Надежность систем управления электроприводами

 

СОДЕРЖАНИЕ стр.

 

 

ЗАДАНИЕ  3

ВВЕДЕНИЕ. 5

1. ОСНОВНЫЕ ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ ПОЛОЖЕНИЯ ТЕОРИИ НАДЕЖНОСТИ СИСТЕМ УПРАВЛЕНИЯ ЭЛЕКТРОПРИВОДАМИ 6

2. РАСЧЕТ НАДЕЖНОСТИ СИСТЕМЫ УПРАВЛЕНИЯ АСИНХРОННЫМ

ДВИГАТЕЛЕМ  16

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ 23 

ЗАДАНИЕ

на выполнение курсовой работы по теме: «Надежность  систем управления

электроприводами»

1.Составить логическую функцию работоспособности и уравнение для расчета вероятности безотказной работы системы управления асинхронным двигателем.

2. Рассчитать основные показатели надежности - вероятность безотказной работы Р за период времени 1 больше 5000 ч и наработку на отказ Т₀ - для без редукторного электропривода вентилятора (см. рис.1), включающего асинхронный двигатель с короткозамкнутым ротором и магнитный пускатель.
3. Рассчитать среднее время восстановления т_е системы управления электроприводом.
4. Построить график зависимости вероятности безотказной работы системы управления электроприводом от времени Р(Т).

5.Обеспечить наработку на отказ не менее Т₀ = 30000 ч календарного времени и вероятность безотказной работы системы управления электроприводом не менее

Рзад{Т— 0,9 путем введения внутри элементной и структурной избыточности..

5. Выбрать наилучший вид резервирования для системы управления электроприводом.
6. Рассчитать коэффициент готовности системы управления электроприводом.

Схема управления асинхронным двигателем с использованием магнитного пускателя  включает в себя магнитный пускатель, состоящий из контактора КМ и двух встроенных в него тепловых реле защиты КК. Схема обеспечивает прямой (без ограничения тока и момента) пуск асинхронного электродвигателя, отключение его от сети, а также защиту от коротких замыканий (предохранители FA) и перегрузки (тепловые реле КК). Для пуска асинхронного двигателя замыкают выключатель QF и нажимают кнопку пуска SB1. Получает питание контактор КМ, который своими главными силовыми контактами в цепи статора асинхронного двигателя подключает его к источнику питания, а вспомогательным контактом шунтирует кнопку SB1. Происходит пуск асинхронного двигателя по его естественной характеристике. Для отключения двигателя нажимается кнопка остановки SB2, контактор КМ теряет питание и отключает двигатель от сети. Начинается процесс торможения асинхронного двигателя выбегом под действием момента нагрузки на его валу.

Электропривод работает в закрытом помещении с  повышенной запыленностью при температуре  окружающей среды 1 55°С. Режим работы электропривода: длительный S1.

 

ВВЕДЕНИЕ

Интенсификация технологических  процессов, повышение производительности и точности работы промышленного  оборудования неразрывно связаны с  усложнением общей схемы автоматизации производства. В этих условиях на первый план выдвигается очень важная проблема обеспечения надежной работы автоматизированного электрооборудования, выход из строя которого может привести к выпуску бракованной продукции, снижению производительности труда, потерям сырья и энергии, останову, а иногда и к авариям рабочих машин и механизмов, т.е. к большим экономическим потерям. Задача повышения надежности электропривода является сложной и комплексной проблемой, которая должна решаться как на стадии проектирования и изготовления его элементов, так и при его монтаже и эксплуатации. 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1. ОСНОВНЫЕ  ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ ПОЛОЖЕНИЯ ТЕОРИИ НАДЕЖНОСТИ СИСТЕМ УПРАВЛЕНИЯ ЭЛЕКТРОПРИВОДАМИ

        Принимаем, что система управления асинхронным двигателем является невосстанавливаемой, а нормой надежности является вероятность безотказной работы.

Для вывода уравнения расчета вероятности безотказной работы элементов данной системы составим их логические функции работоспособности.

Основными рабочими элементами системы управления в  соответствии с приведенным выше описанием работы электрической  схемы являются следующие элементы:

   В силовой части:

• автоматический выключатель QF;
• предохранители FA;
• силовые контакты магнитных пускателей КМ;

-тепловые реле КК;

• электрическая и механическая части электродвигателя М.

В цепи управления элементами являются:

-автоматический  выключатель QF;

• предохранители FA;
• кнопки SBI, SB2;
• контакты КМ пускателя КМ;
• магнитный пускатель КМ;
• контакт КК тепловых реле КК.

