Надежность систем автоматического управления

  В соответствии с I_ос,ср≥179.3 А в графе допустимых средних токов при принудительном охлаждении (табл. 4) выбираем значение I_ос,ср=200 А, которое является основным токовым параметром тиристора Т171-200 при использовании серийного охладителя 0181-110 и при номинальных условиях охлаждения (скорость потока воздуха V=12 м/с, температура охлаждающего воздуха Т_С=40°С).

  Основные технические данные тиристора Т171-200:

• максимально допустимый средний ток в классификационной схеме I_ос,ср=(I_TAVM)=200 А;
• ударный неповторяющийся ток в открытом состоянии I_ос,уд=(I_TSM(10))=10 кА, при t_n=(t_i)= 10 мс и Т_n,max= 125°С;
• критическая скорость нарастания анодного тока      = = 100 А/мкс;
• критическая скорость нарастания анодного напряжения: в закрытом состоянии при U_{3 cр}=0,67U_{3 cп} и Т_п=125^°С по группам:

Таблица 6.

 

• пороговое напряжение в открытом состоянии U₀=(U_T(TO)) 1.1 В;
• максимальная   температура   перехода   при   отсутствии перегрузок Т_n,max =(T_Jm)=125°С;
• динамическое сопротивление в открытом состоянии r_ДИН=(r_Т)≤0,57-10^-3Ом;
• время включения t_вкл=(t_dt)≤25 мин;
• время выключения t_выкл =( t_dt)≤500 мин при Т_П=125°С;
• отпирающее напряжение управления t_у,от=(t_GT)≤3,5 В при Т_п=25 °С и U_зс=12 В;
• ток удержания в открытом состоянии I_зсп=(I_PRM)≤30 мА;
• повторяющийся импульсный обратный ток I_обрп=( I_RRM)≤30 мА;
• повторяющееся   импульсное   напряжение   в   закрытом состоянии U_зсп=                            (U_PRM)=(U_RRM)=400-1600 В;

  На основании полученных данных рассчитаем полное сопротивление "переход-среда", используя выражение (21).

  Для проектируемого преобразователя продолжительность открытого состояния тиристоров в режиме непрерывного тока составляет . Тогда по табл. 5. имеем К_ф =1,73; Принимаем предельно возможную температуру охлаждающего воздуха для цеховых условий Т_с равной 50°С. Определяем значение I_ос,ср для тиристоров Т171-200 при измененных условиях эксплуатации, используя выражение (20):

   182,2 А .

  Полученное значение подтверждает правильность выбора тиристора по току.

  Максимально возможная амплитуда периодического напряжения в трехфазной мостовой схеме составит:

  Тогда имеем:

  Значит выбираем тиристор 7-го класса по напряжению с параметрами  
 

  Расчет надежности силовой части тиристорного преобразователя.

4. Расчет надежности трехфазной мостовой схемы выпрямления.

4.1. Расчетное задание.

  Рассчитать наработку до отказа трехфазного мостового выпрямителя (рис. 4), работающего на обмотку возбуждения постоянного тока; напряжение сети переменного тока 380/220 В, напряжение сети постоянного тока U_dH=220 В, номинальное значение тока обмотки возбуждения I_dH=21 А; условия эксплуатации – цеховые; считать, что поток отказов – простейший.

  Рис. 4. Нереверсивный тиристорный агрегат по трехфазной мостовой схеме с токоограничивающими реакторами. 
 

  4.2. Формулировка отказов. 

  Под отказом в проектируемом источнике питания понимаются любые изменения режима работы источника, при котором напряжение на нагрузке снижается более, чем на 20%. Причинами колебания выходного напряжения могут являться только отказы элементов схемы. Провалы выходного напряжения, вызываемые сверхнормативными колебаниями напряжения сети не рассматриваются как отказы. Это отказ всей установки в целом. Считаем, что колебания напряжения в сети могут достигать +10-15% (не является отказом). 

  4.3. Расчет параметров схемы. 

  4.3.1. Вентильная группа. 

  Средний ток вентилей I_VCP=I_d/3=21/3 =7 А.

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

  Условие выбора вентилей по току I_П≥Кз∙ I_VCP = 1,1∙7=7,7 А,

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

  Максимальное рабочее напряжение на вентиле U_Vm=U_2лин=1,057U_do=1,057∙220 = 232 В.

  Учтем возможное повышение напряжения сети на 10% и введем 20% запас на перенапряжение - К_з1=1,1, К_з2=1,2. Условие выбора диодов по напряжению:

  UПП≥ К_з1∙ К_з2∙ U_Vm =1,1∙1,2∙232=304,3. Выбираем диоды четвертого класса.

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

  4.3.2. Трансформатор силовой согласующий. 

  U_2ф=U_do/1,34=220/2,34=94В; К_тр=U_1ф/U_2ф=220/94=2,34; S_T=1,057(U_dH∙I_dH)/(η_тр∙η_преобp)= =1,057(220∙21)/(0,95∙0,99)=5200 ВА.

  По каталогу выбираем силовой согласующий трансформатор типа ТСП 6,0/0,7; S_TH=6 кVА, U_2ф= =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_2ф =94 В. По таблице находим λ_TPO =5∙10^-6 1/час. 

  4.3.3. Автоматический выключатель. 

  В качестве автоматического выключателя можно использовать выключатель типа АК-50-6,3 с на номинальный ток I_H=6-10 А.

  По таблице находим величину интенсивности отказа автоматического выключателя λ_AO≈12∙10^-6 1/час. При отсутствии данных по автоматическим выключателям можно использовать соответствующие данные для контакторов λ_AO≈12∙10^-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:

  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 К_H∙h, где К_H - 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 кVА, появляются дополнительные виды отказов, носящие тепловой характер (перегрев, закипание масла, выход 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:

  К_HP=S_P/S_H=U_dI_dК_CX/η S_H =5200/6000=0,865.

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

  Отсюда

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

  Коэффициент тепловой нагрузки определяется из выражения:

  где и - рабочая и допустимая температура могут быть взяты одинаковыми и равными 135 °С; температура окружающей Среды принята в среднем равной 20°С и максимальная температура окружающей среды принята равной 40°С. 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_Θ равно единице. Отсюда:

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

  4.4.2. Вентильная группа. 

  Отказы у полупроводниковых диодов имеют два проявления:

  - пробой - короткое замыкание структуры;

  - обрыв структуры - потеря проводимости.

  Интенсивность отказов ,

  где - суммарная составляющая, - составляющая, зависящая от короткого замыкания, - составляющая, зависящая от обрыва структуры.

  Обычно на основании эксплуатационных данных принимается – 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 К_НI:

  Коэффициент нагрузки по температуре:

  Следовательно:

  Для диодов средней мощности Выбираем Из выражения имеем

  Отказ типа короткого замыкания любого из шести диодов вентильной группы ведет к кз 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 кз, определяются простым суммированием или шестикратным увеличением (по числу диодов) величины .

 

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

  Учет отказов типа обрыва структуры.

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

  Но по определению отказа только снижение напряжения на величину 20 % и более 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=1/6 и t₂ - время между выходом из строя первого и последующим выходом одного из пяти оставшихся вентилей t₂=1/5 . Отметим, что t₂>t₁.