Ioc,cp для тиристоры Т143-500 при измененных условиях эксплуатации, используя выражение (23)

А.

Полученное значения удовлетворяет неравенству ( ), что подтверждает правильность выбора тиристора оп току.

Максимально возможная амплитуда периодического напряжения в схеме Кюблера составит

В.

Тогда в  имеем

В.

Значит выбираем тиристор 7-го класса по напряжению с параметрами Uзснп=1,12Uзсп=7848;   Uзсп=700 В; Uзср=0,75Uзсп=525 В.

Часть 2

Расчет надежности силовой части тиристорного преобразователя

 

Расчет надежности осуществляется для одной из схем, данных в задании на основании результатов, полученных в первой части курсового проекта. Возможно также использование материалов курсовокго проектирования, проведенного ранее в рамка дисциплин “Промышленная электроника” и “Автоматизированный электропривод”. При проектировании необходимо активно пользоваться конспектом лекций по дисциплине “Надежность систем автоматического управления” и рекомендуемой литературой.

В качестве пример во второй части пособия приведен расчет надежности трехфазного мостового выпрямителя, работающего на обмотку возбуждения двигателя постоянного тока.

 4. Расчет надежности трехфазной мостовой схемы выпрямления

 4.1. Расчетное задание

Рассчитать  наработку до отказа трехфазной мостового выпрямителя (рис.7), работающего на обмотку возбуждения двигателя постоянного тока; напряжение сети переменного тока 380/220 В, напряжение сети постоянного тока U =220 В, номинальное значение тока обмотки возбуждение IdH=21 A; условия эксплуатации - цеховые; считать, что поток отказов - простейший.

 

Рис.7. Трехфазный мостовой выпрямитель

 4.2. Формулировка отказов

Под отказом в проектируемом источнике питания понимается 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. Расчет параметров схемы

 4.3.1. Вентильная группа

Средний ток вентилей

IVCP=Id/3=21/3 =7A.

Учтем коэффициент запаса за счет нестандартной формы тока - Кз=1,1.

Условие выбора вентилей по току

IпКзIVCP=1,17=7,7 A.

Ближайший диод по справочнику - ВД-10; IП =10 А.

Максимальное рабочее напряжение на вентиле

UVm=U2лин=1,057Udo=1,057220 = 232.

Учтем возможное повышение напряжения сети на 10% и введем 20% запас на перенапряжение - Кз1=1,1, Кз2=1,2. Условие выбора диодов по напряжению

UППКЗ1КЗ2UVm=1,11,2232=304,3.

Выбираем диоды четвертого класса.

Для данного типа диодов (по таблице)- VO=(0,5-1,5) 106 1/час.

4.3.2. Трансформатор силовой согласующий

U=UdO/1,34=220/2,34=94 В; Ктр=U/U= 220/94=2,34

ST=1,057(UdH IdH)/(TPпреобр)=1,057(22021)/(0,950,99)=5200 ВА.

 По каталогу выбираем силовой согласующий трансформатор типа ТСП 6,0/0,7; STH=6 kVA, U=105 В.

За счет переключения отпаек трансформатора напряжение может быть снижено до 100 В. С учетом пятипроцентного внутреннего падения напряжения обеспечивается заданное выпрямленное напряжение нагрузки U=94 В. По таблице находим TPO=510-6 1час.

 4.3.3. Автоматический выключатель

В качестве автоматического выключателя можно использовать выключатель типа АК-50-6,3 c на номинальный ток IH=6-10 A.

По таблице находим величину интенсивности отказа автоматического выключателя AO1210-6 1/час. При отсутствии  данных по автоматическим выключателям можно использовать соответствующие данные для контакторов AO=1210-6 1/час.

 4.3.4. Определение времени наработки на отказ трехфазной схемы выпрямления

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

час

Необходимо отметить, что полученное значение Т1 является оценочным, приближенным. В расчете не учитывался ни реальный характер распределения, ни условия эксплуатации.

 4.4. Учет условий эксплуатации

При учете условий эксплуатации формулируется понятие отказа для элементов, определяются физические  проявления и показатели отказов для групп однотипных элементов, рассчитываются или выбираются из таблиц или графиков соответствующие значения коэффициентов нагрузки.