 

1.Составим логическую схему работоспособности электродвигателя М.

 

Логическая  функция работоспособности F(M) имеет вид:

F(M) ~f(M) * 06__р * Обр_0тор * Мех. Часть статор

f(M=QF * FA, * FA₂ * FA₃ *KM, * KM₂ * КМ₃ * F(KM) * КК, * КК₂

F (КМ) = QF * FA, * FA₂ * FA₃ * SB2* (SBI + KMJ * KM_nyCK * KK.

Тогда

ДМ) = QF² * FA,²* FA₂ * FA² * KM, * KM₂ * KM₃ * KK, * KK₂ * SB 2* (SBI + KM^KM^KK.

Используя правила  алгебры логики высказываний, можно записать 

              F(M) = QF * FA, * FA₂ * FA₃ * KM, *KM₂*KM₃* KK, * KK₂ * SB2 *(SB1 + KMJ *

^KMnyCK^KK" ⁰⁶cmam* ⁰⁶рот*^МеХ-^ЧаСтЬ сшшю?

2.Переходим к составлению уравнения для расчета вероятности безотказной работы СУ, считая одинаковые элементы равно надежными, а структуру связи между элементами СУ - логически смешанной (параллельно-последовательной).

При переходе от логической формы записи расчетного уравнения работоспособности системы управления к уравнению для определения вероятности безотказной работы необходимо воспользоваться правилами, изложенными выше, с учетом последовательности наступления событий во времени и их взаимосвязи.

В частности, для элементов управления SB1 и КМ₄, включенных в электрической схеме параллельно, следует учитывать, что при нажатии кнопки управления «Пуск» SB1 в момент времени to О будет замыкаться цепь питания напряжением катушки магнитного пускателя КМ и через время его срабатывания т, произойдет замыкание его блок-контакта КМ4 и шунтирование кнопки SB1. При этом, если кнопка SB1 будет удерживаться оператором в течение времени т₂ > т,, то произойдет включение магнитного пускателя и установка его на само питание (автоблокировку). Если же г? будет меньше т,, то не произойдет включение магнитного пускателя, а, следовательно, и электродвигателя. Это говорит о том, что логические функции включения кнопки «Пуск» SB1 и блок-контакта КМ₄ являются функционально зависимыми от времени.

Поэтому согласно теореме умножения  вероятности наступления функционально  зависимых событий вероятность  наступления последующего события (В) должна выражаться через вероятность наступления предшествующего события (А) как Р(АВ) = Р(А) * Р(В/А).

Следовательно, в рассматриваемом нами случае логические функции параллельно соединенных  элементов Л¹/?/ и КМ4 (записанные без учета фактора времени их работы) можно представить как

SBI+ КМ₄ = SB1(TJ * KM₄(t-TJ, где 0<t«x.

Так как т₂ обычно достаточно мало (несколько секунд), то вероятность безотказной работы SB1 в соответствии с показательным законом распределения Psbi = е~ ^т будет равна практически единице (т.е. е=1),

С учетом вышесказанного вероятность  безотказной работы СУ будет равна Р(CV)P_OF *P>_FA*Р⁴KKреле*PSB2 *РкК*Р_КМnvck*Р_M

3.Основой применяемых на практике инженерных методов определения надежности систем управления электроприводами является использование экспоненциального распределения как модели отказов и восстановления элементов и систем. Этот закон является однопараметрическим и полностью характеризуется постоянными значениями параметра потока отказов λ (или наработки на отказ Т₀) и среднего времени восстановления τ_в. Оценка надежности систем электропривода на стадии проектирования сводится к определению этих величин.

При расчете показателя безотказности λ целесообразно использовать коэффициентный метод. Сущность этого метода состоит в том, что при расчете надежности электропривода используют не абсолютные значения интенсивности отказов элементов λ_i а коэффициенты надежности k_i связывающие значения λ_i с интенсивностью отказов λ_б какою-либо базового элемента:

k_i = λ_i / λ_б. 

Коэффициенты  надежности k_i практически не зависят от условий эксплуатации и для данного элемента являются константой, а различие условий эксплуатации учитывается соответствующим изменением λ_б. Обычно в качестве базового элемента выбирается металлопленочный резистор.

Опыт  эксплуатации систем управления показывает, что их надежная работа зависит от многих взаимосвязанных факторов, к  которым помимо производственных факторов относятся условия применения элементов  и дестабилизирующее влияние  окружающей среды.

