Размещено на http://www.allbest.ru/

Размещено на http://www.allbest.ru/

Министерство образования Р.Ф.

Санкт-Петербургский государственный институт машиностроения

Кафедра электротехники, вычислительной техники и автоматизации

Курсовой проект

«Надежность систем автоматического управления»

Преподаватель: Томчина О.П.

Выполнил

студент гр. ЭЭ.М-2 Новиков М.А.

Санкт-Петербург 2018 г.

Введение

Надёжность - важнейший технический параметр аппаратуры, ее количественные характеристики обязательно указываются в техническом задании на разработку изделия.

Теория надежности изучает работу систем и устройств с учетом влияния внешних и внутренних воздействий с целью определения характеристик надежности и выработки методов расчета и способов обеспечения нормального функционирования.

Исследования по теории надежности должны быть подчинены одной цели - разработка действительных методов повышения и сохранения надежности при проектировании, изготовлении и эксплуатации.

Теория надежности - молодая наука. Основой ее является теория вероятностей, основные понятия которой зародились в XVI - XVII веках. Классические исследования в этой области связанные с именами выдающихся ученых: Бернулли (1654-1705), Муавра (1667 - 1754), Лапласа (1749-1824), Пуассона (1784-1840) , П.Л. Чебышев (1821-1894) и др.

Расчеты надёжности автоматизированных систем управления относятся к категории наиболее сложных расчётов. 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 элементов 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 элементной 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.

трансформатор преобразователь тиристорный выпрямитель

1. Техническое задание

1.1 Цель проектирования

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

1.2 Задание на проектирование

v Обоснование выбора схемы выпрямителя;

v Расчет и выбор основных элементов силовой цепи с учетом реальных условий эксплуатации;

v Формулирование понятия отказа ТП на основании изучения физических процессов, протекающих при его работе;

v Поэлементный (поблочный) расчет надежности с учетом режимов работы элементов и расчет надежности основного соединения ТП в целом;

v Повышение надежности изделия за счет применения резервирования;

v Разработка комплекса организационных и технических мероприятий (регламентные и восстановительные работы), направленных на предупреждения отказов при эксплуатации изделия;

v Разработка технических средств диагностирования работоспособного состояния некоторых блоков (элементов).

1.3 Основные технические требования

1.3.1 ТП предназначен для регулирования напряжения на якоре двигателя постоянного тока (ДПТ)

1.3.2 Условия эксплуатации изделия - внутрицеховые. Диапазон изменения температуры окружающей среды

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

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

1.3.5 Полагаем, что конструктивное исполнение ТП является блочным со временем замены вышедшего из строя блока на резервный блок не более 0,5 часа. Исключение составляет замена отказавших силовых трансформаторов. Для их замены в случае отказа предусмотрены следующие нормы (см. табл. 1.)

Таблица 1

Типовая мощность трансформатора, кВА.	Время замены, ч
1050	0,5
60100	1,0
160250	1,5
320800	2,0
10003200	4,0
400010000	8,0

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

1.4 Индивидуальное задание

1.4.1. Номинальная мощность ДПТ ;

1.4.2. Номинальное напряжение якоря ;

1.4.3. Напряжение питающей сети . Возможные колебания первичного напряжения

1.4.4. Нереверсивный тиристорый агрегат по двенадатифазной схеме с последовательным соединением трехфазных мостов.

1.4.5. Способ подключения ТП к первичной сети - через согласующий трансформатор;

1.4.6. Схема соединения обмоток трансформатора - звезда / звезда - треугольник (Y /Y·Д);

1.4.7. Гамма-процентный ресурс зад , например, согласно шифру 3-1-5 зад =0,025 .

1.4.8. Допустимые пульсации тока якоря ДIя /Iян ? 0,04.

1.4.9. Допустимый граничный ток .

1.4.10. 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 электротранспорт, 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, используется тиристорные выпрямители. Этот вид регулируемых преобразователей вытеснил всё 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 соотношении эти виды преобразователей составляют в настоящее время и обозримом бедующем несущественную долю от общего выпуска полупроводниковых преобразователей.

Инженеры, работающие в области автоматизации электропривода и автоматизированных промышленных установок, электротехнология 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 ТП зависят, в первую очередь, от характера нагрузки. Из всего многообразия нагрузок следует выделить двигательную нагрузку. Работа ТП на якорь машины постоянного тока является наиболее сложной сточки зрения протекающих физических процессов и математического описания. Работа тиристорного выпрямителя на другие виды нагрузок (активную, активно-ёмкостную и активно-индуктивную) может быть рассмотрена как частный случай 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 ТП, 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 двенадцати фазной схеме с последовательным соединением трехфазных мостов. Схема приведена на рис. 1.