 4.4.1. Трансформатор силовой согласующий

Учет степени влияния электрических, тепловых, механических явлений на работоспособность электрических элементов и систем осуществляется с помощью произведения КНh, где КН - коэффициент нагрузки, h - весовой показатель, учитывающий степень влияния тех или иных факторов.

Если в процессе эксплуатации маловероятно воздействие, например, вибрации, весовой коэффициент h может принимать значение, меньшее единицы, скажем h=0,4. А  весовой показатель, учитывающий степень влияния электрических факторов определит величину h,  большую единицы, например h=1,5.

Свыше 98% отказов трансформаторов малой и средней мощности, по опыту более чем вековой эксплуатации, вызывается пробоем изоляции обмоток, т.е. причинами, зависящими от электрических факторов. Остальные 2% связаны с механическими повреждениями, приводящими чаще всего  к исчезновению контактов на клеммнике. В трансформаторах большой мощности, при S>400 kVA, появляются дополнительные виды отказов, носящие тепловой характер (перегревом, закипанием масла, выходу из строя довольно сложной системы охлаждения и т.д.).

При любых видах  отказов они являются полными и приводят к отказу источника питания.

Коэффициент нагрузки по мощности трансформатора определяется следующим образом

КНР=SP/SH =UdIdKCX/SH=5200/6000=0,865.

 Весовой показатель по электрической нагрузке hЭ выбирается по таблице hЭ=1,5.

Отсюда ch hЭK=2,018.

Отметим, что учет реальных режимов работы приводит к росту интенсивности отказов в два раза.

Коэффициент тепловой нагрузки определяется из выражения

где р и доп - рабочая и допустимая температура могут быть взяты одинаковыми и равными 135 оС;  температура окружающей Среды окрср принята в среднем равной 20оС и максимальная температура окружающей Среды срмакс принята равной 400С. Следовательно,

Тепловая нагрузка большого влияния не надежностные показатели не окажет, так как все величины температур находятся в рабочих допустимых пределах, поэтому значение весового показателя h равно единице. Отсюда

ch hK=

Наконец, считаем, что вибрационная нагрузка на рансформатор, по условиям работы, отсутствует. Таким образом, интенсивность отказов трансформатора, с учетом реальных условий работы, равна

тр=тро1/час.

 4.3.2. Вентильная группа

Отказы у полупроводниковых диодов имеют два проявления:

- пробой - короткое замыкание структуры;

- обрыв структуры - потеря проводимости.

Интенсивность отказов

VO =VКЗО+VОБРО,

где VO - суммарная составляющая, VКЗО - составляющая, зависящая от короткого замыкания, VОБРО - оставляющая, зависящая от обрыва структуры.

Обычно, на основании эксплуатационных данных принимается VКЗО=90%; VОБРО=10%, т.е. соотношение между составляющими принимается как 9:1.

Проведем расчет интенсивности отказов с учетом коэффициентов нагрузки. При этом учтем две составляющие причины увеличения интенсивности отказов: электрическую и тепловую. Электрическая составляющая характеризуется двумя величинами: током и напряжением.

Коэффициент нагрузки по току вентиля КН1:

КН1=IVCP/IП=7/10=0,7; hЭ=0,5 (по табл.   ).

Коэффициент нагрузки по температуре

hЗО=0,5.

Следовательно

chhКН1=1,06;

chhКН2=1,106;

chh3КНЗ=1,19.

Для диодов средней мощности VO=0,5-1,510-6 1/час. Выбираем  VO=1,210-6 1/час. Из выражения  VO=КЗО+VКЗ/9=1,1КЗ, имеем КЗ=(VO/1,1)10-6=1,110-6 1/час.

Отказ типа короткого замыкания любого из шести диодов вентильной группы  ведет к короткому замыканию на вторичной стороне трансформатора. В этом случае автомат должен отключить схему от сети, т.е.  происходит полный отказ. С позиций отказов все диоды  образуют последовательно соединенную структуру. Интенсивность отказов выпрямителя, вызванная коротким замыканием, определяются простым суммированием или шестикратным увеличением (по числу диодов) величины КЗ

КЗ=VКЗO 1/час.

