Расчет иристорного преобразователя
Содержание.
Введение-
Список литературы
Введение
Расчеты надежности автоматизированных систем управления относятся к категории наиболее сложных расчетов. Им должны предшествовать:
- 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.
- Расчет и выбор основного оборудования, а также оптимальных систем автоматического управления. Эти вопросы изучаются в курсах автоматизированного электропривода и систем автоматического управления.
- 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 (ТП) разработать преобразователь, отвечающий техническим требованиям по надежности, изложенным в настоящем техническом задании.
1.2. ЗАДАНИЕ НА ПРОЕКТИРОВАНИЕ
- Обоснование выбора схемы выпрямителя;
- Расчет и выбор основных элементов силовой цепи с учетом реальных условий эксплуатации;
- Формулирование понятия отказа ТП на основании изучения физических процессов, протекающих при его работе;
- Поэлементный (поблочный) расчет надежности с учетом режимов работы элементов и расчет надежности основного соединения ТП в целом;
- Повышение надежности изделия за счет применения резервирования;
- Разработка комплекса организационных и технических мероприятий (регламентные и восстановительные работы), направленных на предупреждения отказов при эксплуатации изделия;
- 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 .
|
Типовая мощность трансформатора,
|
Время замены,
|
|
10 50
|
0,5
|
|
60 100
|
1,0
|
|
160 250
|
1,5
|
|
320 800
|
2,0
|
|
1000 3200
|
4,0
|
|
4000 1000
|
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.
1.3.7. Считаем, что в цехе эксплуатируется не менее 10 аналогичных ТП. Необходимый годовой резерв ЗИП рассчитать на 10 изделий.
1.4. ИНДИВИДУАЛЬНОЕ ЗАДАНИЕ. (Вариант № 345)
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. Схема силовой части ТП – нереверсивный тиристорный агрегат по трехфазной нулевой схеме;
1.4.5. Способ подключения ТП к первичной сети – через согласующий трансформатор;
1.4.6. Схема соединения обмоток трансформатора – треугольник - звезда (/Y);
1.4.7. Диапазон регулирования скорости ДПТ – 32;
1.4.8. Допустимые пульсации тока якоря ;
1.4.9. Допустимый граничный ток ;
1.4.10. Кратность тока якоря при срабатывании токоограничения ;
Часть I. ВЫБОР И РАСЧЕТ СИЛОВОЙ ЧАСТИ ТИРИСТОРНОГО ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЯ
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.
РПФ – радиоподавляющий фильтр; БКА – блок коммутационной аппаратуры; УТВ – управляемый тиристорный выпрямитель; БФ – блок фильтров; СУВ – система управления выпрямителем.
Рис. 2. Блок-схема ТП.
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).
2.3. ОПИСАНИЕ РАБОТЫ СХЕМЫ ВЫПРЯМИТЕЛЯ
Трёхфазная нулевая схема тиристорного преобразователя. Данная схема получила широкое распространение для построения трёхфазных управляемых выпрямителей.
В этой схеме вентили подключены к вторичной обмотке трансформатора. В нулевых схемах выпрямления проводит ток тот вентиль, анодное напряжение которого максимально. Это обуславливает поочерёдную работу трёх вентилей нулевой схемы с длительностью горения (проводящего состояния) равной .
В момент (точка пересечения фазы А и фазы С) подается управляющий импульс на тиристор VS1, который переходит в открытое состояние, длительностью . Затем он запирается. Управляющие импульсы подаются на тиристоры VS1, VS2 и VS3 последовательно, с интервалом , что обеспечивает выпрямление трёхфазного переменного тока в ток на нагрузке с относительной частотой пульсации .
2.4. ОБОСНОВАНИЕ ВЫБОРА СХЕМЫ ВЫПРЯМЛЕНИЯ
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);
- число тиристоров последовательно проводящих ток нагрузки и выпрямительной схеме ().
Расчетное значение КПД УТВ .
3. ВЫБОР ОСНОВНЫХ ЭЛЕМЕНТОВ СИЛОВОЙ СХЕМЫ
3.1. ОПРЕДЕЛЕНИЕ ПАРАМЕТРОВ НАГРУЗКИ
Номинальный ток якоря в двигателе можно рассчитать по формуле:
, (2)
где:
- коэффициент полезного действия двигателя. Для ДПТ, номинальная мощность которого , лежит в пределах .
Для проектируемого преобразователя:.