Повышение быстродействия и снижения пульсаций в выпрямленном напряжении достигается за счет увеличения числа фаз (т.е. пульсаций) схем выпрямления. При последовательном соединение секций, их питание осуществляется от двух вторичных обмоток трансформатора TV1, собранных по различным схемам. Этим достигается сдвиг кривых выходных напряжений секция на угол и получение результирующего двенадцати фазного выпрямленного напряжения.



Рис.1 Нереверсивный тиристорныйагрегат по двенадцатифазной схеме с последовательным соединением трехфазных мостов.

2.2 Функциональная схема тиристорного преобразователя

В настоящее время основным видом преобразователей являются управляемые тиристорные выпрямители (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. 2.) выпрямителем (СЧВ) поступает управляющее напряжение , где оно преобразуется в соответствующее значение угла открытия тиристоров . Изменение ведет к регулированию выходного напряжения , которое может содержать значительные пульсации, что требует сглаживания выходного напряжения, осуществляемого блоком фильтрации (БФ). Согласование уровня первичного напряжения и требуемого значения переменного напряжения, подаваемые на УТВ, осуществляется силовым согласующим трансформатором. Блок РПФ-БКА содержит коммутационную и защитную аппаратуру, осуществляющую рабочее и аварийное отключение (включение) ТП от первичной сети, а также может содержать радиоподавляющие фильтры, предотвращающие 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. 2 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 Обоснование выбора схемы выпрямления

Обоснование выбора схемы выпрямления приведено на примере обоснования целесообразности применения двенадцатифазной схеме с последовательным соединением трехфазных мостов.

Нулевые схемы выпрямления рекомендуется применять при низких значениях выпрямленного напряжения . Обычно к низким значениям относят напряжения 24, 40, 60, 110 и в некоторых случаях 154 В. Это связанно с тем, что при низких значениях выпрямленного напряжения существенное влияние на КПД преобразователя оказывает падение напряжения на тиристорах.

Можно приблизительно оценить КПД выпрямителя:

, (1)

где: - 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).

Из таблицы 6 для данной схемы примем следующие отношения:

Примем Рд = Рн = 120 кВт = 120000 Вт

3. Выбор основных элементов силовой схемы

3.1 Определение параметров нагрузки

Номинальный ток якоря в двигателе можно рассчитать по формуле:

где: - коэффициент полезного действия двигателя.

Индуктивность якорной цепи оценим по формуле Лицвилля:

где: - число пар полюсов двигателя;

- номинальная частота вращения;

- расчётный коэффициент, принимаемый равным: 0,25 для компенсированных машин с большой мощностью;

Значение для общепромышленных машин постоянного тока серий П2 и П можно принять равным 314 с-1.

3.2 Расчёт параметров идеального выпрямителя

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

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

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

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



где: - число пульсаций в кривой выпрямленного напряжения за период сетевого напряжения .

Для нулевых схем выведена общая расчетная формула:

Выражение позволяет определить коэффициенты согласования по напряжению для различных схем выпрямления.

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.

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

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

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

IVcp=Iян

Обычно токовую загрузку тиристоров определяют через коэффициент использования тиристоров по току

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

.

Относительное значение действующего тока вентилей

Численные значения коэффициентов для проектируемой схемы, приведены в табл. 2.

Таблица 2

Схема выпрямления		Кvu
двенадатифазная схема с последовательным соединением трехфазных мостов

3.3 Расчет идеального преобразователя

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

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

1. Действующее значение ЭДС вторичных обмоток трансформатора определяется по формуле:

(В)

где: КcxU - относительная величина расчетного напряжения.

2. Максимальное напряжение, прикладываемое к тиристору в закрытом состоянии, определяется по формуле:

(В)

где: Kvu - коэффициент использования тиристора по напряжению.

3. Среднее значение тока через тиристор определим по формуле:

(А)

где: KvI - коэффициент использования тиристора по току.

4. Эффективное значение тока через тиристор определяется по формуле:

(А)

где: Kv,эфф - коэффициент относительного значения эффективного тока тиристора.