Для шести диодов, т.е. для вентильной группы в целом имеем для ВКЗ

ВКЗ = VКЗ61,5110-6=9,0610-6 1/час.

Учет отказов типа обрыва структуры.

При отказе одного из шести вентилей трехфазной мостовой схемы выпрямления напряжение уменьшается на 1/6, т.е. становится равным

Ud=5/6UdH=0,83UdH.

Но по определению отказа только снижение напряжения на величину 20% и больше означает отказ источника питания в целом. Следовательно обрыв структуры одного диода вентильной группы не является отказом выпрямителя. Отказ наступает, если у двух диодов происходит отказ типа обрыва структуры.

Время наработки на отказ Т1 состоит из двух отрезков времени: t1  от начала эксплуатации до выхода из строя одного из шести вентилей t1=1/6ОБР и t2 - время между выходом из строя первого и последующим выходом одного из пяти оставшихся вентилей t2=1/5ОБР. Отметим, что t2>t1.

Из таблицы выбрано VO=1,210-6 1/час.

Из мостовой схемы имеем

VCX=VO

Но отказы типа обрыва имеют место в 10% случаев, следовательно

VОБР=0,1VCX=0,11,6810-60,1710-6 1/час.

Отсюда t1=1/6ОБР=106/60,17=0,98106 час, t2=1/5ОБР=106/50,17=1,17106 час.

T1ОБР=t1+t2=0,98106+1,17106=1,16106 час.

Для вентильной группы в целом

VОБР=1/T1ОБР=1/2,16106=0,4610-6.

Полная интенсивность отказов выпрямителя V складывается из VОБР и VКЗ

V=VОБР+VКЗ=(9,06+0,46)10-6=9,5210-6 1/час.

 4.4.3. Автоматический выключатель

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

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

  1.  Установившийся режим - режим включенного состояния; за время этого режима допускается определенное число оперативных включений и выключений.
  2.  Режим отключения аварийных перегрузок. Количество аварийных перегрузок, как правило, нормируется. Но частота аварийных перегрузок разработчику неизвестна.
  3.  Режим отключенного состояния - режим хранения.

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

Для автоматических выключателей типа АК, АП, АО, А3700 в технических условиях данных по надежности нет, но оговаривается число оперативных включений. Например, для автоматических выключателей АК-50 Т=2000. При односменном режиме работы число оперативных включений не превышает за смену десяти. Это позволяет ориентировочно рассчитать ресурс изделия Т при односменной эксплуатации

Т=Nt/n=200024/10=4800 час,

где n - число оперативных включений за смену, N - допустимое гарантированное включение за смену, t-  число часов в сутках.

Гарантированный ресурс изделия =0,1. Отсюда Р(Т)=1-.

Интенсивность отказов можно рассчитать из выражения

Отсюда

1/час.

Интенсивность отказов на один цикл включения У=2210-6/2000=1110-9 1/час.

Вероятность безотказной работы изделия с учетом трех режимов работы

Р(t)=exp-[PtP+ XPtXP +CPTЦh],

где ТЦ - среднее время цикла, h - число циклов, CP - интенсивность отказов при аварийном срабатывании.

Интенсивность отказов автоматического выключения в течение времени работы без отключения выбирается из таблицы РО=(2-5)10-6 1/час. Если выбрать РО=310-6 1/час и ХР=0,05Р, имеем

РО=0,05РО=0,05310-6=0,1510-6 1/час.

Следовательно, для интенсивности отказов автоматического выключателя

АВО= (tP+ XPtXP +CPTЦh)/t, где t -  среднее время эксплуатации, t=tP+tXP. Временем переключения пренебрегаем.

При работе в одну смену tP/t=1/3; tXP/t=2/3. Следовательно,

АВ= 1/3P+ 2/3XP +CP или АВ=1/3310-6+2/30,1510-6+2210-6=2310-6 1/час.

 4.4.4. Суммарные показатели надежности

Теперь можно рассчитать суммарные показатели надежности изделия в целом

УСТ=ТР+ВП+АВ=(20+9,5+23)10-6=52,510-6 1/час.