Потери в двигателе оценим по выражению:
, (3)
Полагаем, что потери в меди якоря при номинальном токе составляют половину суммарных потерь. Это позволяет определить сопротивление якоря двигателя.
(4)
Индуктивность якорной цепи оценим по формуле Лицвилля:
(5)
где:
- число пар полюсов двигателя;
- номинальная частота вращения;
- расчётный коэффициент, принимаемый равным:
- 0,6 для некомпенсированных машин с
- 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:
, (6)
где:
- число пульсаций в кривой выпрямленного напряжения за период сетевого напряжения . Для проектируемой схемы
Для нулевых схем выведена общая расчетная формула:
, (7)
Выражение (7) позволяет определить коэффициенты согласования по напряжению для различных схем выпрямления.
(8)
Численное значение относительной величины вторичного расчётного напряжения , для проектируемой схемы, рассчитанное по выражениям (6) и (8) равно .
Расчётное значение .
Основными показателями при выборе тиристоров по напряжению является значение максимального напряжения, прикладываемого к тиристору в закрытом состоянии . Отношение назовём коэффициентом использования вентилей по напряжению . Очевидно, что при заданном , чем ближе к единице, тем на меньшее напряжение выбираются тиристоры по каталогу. Для большинства трёхфазных схем выпрямленное значение определяется амплитудой вторичного линейного напряжения (). Используя известное соотношение амплитуд и действующих значений напряжений в трёхфазной симметричной системе и выражение (6), было рассчитано численное значение .
Выбор тиристоров по току в идеальной схеме осуществляют по предельно возможному значению среднего тока, протекающему через него.
, (9)
Для большинства схем - .
(10)
где:
- угол проводимости тиристора, определяемый по диаграммам работы схемы; . Тогда:
Обычно токовую нагрузку тиристоров определяют через коэффициент использования тиристоров по току.
, (11)
Для рассматриваемой схемы 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:
(13)
Относительное значение действующего тока вентилей:
, (14)
Для рассматриваемой схемы коэффициент относительной эффективности тока тиристоров (взят из справочной таблицы).
3.3. ВЫБОР СИЛОВОГО ТРАНСФОРМАТОРА
Выбор силовых трансформаторов преобразовательных схем осуществляется по каталогам, исходя из следующих данных:
- схема соединения обмоток трансформатора;
- значение первичного напряжения ;
- значение вторичного фазного напряжения (или для идеального преобразователя). Последнее определяется по (6), (7), (8) и данным справочной таблицы.
- расчетное значение типовой мощности трансформатора , где - число фаз первичной и вторичной обмоток соответственно;
Относительное значение типовой мощности трансформатора назовем коэффициентом использования трансформатора в выпрямительной схеме.
, (15)
3.4. 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:
3.3.1. Действующее значение ЭДС вторичных обмоток трансформатора ;
3.3.2. Максимальное напряжение, прикладываемое к тиристору в закрытом состоянии .
3.3.3. Среднее значение тока через тиристор .
3.3.4. Эффективное значение тока через тиристор .
3.3.5. Типовая мощность трансформатора
3.5. 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:
, (16)
где:
- коэффициент запаса по напряжению, учитывающий возможное снижение напряжение сети , заданное в техническом задании. ; Рассчитав, получим .
- коэффициент запаса, учитывающий возможное снижение выпрямленного напряжения за счёт отклонения управляющих импульсов от их расчётного положения. Для синхронизации многоканальных систем управления обычно принимают , а для цифровых (при высокой разрядности) и одноканальности синхронных систем ;
- коэффициент запаса, учитывающий внутренне падение напряжения в ТП. Примем .
Для проектируемой трёхфазной нулевой схемы принимаем , и . Тогда получим .
Действующее значение первичного тока, потребляемого ТП из сети, уточняем по выражению:
, (17)
где:
- коэффициент запаса, учитывающий возможные технологические перегрузки (обычно равен 1,151,2);
- коэффициент запаса, учитывающий возрастание действующих значений токов в трансформаторе из-за пульсации тока якоря, который можно оценить по выражению:
, (18)
где:
- значение допустимых пульсаций тока якоря, заданное в техническом задании.;
- коэффициент запаса, учитывающий протекание в первичных обмотках намагничивающего тока . Последний обычно принимают равным току холостого хода (хх) трансформатора , значение которого приводится в технических данных трансформаторов. Для ТП, работающего в составе электроприводов с широким диапазоном регулирования скорости (), на этапе предварительного расчёта можно ориентировочно принять . В последствии уточняется на основании технических данных трансформатора;
- расчётный коэффициент. При этом коэффициент трансформации рассчитывается по приближённому выражению . В качестве выбирается линейное или фазное первичное напряжение согласно техническому заданию и схеме трансформатора. Для проектируемой схемы: .