5. Типовая мощность трансформатора определяется по формуле:

3.4 Определение параметров силовых условий эксплуатации

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

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

(В),

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

- - коэффициент запаса, учитывающий возможное снижение выпрямленного напряжения за счет отклонения управляющих импульсов от их расчетного положения. Для синхронизации многоканальных систем управления обычно принимают Кб=1,05;

- КR - коэффициент запаса, учитывающий внутреннее падение напряжения в ТП.

Обычно принимают КR=1,05

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

где: К11 - коэффициент запаса, учитывающий возможные длительные технологические перегрузки (обычно равен 1,15-1,2); К11 = 1,16

К12 - коэффициент запаса, учитывающий возрастание действующих значений токов в трансформаторе из-за пульсаций тока якоря, который можно оценить по выражению

,

где - значение допустимых пульсаций тока якоря, заданное в ТЗ;

К13 - коэффициент запаса, учитывающий протекание в первичных обмотках намагничивающего тока Iн. КI3 = (1,02-1,04), в нашем случае примем КI3 = 1,03.

Pн	кВт	1-10	10-100	100-1000
K13	-	1,08-1,12	1,04-1,08	1,02-1,04

В последствии К13 уточняется на основании технических данных трансформатора.

Кр - расчётный коэффициент.

Для проектируемой схемы:

Кт - коэффициент трансформации, который рассчитывается по приближенному выражению:

Значение типовой мощности трансформатора с учетом эксплуатационных факторов рассчитаем по выражению

где: Кр1 - коэффициент запаса по мощности, обеспечивающий устранение явления насыщения стали. Кр1=1.

3.5 Выбор трансформатора

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

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).

Таким образом, условия выбора конкретного трансформатора формулируются так:

v первичное линейное напряжение серийного трансформатора U1лс должно соответствовать напряжению первичной сети U1л, определенному в ТЗ, т.е. U1лс=U1л;

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

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

v определенное в п. 3.4 значение фазного напряжения вентильных обмоток трансформатора U2ф должно соответствовать номинальному фазному напряжению вторичных обмоток серийного трансформатора, т.е. U2ф=U2фс. Применяя отмеченные выше переключения вторичных обмоток, удается расширить число возможных вариантов напряжения вторичных обмоток. Кроме того, наличие у трансформаторов ПБВ позволяет сделать условие U2ф=U2фс менее жестким, так как U2фс может приобретать за счет переключения отпаек три значения: 0,95 U2фс, U2фс и 1,05 U2фс. Если U2ф 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.

3.6 Выбор тиристоров

Основным параметров, по которому осуществляется выбор тиристоров для преобразователей, работающих на частотах , является предельно допустимый средний ток, протекающий через прибор в открытом состоянии . - это постоянная состовляющая однополупериодной волны синусоидального тока.

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.

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 Idн1200-1500 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.

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

Выбор тиристора осуществляется, исходя из условия:

Iос., ср - предельно допустимый ток, протекающий через прибор в открытом состоянии.

Данное значение указано в технических характеристиках тиристора.

Выберем тиристор Т133-400 с принудительным охлаждением при использовании серийного охладителя 0143-150 и при номинальных условиях охлаждения (скорость потока воздуха V = 12 м/с, температура охлаждающего воздуха Тс = 40?С), так как

= 400А

400 325А - условие выполняется.

Технические характеристики тиристора Т133-400
Повторяющееся импульсное напряжение в закрытом состоянии; повторяющееся импульсное обратное напряжение	UDRM/URRM	400-1800 В
Максимально допустимый средний ток в открытом состоянии (температура корпуса)	IT(AV)/(TC)	470 А (85єC) 590 А (70єC)
Максимально допустимый действующий ток в открытом состоянии	ITRMS	920 А
Ударный ток в открытом состоянии	ITSM	8.0 кА
Максимально допустимая температура перехода	Tjmax Tп, max	125єC
Импульсное напряжение в открытом состоянии / импульсный ток в открытом состоянии	UTM/ITM	1.75/1256 В/А
Пороговое напряжение тиристора в открытом состоянии	UT(TO) (U0)	1,05 В
Динамическое сопротивление в открытом состоянии	rT (rdin)	0,68 мОм
Повторяющийся импульсный ток в закрытом состоянии; повторяющийся импульсный обратный ток	IDRM/IRRM	30 мА
Критическая скорость нарастания напряжения в закрытом состоянии	(dUD/dt)cr	200-1600 В/мкс
Отпирающий постоянный ток управления	IGT	250 мА
Отпирающее постоянное напряжение управления	UGT	2,5 В
Критическая скорость нарастания тока в открытом состоянии	(diT/dt)cr	200 А/мкс
Время выключения	tq	160 мкс
Защитный показатель - значение интеграла от квадрата ударного неповторяющегося тока в открытом состоянии тиристора за время протекания	i2·t	320 кА2•с
Тепловое сопротивление переход - корпус	Rth(j-c)	0.045 єC/Вт
Усилие сжатия	Fm	10 кН
Масса	W	0,180 г