Условия применения определяются прежде всего электрическими режимами работы элементов, а также механическими нагрузками (вибрации, удары и т.д.). Перегрузка элементов током или напряжением приводит соответственно к перегреву или к пробою электрической изоляции. Повышенные механические нагрузки вызывают повреждения элементов, ослабление монтажных соединений, обрывы, нарушения регулировок и т.д. Условия применения элементов оцениваются коэффициентами нагрузки, представляющими собой отношение фактических значений некоторых параметров элемента в рабочих режимах к номинальным значениям этих параметров.

Существенное  влияние на надежность элементов  оказывают и условия окружающей среды. Повышенная влажность способствует снижению сопротивления изоляции обмоток  и изоляционных материалов, следствием чего могут быть пробои и замыкания  цепей. Влага отрицательно воздействует на коммутирующие элементы, вызывая  коррозию рабочих поверхностей контактов  и ухудшая их работу. Следствием пониженя 

атмосферного  давления является ухудшение теплоотдачи  с поверхности элементов и  блоков и превышение их температуры  над температурой окружающей среды.

Влияние температуры среды на надежность элементов сказывается тем сильнее, чем больше скорость изменения температуры. При отрицательных температурах изменяются свойства многих изоляционных материалов происходят трещины и разрывы. В подшипниках, редукторах и других механических узлах загустевает смазка. Действие повышенной температуры окружающей среды для ряда электрических элементов эквивалентно увеличению электрической нагрузки. Циклическое изменение температуры является причиной изменения геометрических размеров обмоток. При этом происходит их смещение, вызывающее межвитковые замыкания. Снижение надежности элементов систем вызываются и такими факторами как действие микроорганизмов (плесень), радиация, пыль и т.д.

Влияние на надежность элементов основных дестабилизирующих факторов - электрических  нагрузок и температуры окружающей среды, учитывается введением в расчет поправочных коэффициентов а_j. Значения коэффициентов а_j принимаются равными единице для номинальных лабораторных условий, когда интенсивность отказов i-го элемента равна λ_i. Очевидно, что интенсивность отказов этого же элемента, определенная с учетом условий применения и окружающей среды, будет равна:

 

            λ_Hi=K_iλ_нб

где К_i - табличное значение коэффициента надежности элемента, λ_Hi -интенсивность отказов базового элемента в номинальных лабораторных условиях, l- число воздействующих факторов. Значения коэффициентов надежности основных элементов систем управления электроприводами приведены в (1, табл. З и 4).

Коэффициент надежности i-го элемента с учетом условий применения и окружающей среды К_i,

 

Разные  воздействующие факторы оказывают  на надежность элементов систем управления различное влияние. Наиболее существенно  влияют на надежность (и в связи  с этим лучше изучены в количественном отношении) электрические нагрузки элементов и температура окружающей среды. Воздействие этих факторов учитывается (часто 
совместно) с помощью зависимостей соответствующих коэффициентов от значения фактора.

Графики для наиболее распространенных элементов систем приведены в (1).

Входными  данными для графиков являются значения температуры среды t,°С и коэффициенты нагрузки элементов K_H Рекомендуемые значения для коэффициентов нагрузки К„ наиболее широко используемых систем управления электроприводами приведены в (1) как отношение фактических значений параметров к допустимым.

Учет  влияния других более слабо действующих  дестабилизирующих факторов - влажности, запыленности и т.д. - может быть произведен введением в расчет соответствующего значения интенсивности отказов  базового элемента λ_б. Относительные значения интенсивностей отказов базового элемента λ_б/λ_б для типовых условий, в которых используются системы управления электроприводами, приведены в (1,табл. 6) .Для лабораторных условий эксплуатации можно рекомендовать значение интенсивности отказов базового элемента λ_б = 0,3* 10^-7 1/ч.

Результирующий  коэффициент надежности элементов  электропривода с учетом электрических  нагрузок и температуры окружающей среды (исключая релейно-контакторную аппаратуру равен:

k'_i = a₁ a₂ a₃ a₄k_i

где k_i - номинальное значение коэффициента надежности,a₁ коэффициент, учитывающий отклонение температуры окружающей среды и электрической нагрузки от номинальной; a₂ - коэффициент, учитывающий отклонение температуры окружающей среды от номинальной; a₃-коэффициент, учитывающий снижение электрической нагрузки относительно номинальной; a₄- коэффициент использования элемента, определяемый отношением времени работы элемента к времени работы электропривода.