Значение типовой мощности трансформатора с учётом эксплуатационных факторов рассчитаем по выражению:
, (19)
где:
- коэффициент запаса по мощности, обеспечивающий устранение явления насыщенности стали. В трёхфазной нулевой схеме имеет место явление подмагничивания стали поэтому для проектируемой схемы .
3.6. РАСЧЁТ ТРАНСФОРМАТОРА С УЧЁТОМ КОЭФФИЦИЕНТА ЗАПАСА
Определяем значение коэффициента трансформации .
Определяем значения коэффициентов запаса:
;
;
;
;
Тогда линейный ток, потребляемый из сети, составит
Определяем значение типовой мощности трансформатора с учётом эксплуатационных факторов:
;
;
;
;
.
Рассчитаем относительное значение коэффициента использования трансформатора в выпрямительной схеме:
,
3.7. ВЫБОР ТРАНСФОРМАТОРА
В электротехнических справочниках приведены технические параметры некоторых серийных трансформаторов, которые могут быть применены в проектируемой схеме ТП.
Трехфазные трёхобмоточные трансформаторы серии ТТ в серийном исполнении имеют схему соединения «треугольник – двойная звезда».
При проектировании 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 обмоток можно образовать на стороне вторичного напряжения соединение звездой. При этом значение вторичного линейного напряжения будет равно , где - значение вторичного линейного напряжения серийного трансформатора, приведенное в графе серийного трансформатора.
У таких трансформаторов допускается регулирование напряжения на вентильных обмотках в пределах .
Условия выбора конкретного трансформатора формулируются так:
- Первичное линейное напряжение серийного трансформатора должно соответствовать напряжению первичной сети , определённому в техническом задании, т.е. ;
- Номинальная мощность серийного трансформатора не должна быть меньше требуемой мощности, т.е. ;
- Схема соединения обмоток трансформатора и его основные конструктивные решения (число фаз первичных обмоток, число вторичных обмоток) должны соответствовать схеме, заданной в техническом задании;
- Определённое в п. 3.5. значение фазного напряжения вентильных обмоток трансформатора должно соответствовать номинальному фазному напряжению вторичных обмоток серийного трансформатора, т.е. .
3.8. ВЫБОР ТИРИСТОРОВ
3.8.1. РАСЧЕТ ТИРИСТОРОВ
Основным параметров, по которому осуществляется выбор тиристоров для преобразователей, работающих на частотах , является предельно допустимый средний ток, протекающий через прибор в открытом состоянии . Этот ток для унифицированных низкочастотных тиристоров серии Т, определяется на заводах-изготовителях экспериментально в классификационной однополупериодной схеме выпрямителя при работе на активную нагрузку при . Следовательно, - это постоянная состовляющая однополупериодной волны синусоидального тока.
, (20)
При этом за номинальное значение принимают такой ток , который разогревает полупроводниковую структуру прибора до предельной рабочей температуры при определённых условиях охлаждения. Значение , определенное при принудительном охлаждении с номинальными скоростью и температурой охлаждающего воздуха, указывается в обозначении тиристора.
Первая задача, которую решает разработчик при выборе тиристоров – определяет условия их охлаждения.
По действующим нормативным документам при проектировании тиристорных выпрямителей, подключаемых к промышленным сетям, рекомендуется применение принудительного охлаждения тиристоров при выходной мощности преобразователя при напряжениях . Для низковольтных выпрямительных установок принудительное охлаждение принудительное охлаждение применяется при .
При меньших мощностях (токах) применяется естественное охлаждение тиристоров. Радиаторы (охладители), на которых закрепляются тиристоры, охлаждаются естественными восходящими конвекционными потоками без принудительного обдува. На основе данных рекомендаций осуществляется выбор условий охлаждения тиристоров в проектируемой установке. В ТП, подключаемых к промышленным сетям рекомендуется использовать унифицированные низкочастотные тиристоры серии Т.