где: Тп, max - допустимая рабочая температура полупроводниковой структуры (для унифицированных тиристоров принимают равной 125 °С);

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

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

- коэффициент тока,

U0 - пороговое напряжение тиристора;

rдин - динамическое сопротивление тиристора в открытом состоянии.

Можно определить значение для выбранного охладителя:

567,5А ? 400А - условие не выполняется.

Так как условие в п. 4 не выполняется, то выберем тиристор Т143-500 с принудительным охлаждением при использовании серийного охладителя 0243-150 и при номинальных условиях охлаждения. (скорость потока воздуха V = 12 м/с, температура охлаждающего воздуха Тс = 40?С)

Основные технические характеристики тиристора:

- максимально допустимый средний ток в классификационной схеме Iос,ср=(ITAVM)=500А;

- ударный неповторяющийся ток в открытом состоянии Iос,уд=(ITSM(10))=10 кА, при tn=(ti)= 10 мс и Тn,max= 125°С;

- критическая скорость нарастания анодного тока = = 100 А/мкс;

- критическая скорость нарастания анодного напряжения: в закрытом состоянии при U3 cр=0,67U3 cп и Тп=125°С по группам:

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

- пороговое напряжение в открытом состоянии U0=(UT(TO))1.1 В;

- максимальная температура перехода при отсутствии перегрузок Тn,max=(TJm)=125°С;

- динамическое сопротивление в открытом состоянии rДИН=(rТ)?0,57-10-2Ом;

- время включения tвкл=(tdt)?25 мин;

- время выключения tвыкл=(tdt)?500 мин при ТП=125°С;

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

- ток удержания в открытом состоянии Iзсп=(IPRM)?30 мА;

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

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

Определяем значение для выбранного охладителя:

Тогда:432А 500А

Полученное значение подтверждает правильность выбора тиристора по току.

4. Расчёт надёжности

4.1 Расчётное задание

Рассчитать наработку на отказ нереверсивного тиристорного преобразователя по 12-ти фазной схеме с последовательным соединением 3-х фазных мостов (рис.7), работающего на обмотку возбуждения двигателя постоянного тока; напряжение сети переменного тока 380 В, напряжение сети постоянного тока UdН =154В, номинальное значение тока обмотки возбуждения Id н =779,2 А

4.2 Формулировка отказов

Отказ - частичная или полная утрата свойств элемента, которая существенным образом снижает или приводит к полной потери работоспособности.

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 (не является отказом).

4.3 Расчёт параметров схемы

4.3.1 Вентильная группа

В соответствии с расчетами , произведенными в части 1, в качестве вентильных элементов выпрямителя используются Т143-500.

Для данного типа тиристоров - лV0 = 3,5 • 10?6 1/час.

4.3.2 Трансформатор силовой согласующий

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

- схема соединения обмоток трансформатора;

- значение первичного напряжения U1л/U1ф;

- значение вторичного фазного напряжения U2ф (или E2ф для идеального преобразователя);

- расчетное значение типовой мощности трансформатора: SТ

В соответствии с расчетами уточненные значения
Sт = 102 кВА, U2ф = 42, Ктр=U1ф/U2ф= 380/42 = 9,04.

По каталогу выбираем силовой согласующий трансформатор типа ТСЗП 200/0,7, Sтн = 181 кВА;

Для данного случая по таблице находим лтр0 = 5•10-6 1/час.

4.3.3 Автоматический выключатель

Так как Iн = 500 А, то выбираем автомат ВА88-40 500А.

Величина интенсивности отказа автоматического выключателя .

4.3.4 Определение времени наработки на отказ нереверсивного тиристорного преобразователя

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

где n - число тиристоров в схеме выпрямления.

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

4.4 Учёт условий эксплуатации

При учёте 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

Учёт степени влияния электрических, тепловых, механических явлений на работоспособность электрических элементов и систем осуществляется с помощью произведения , где: - коэффициент нагрузки, - 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.

Коэффициент нагрузки по мощности трансформатора определяется следующим образом:

где Sт - мощность, рассчитанная в части 1;

Sн - номинальная (табличная) мощность выбранного трансформатора.

