Надежность систем автоматического управления

     Министерство  образования РФ

     Санкт-Петербургский  институт машиностроения

     Кафедра электротехники, вычислительной техники  и автоматизации 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

     Курсовой  проект № 532

     «Надежность систем автоматического управления» 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

     Выполнил  студент группы 4441: Матевосян Г.Л.

                                                           Проверил преподаватель: Куценко Б. Н. 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

     Санкт-Петербург

     2009

     Содержание. 

     Введение------------------------------------------------------------------------------------------------------3

1. Техническое задание--------------------------------------------------------------------------------------3
1. Цель проектирования--------------------------------------------------------------------------------3
2. Задание на проектирование-----------------------------------------------------------------------3
3. Основные технические требования------------------------------------------------------------4
4. Индивидуальное задание-------------------------------------------------------------------------4
2. Выбор оптимальных схемных решений-----------------------------------------------------------5
1. Обзор типовых схемных соединений----------------------------------------------------------5
2. Функциональная схема тиристорного преобразователя---------------------------------6
3. Обоснования выбора схемы выпрямления--------------------------------------------------7
3. Выбор основных элементов силовой схемы------------------------------------------------------9
1. Определение параметров нагрузки------------------------------------------------------------9
2. Расчет параметров идеального выпрямителя----------------------------------------------10
3. Выбор силового трансформатора--------------------------------------------------------------11
4. Расчет идеального преобразователя----------------------------------------------------------11
5. Определение параметров силовых условий эксплуатации----------------------------12
6. Расчет трансформатора с учетом коэффициента запаса--------------------------------12
7. Выбор трансформатора----------------------------------------------------------------------------13
8. Выбор тиристоров-----------------------------------------------------------------------------------14
9. Расчет тиристоров-----------------------------------------------------------------------------------18

 

Расчет  надежности силовой части тиристорного преобразователя----------------------19 

4. Расчет надежности трехфазной мостовой схемы выпрямления--------------------------19
1. Расчетное задание---------------------------------------------------------------------------------19
2. Формулировка отказов----------------------------------------------------------------------------20
3. Расчет параметров схемы------------------------------------------------------------------------20
1. Вентильная группа-------------------------------------------------------------------------------20
2. Трансформатор силовой согласующий----------------------------------------------------20
3. Автоматический выключатель---------------------------------------------------------------20
4. Определение времени наработки на отказ трехфазной схемы выпрямления20
4. Учет условий эксплуатации-----------------------------------------------------------------------21
1. Трансформатор силовой согласующий----------------------------------------------------21
2. Вентильная группа-------------------------------------------------------------------------------22
3. Автоматический выключатель---------------------------------------------------------------23
4. Суммарные показатели надежности-------------------------------------------------------24

 

Список  литературы---------------------------------------------------------------------------------------24 

  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, влияния параметров и характеристик на работу системы автоматического управления можно приступать к расчету надежности, являющимся таким образом завершающим этапом проектирования. 

  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 технических 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

  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 (время календарное с учетом рабочих и нерабочих смен) при вероятности отказа .

  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

  Таблица 1.

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

  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.

1. Номинальная мощность ДПТ =150 кВт.
2. Номинальное напряжение якоря =354 В.
3. Напряжение питающей сети В. Возможные колебания первичного напряжения
4. Схема силовой части ТП – трехфазная мостовая схема.
5. Способ подключения преобразователя к первичной сети - через токоограничивающие реакторы.
6. Схема соединение обмоток трансформатора: звезда ноль-двойная звезда (Yо/Yо-Y11).
7. Диапазон регулирования скорости ДПТ - 20.
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 и средней мощности начали внедряться транзисторные регуляторы и регуляторы на запираемых тиристорах. Но в процентном отношении эти виды преобразователей составляют в настоящее время и обозримом будущем несущественную долю от общего выпуска полупроводниковых преобразователей.

  Инженеры, работающие в области автоматизации электропривода и автоматизированных промышленных установок, электротехнологии и эксплуатации электрооборудования и средств автоматизации, в своей практической деятельности сталкиваются с широким кругом вопросов, связанных с расчетами и выбором, наладкой и эксплуатацией тиристорных преобразователей различного назначения.

  Режимы работы тиристорных преобразователей зависят, в первую очередь, от характера нагрузки. Из всего разнообразия нагрузок следует выделить двигательную нагрузку. Работа тиристорного преобразователя на якорь машины постоянного тока является наиболее сложной с точки зрения протекающих физических процессов и математического описания. Работа тиристорного выпрямителя на другие виды нагрузок (активную, активно-емкостную и активно-индуктивную) может быть рассмотрена как частные случаи режимов работы системы "тиристорный выпрямитель-двигатель" (система ТВ-Д).

  Поэтому целесообразно рассмотреть в курсовой работе именно систему ТВ-Д, как с позиций наиболее общего примера многообразного класса тиристорных преобразователей, так и с позиций обеспечения надежности системы, нашедшей наиболее широкое применение в промышленности.