TУСТ=1/УСТ=1/52,510-6=19103 час.

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


БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК

  1.  Кривцов А.Н., Куценко Б.Н., Суслова О.В. Надежность систем автоматического управления. Спб, 1997.
  2.  Глазунов Л.П. Основы теории надежности автоматических систем управления. Л.: Энергоатомиздат, 1984.
  3.  Надежность технических систем. /Под ред. Н.А. Ушакова. Справочник. М.: Радио и связь, 1985.
  4.  Козлов Б.А., Ушаков В.А. Справочник по расчету надежности радиоэлектронной аппаратуры и автоматики. М.: Соврадио, 1975.
  5.  Хейтагуров Я.А. Надежность автоматизированных систем управления. М.: Высшая школа, 1979.
  6.  Электротехнический справочник. М.: Энергия, 1972.
  7.  Забредин Ю.С. Промышленная электроника. М.: Высшая школа, 1982 .


 

А также другие работы, которые могут Вас заинтересовать

15313. Создание библиотеки корпусов компонентов 226.87 KB
  Лабораторная работа №2. Создание библиотеки корпусов компонентов. Цель работы: научиться создавать различные библиотеки корпусов компонентов. Ход работы: Из менеджера проектов начальное окно я запустил программу редактора печатных плат Pcbnew. В ней на верхней ...
15314. Создание схемы электрической принципиальной 350.09 KB
  Лабораторная работа №3. Создание схемы электрической принципиальной. Цель работы: используя ранее созданные библиотеки символов и корпусов компонентов создать электрическую принципиальную схему генератора прямоугольных импульсов. Ход работы: Создание элек...
15315. Управление кнопками в AVR 71 KB
  Лабораторная работа №2 Управление кнопками в AVR Цель работы: написать для микроконтроллера программу мигания светодиодом в зависимости от нажатия кнопки на языке программирования С согласно варианта. На первой лабораторной работе научились подавать напряжение но...
15316. Настройка портов ввода-вывода в CodeVision AVR 77.5 KB
  Настройка портов вводавывода в CodeVision AVR Рассмотрим примеры настройки портов в CodeVision AVR DDRB=0×02; данная запись означает что вторая ножка порта В настроена как выход но откуда взялось это число Для начала переведем данную запись в более понятный нам вид: приставка 0...
15317. Подключение ЖК(LCD) дисплея к AVR микроконтроллеру 95 KB
  Лабораторная работа №3 Подключение ЖКLCD дисплея к AVR микроконтроллеру Цель работы: написать для микроконтроллера программу вывода информации на LCD дисплей на языке программирования С согласно варианта. На первых двух лабораторных работах научились: управлять мик
15318. Использование таймера в AVR микроконтроллерах 89 KB
  Лабораторная работа №2 Использование таймера в AVR микроконтроллерах Цель работы: написать для микроконтроллера программу с использованием таймеров МК по прерыванию и вывод значений переменной на дисплей на языке программирования С согласно варианта. Прежде чем пр
15319. Обработка ошибок с помощью исключений 30 KB
  Лабораторная работа №5 Тема: Обработка ошибок с помощью исключений. Цель изучить основные способы программирования устойчивого кода. Обработка ошибок с помощью исключений Основная философия Java в том что €œплохо сформированный код не будет работать€. Идеальн...
15320. Базовые классы пакета Java.awt (Abstract Window Toolkit) 89 KB
  Базовые классы пакета Java.awt Abstract Window Toolkit. Рассмотрим самый большой и наверное самый полезный раздел языка Java связанный с реализацией пользовательского интерфейса. Для этого изучим базовые классы пакета Java.awt Abstract Window Toolkit. Итак что же такое awt Это набор классов Ja...
15321. Розробка текстового редактора 157.5 KB
  КУРСОВА РОБОТА Тема: Розробка текстового редактора/ Обєктом розробок та досліджень є текстовий редактор. Мета роботи – розробка текстового редактора. Програма була реалiзована за допомогою функцій мови Сі. В результаті роботи була розроблена програма, яка призначена для перегляду та редагування тексту. Програму виконано у середовищі Сі.