Весовой показатель по электрической нагрузке (выбирается по таблице). Отсюда:

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

Коэффициент тепловой нагрузки определяется из выражения

где: и - рабочая и допустимая температура. Они могут быть взяты одинаковыми и равными ;

- температура окружающей среды принята в среднем равной ;

- максимальная температура окружающей среды принята равной ;

Следовательно:

.

Тепловая нагрузка большого влияния на надёжностные показатели не окажет, так как все величины температур находится в рабочих допустимых пределах, поэтому значение весового показателя = 1. Отсюда:

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

4.4.2 Вентильная группа

Отказы тиристоров имеют два проявления:

§ Пробой - короткое замыкание структуры (КЗ);

§ Обрыв - потеря проводимости структуры (ОБР);

Интенсивность отказов:



где: - 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.

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

Коэффициент нагрузки по току вентиля :

где Ivср = Ivср, рассчитанное части 1;

Iв - номинальный ток выбранного тиристора;

По справочнику имеем hЭ = 0,5, тогда коэффициент нагрузки по температуре

Коэффициент нагрузки по току вентиля :

Следовательно:

;

;

;

Из выражения VO=КЗО+КЗ/9=1,1КЗ, имеем :

.

Отказ типа короткого замыкания любого диода 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 (по числу диодов) величины КЗ

Для двенадцати диодов, т.е. для вентильной группы в целом имеем:

VКЗ = 12VКЗ = 121,1110-6=13,3210-6 1/час.

Учет отказов типа обрыва структуры.

При отказе одного из двенадцати вентилей трехфазной мостовой схемы выпрямления напряжение уменьшается на 1/12, т.е. становится равным

Ud=11/12UdH=0,92UdH = 141В

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 выпрямителя будет при обрыве структуры 3-х вентилей: Ud=9/12UdH=0,75UdH = 115,5В

С учетом коэффициента нагрузки интенсивность отказов одного тиристора. V0 = 1 • 10?6 1/час.

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

ОБР=0,1V = 0,11,23210-60,12310-6 1/час.

Отсюда

;

;

T1ОБР = t1+t2+t3+t4 = 3,132106 час.

Для вентильной группы в целом

Полная интенсивность отказов выпрямителя V:

V=VКЗ + VОБР =(13,32+0,32)10-6=13,6410-6 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.

Установившийся режим - режим включенного состояния; за время этого режима допускается определенное число оперативных включений и выключений.

Режим отключения аварийных перегрузок. Количество аварийных перегрузок, как правило, нормируется. Но частота аварийных перегрузок разработчику неизвестна.

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.

Для автоматических выключателей ВА88-40 500А N =2000.

При односменном режиме работы число оперативных включений не превышает за смену десяти. Это позволяет ориентировочно рассчитать ресурс изделия Тг при односменной эксплуатации:

Тг=N•t/n=2000•24/10=4800 час,

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

Гарантированный ресурс изделия г=0,1. Отсюда Р(Тг)=1-г. Интенсивность отказов при аварийном срабатывании можно рассчитать из выражения:

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 -[P·tP + XP·tXP + CP·TЦ·h],

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=0,05РО=0,05310-6=0,1510-6 1/час.

Следовательно, для интенсивности отказов автоматического выключателя

АВО= (PОtP+ 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 = 23 10-6 1/час.

4.4.4. СУММАРНЫЕ ПОКАЗАТЕЛИ НАДЁЖНОСТИ.

Теперь можно рассчитать суммарные показатели надежности изделия в целом

УСТ=ТР+V+АВ=(12,9+9,5+23)·10-6=45,4 10-6 1/час.

TУСТ=1/УСТ=1/45,410-6=22103 час.

Вывод

В результате проделанной работы был спроектирован теристорный преобразователь (ТП), отвечающий всем требованиям технического задания.

Разработанный преобразователь имеет следующий показатели надежности:

Список используемой литературы

Кривцов А.Н., Куценко Б.Н., Суслова О.В. Надежность систем автоматического управления. Спб, 1997.

Глазунов Л.П. Основы теории надежности автоматических систем управления. Л.: Энергоатомиздат, 1984.

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

Козлов Б.А., Ушаков В.А. Справочник по расчету надежности радиоэлектронной аппаратуры и автоматики. М.: Соврадио, 1975.

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

Электротехнический справочник. М.: Энергия, 1972

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

Размещено на Allbest.ru