Рассчитаем максимальное значение среднего тока, протекающего через тиристор в проектируемом преобразователе:
, (21)
где: и - коэффициенты запаса по току, физический смысл и рекомендуемые численные значения которых приведены в п. 3.5. и в п. 3.6., а значения коэффициента по току даны в п. 3.2.. Долее по данным справочной таблицы из методического указания подбираем тиристор и тип охладителя, исходя из условия . Причём ближайшее значение выбирается из столбца при соответствующих условиях охлаждения.
При работе выбранного тиристора в реальном преобразователе условия его работы, как правило, отличаются от классифицированных. Эти отличия касаются формы и длительности тока, протекающего через тиристор и температуры охлаждающей среды. Воспользуемся выражением для определения среднего допустимого тока.
, (22)
где:
- допустимая рабочая температура полупроводниковой структуры (для унифицированных тиристоров принимают равной );
- температура охлаждающей среды (температура воздуха при классификационных испытаниях принимается равной );
- 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 );
- пороговое напряжение тиристора;
- динамическое сопротивление тиристора в открытом состоянии;
Используя выражение (22) для классификационной схемы, можно определить значения для выбранного охладителя.
(23)
Для определения в реальных условиях эксплуатации вновь используем выражение (22), поставив в него рассчитанное по выражению (23) значение и новые значения и .
Если ТС особо техническим заданием не оговаривается, а преобразователь предназначен для работы в цеховых условиях для средней полосы России, то в летний период температура охлаждающего воздуха под кожухом преобразователя может достигать .
Зависимость представлена в таблице 2.
Таблица
В паспортных данных тиристоров не указывается конкретные значения параметров тиристора по напряжению. Задача их выбора решается проектировщиком.
Основными параметрами, определяющими способность тиристора выдерживать приложенное напряжение являются:
- - допустимое повторяющееся импульсное напряжение между анодом и катодом в закрытом состоянии;
- - повторяющееся допустимое импульсное напряжение в обратном направлении.
Унифицированные низкочастотные тиристоры выпускаются равными значениями этих параметров . Тиристоры могут иметь в пределах от 100 до 2000 В с дискретными значениями параметра через 100 В.Значение в сотнях вольт называется классом тиристора по напряжению. Тиристоры могут иметь класс от 1го до 20ти. С повышением класса стоимость прибора возрастает. Следовательно, избыточный запас при выборе тиристора по напряжению экономически неоправдан. К тиристору в условиях эксплуатации прикладывается:
1. рабочее напряжение с амплитудой ;
2. периодические импульсные напряжения с амплитудой ;
3. непериодические напряжения с амплитудой ;
Каждый из этих перенапряжений не должно превышать соответствующий показатель тиристора.
Максимально возможная амплитуда рабочего напряжения:
, (24)
где:
- определены в п. 3.5.
Определив можно рассчитать основной параметр тиристора по напряжению, используя выражения:
где: - означает целую часть числа, заключённого в скобки, а - коэффициент соотношения рабочего и периодических напряжений, равный 0,6.
Выходная мощность проектируемого преобразователя при номинальной нагрузке двигателя составит при рабочем номинальном напряжении .
Максимальное значение среднего тока через тиристор составит
В соответствии с в графе допустимых средних токов при принудительном охлаждении выбираем значение , которое является основным токовым параметром тиристора Т133-400 при использовании серийного охладителя 0143-150 и при номинальных условиях охлаждения (скорость потока воздуха , температура охлаждающего воздуха ).
3.8.2. ОСНОВНЫЕ ТЕХНИЧЕСКИЕ ДАННЫЕ ТИРИСТОРА Т133-400
- Максимально допустимый средний ток в классификационной схеме ;
- Ударный неповторяющийся ток в открытом состоянии , при и ;
- Критическая скорость нарастания анодного тока
- Критическая скорость нарастания анодного напряжения: в закрытом состоянии при и по группам:
Таблица
|
Группа
|
-
|
4
|
5
|
6
|
7
|
|
|
|
200
|
320
|
500
|
1800
|
- Пороговое напряжение в открытом состоянии ;
- Максимальная температура перехода при отсутствии перегрузок ;
- Динамическое сопротивление в открытом состоянии ;
- Время включения
- Время выключения при ;
- Отпирающее напряжение управления при и ;
- Ток удержания в открытом состоянии ;
- Повторяющийся импульсный обратный ток ;
- Повторяющееся импульсное напряжение в закрытом состоянии ;
На основании полученных данных рассчитаем полное сопротивление «переход-среда»:
Для проектируемого преобразователя продолжительность открытого состояния тиристоров в режиме непрерывного тока составляет. Тогда по таблице 2. имеем . Принимаем предельно возможную температуру охлаждающего воздуха для цеховых условий равной . Определяем значение для тиристора Т133-400 при изменённых условиях эксплуатации:
Полученное значение удовлетворяет неравенству , что подтверждает правильность выбора тиристора по току.
Максимально возможная амплитуда периодического напряжения в трёхфазной нулевой схеме составит:
Тогда имеем:
Значит выбираем тиристор 7–го класса по напряжению с параметрами:
Часть II. РАСЧЁТ НАДЁЖНОСТИ СИЛОВОЙ ЧАСТИ ТИРИСТОРНОГО ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЯ
4. РАСЧЁТ НАДЁЖНОСТИ ТРЁХФАЗНОЙ НУЛЕВОЙ СХЕМЫ ВЫПРЯМИТЕЛЯ
4.1. РАСЧЁТНОЕ ЗАДАНИЕ
Рассчитать наработку до отказа трёхфазной нулевой схемы выпрямителя, работающего на обмотку возбуждения двигателя постоянного тока (рис. 3.). Напряжение сети переменного тока , напряжение сети постоянного тока , номинальное значение тока обмотки возбуждения . Условия эксплуатации – внутрицеховые; считать что поток отказов – простейший.
Схема трёхфазного нулевого выпрямителя.
Рис. 3.
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 (не является отказом).
4.3. РАСЧЁТ ПАРАМЕТРОВ СХЕМЫ
4.3.1. ВЕНТИЛЬНАЯ ГРУППА
Средний ток вентилей .
Учтем коэффициент запаса за счёт нестандартной формы тока .
Условие выбора вентилей по току .
Ближайший тиристор по справочнику – Т133-400; ;
Максимальное рабочее напряжение на вентиле .
Учтём возможное повышение напряжения сети на 10% и введём 20% запас на перенапряжение . Условие выбора тиристоров по напряжению .
4.3.2. ТРАНСФОРМАТОР СИЛОВОЙ СОГЛАСУЮЩИЙ
;
;
По каталогу выбираем силовой согласующий трансформатор типа ТСП 6,0/0,7; .
4.3.3. АВТОМАТИЧЕСКИЙ ВЫКЛЮЧАТЕЛЬ
Для отключения преобразователя от питающей сети и защиты от коротких замыканий используется автоматический выключатель. В качестве автоматического выключателя можно использовать выключатель типа АК-50-6,3 на номинальный ток .
По таблице находим величину интенсивности отказа автоматического выключателя .
4.3.4. ОПРЕДЕЛЕНИЕ ВРЕМЕНИ НАРАБОТКИ НА ОТКАЗ ТРЁХФАЗНОЙ НУЛЕВОЙ СХЕМЫ ВЫПРЯМЛЕНИЯ
Время наработки на отказ схемы выпрямителя определяется с помощью суммирования интенсивностей отказа отдельных элементов.
,
где:
- интенсивность отказов вентилей;
- интенсивность отказов согласующего трансформатора;
- интенсивность отказов автоматического выключателя;
Тогда:
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.
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% связанны с механическими повреждениями, приводящими чаще всего к исчезновению контактов на клемнике. В трансформаторах большой мощности, при , появляются дополнительные виды отказов, носящие тепловой характер.
При любых видах отказов они являются полными и приводят к отказу источника питания.
Коэффициент нагрузки по мощности трансформатора определяется следующим образом:
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 равно единице. Отсюда:
Наконец считаем, что вибрационная нагрузка на трансформатор, по условиям работы, отсутствует. Таким образом, интенсивность отказов трансформатора с учётом реальных условий работы равна:
4.3.2. ВЕНТИЛЬНАЯ ГРУППА
Отказы тиристоров имеют два проявления:
- Пробой – короткое замыкание (КЗ);
- Обрыв – потеря проводимости (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 :
.
Имеем: .
Коэффициент нагрузки по обратному напряжению на вентиле :
.
Имеем: .
Коэффициент нагрузки по температуре :
.
Имеем: .
Следовательно:
Из выражения , имеем:
.
Отказ типа КЗ любого из трёх тиристоров вентильной группы ведёт к короткому замыканию на вторичной обмотке трансформатора. В этом случае автоматический выключатель должен отключить схему от сети, т.е. происходит полный отказ. С позиций отказов все тиристоры образуют последовательно соединённую структуру. Интенсивность отказов выпрямителя, вызванная КЗ, определяется простым суммированием или трёхкратным увеличением (по числу тиристоров) величины .
Учёт отказов типа ОБР структуры. При отказе одного из трёх вентилей трёхфазной нулевой схемы выпрямления напряжение уменьшается на , т.е. становится равным (снижение напряжения на 33%). По определению отказа снижение напряжения на величину 20% и больше означает отказ источника питания в целом. Следовательно, обрыв структуры одного тиристора вентильной группы является отказом выпрямителя. Отказ наступает, если у одного вентиля происходит отказ типа обрыва структуры.
Время наработки на отказ состоит из одного отрезка времени - от начала эксплуатации до выхода из строя одного из трех вентилей .
Из таблицы выберем .
Имеем: . Но отказы в виде обрыва имеют место в 10% случаев, следовательно:
Отсюда ; .
Для вентильной группы в целом:
Полная интенсивность отказов выпрямителя складывается из и .
4.4.3. АВТОМАТИЧЕСКИЙ ВЫКЛЮЧАТЕЛЬ
Основным функциональным назначением автоматического выключателя является операторное подключение нагрузки к сети, а также аварийное отключение её при тепловой перегрузке и мгновенных перегрузках (функции обеспечения тепловой и максимальной защиты). Отказы связанны с обгоранием главных контактов и неисправностями механической части автоматических выключателей.
Характерной особенностью элементов САУ подобных автоматическим выключателям является наличие трёх режимов работы.
- Установившийся режим – режим включённого состояния; за время этого режима допускается определённое число оперативных включений и выключений;
- Режим отключения аварийных перегрузок. Количество аварийных перегрузок, как правило, нормируется. Но частота аварийных перегрузок разработчику не известна.
- Режим отключенного состояния – режим хранения;
Каждый из режимов характеризуется своей интенсивность отказов. При хранении учитываются условия хранения. Интенсивность отказов при хранении колеблется в пределах . При этом нижний предел – 0,01 принимается при хранении на складе, верхний предел 0,1 – в цехе.
Для автоматических выключателей типа АК, АП, АО, А3700 в технических условиях данных по надёжности нет, но оговаривается число оперативных включений. При односменном режиме работы число оперативных включений за смену не превышает десяти. Это позволяет ориентировочно рассчитать ресурс изделия при односменной эксплуатации.
,
где:
- допустимое гарантированное включение за смену (для автоматических выключателей ;
- число оперативных включений за смену ();
- число часов в сутках;
,
Гарантированный ресурс изделия . Отсюда . Интенсивность отказов можно рассчитать из выражения: ; .
Отсюда:
Интенсивность отказов на один цикл включения .
Вероятность безотказной работы изделия с учётом трёх режимов работы:
,
где:
- среднее время цикла;
- число циклов;
- интенсивность отказов при аварийном срабатывании.
Интенсивность отказов автоматического выключения в течении времени работы без отключения выбирается из диапазона .
Если принять и , то имеем: .
Следовательно, интенсивность отказов автоматического выключателя:
,
где:
-среднее время эксплуатации (временем переключения пренебрегаем);
При работе в одну смену ; . Следовательно:
,
или
.
4.4.4. СУММАРНЫЕ ПОКАЗАТЕЛИ НАДЁЖНОСТИ
Теперь можно рассчитать суммарные показатели надёжности изделия в целом.
.
.
При ослаблении величин можно определить оптимальный запас ЗИПа, а также наиболее уязвимую часть изделия.
СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННОЙ ЛИТЕРАТУРЫ
Кривцов А.Н., Куценко Б.Н., Суслова О.В. Надёжность систем автоматического управления. СПб. 2003.
Глазунов Л.П. Основы теории надёжности автоматических систем управления JL: Энергоатомиздат, 1984.
Надёжность технических систем. /Под ред. Н.А. Ушакова. Справочник. М.: Радио и связь, 1985.
Козлов Б.А., Ушаков В.А. Справочник по расчёту надёжности радиоэлектронной аппаратуры и автоматики. М.: Соврадио, 1975.
Хейтагуров Я.А. Надёжность автоматизированных систем управления. М.: Высшая школа, 1979.
Электротехнический справочник. М.: Энергия, 1972.
Забрендин Ю.С. Промышленная электроника. М.: Высшая школа, 1982.
Силовой трансформатор
РПФ
БКА
Ф
ИУ
СУВ
Нагрузка
Расчет иристорного преобразователя