Надежность регулируемого электропривода
На всех этапах проектирования должны учитываться важнейшие эксплуатационные требования простоты наладки, удобства эксплуатации и надежности работы электропривода В ряду этих требовании надежность занимает главное место, так как непосредственно определяет производительность приводимой в движение рабочей машины Электропривод в простейших нерегулируемых вариантах представляет собой многокомпонентное техническое устройство, в состав которого кроме двигателя входят автоматические выключатели, контакторы, командоаппараты, реле автоматики, защиты и т п Каждый из элементов обладает определенной конечной надежностью и при тех или иных повреждениях (нарушения работы контактов вследствие окисления, обрывы проводников, замыкания и т.п.) способен нарушить нормальную работу электропривода, т с вызвать отказ в его работе и простои технологического оборудования на время его устранения Вероятность отказов тем выше, чем больше в электроприводе элементов, контактов, соединении, поэтому требование повышения надежности, естественно реализуется в стремлении максимально упростить схему электропривода, минимизировать при заданных технических требованиях число элементов, снизить конструктивными мерами вероятность обрывов и замыканий в соединениях элементов и т.п. На этих принципах в 60-х годах на базе магнитных усилителей были созданы высоконадежные регулируемые электроприводы по системе Г-Д, которые лишь в последние годы стали вытесняться более совершенными тиристорными и транзисторными электроприводами
Однако, переход к современной полупроводниковой технике и микроэлектронике, начатый у нас в стране свыше 20 лет назад, все еще идет с трудностями, в основе которых лежит проблема обеспечения надежности, достаточной для практической реализации всех технических преимуществ новой дорогостоящей техники в повышении производительности машин На смену магнитным усилитслям пришла принципиально иная техника - с импульсными способами управления, микроэлектроникой, с несоизмеримо большим числом элементов, с иной технологией изготовления, с иными требованиями к квалификации обслуживающего персонала и т.п.
Как следствие, проблема надежности современных регулируемых электроприводов существенно обострилась, осложнилось прогнозирование ее в процессе проектирования - возникли ситуации, когда новые электроприводы обладают низкой надежностью и вызывают справедливые нарекания эксплуатации. Соответственно, возросла роль теории надежности в процессах создания новых электроприводов, являющейся базой как для предварительных расчетных оценок показателей надежности, так и для статистических оценок ее показателей на основе опыта эксплуатации [16].
Нетрудно представить себе, что процессы нарушения нормального функционирования электрических машин, контактных аппаратов, разъемных и неразъемных монтажных соединений, электронных комплектующих и других элементов автоматизированного электропривода являются случайными процессами Поэтому предопределение надежности электропривода на стадии проектирования может базироваться только на информации о надежности каждого элемента, полученной экспериментальным путем. Экспериментальные исследования предусматривают наблюдение за работой представительных групп однотипных элементов в течение длительного времени, сбор статистической информации о возникающих нарушениях, ее обработку в целях получения достоверных вероятностных оценок параметров наблюдаемого случайного процесса Уже накопленная таким путем информация о показателях надежности различных элементов служит основой для оценок надежности проектируемых электроприводов, выбора элементов, схемотехнических и конструктивных решений, обеспечивающих ее повышение Однако окончательное представление о надежности созданного электропривода дают статистические данные, получаемые в процессе эксплуатации опытных партий. Определение характеристик надежности, их вероятностных законов распределения, методы обработки статистической информации об отказах, ремонтах, простоях оборудования в эксплуатации и предопределения надежности сложных многокомпонентных технических систем на стадии проектирования составляют содержание теории надежности
В соответствии с задачами данной главы здесь необходимо, не углубляясь в вопросы теории надежности, рассмотреть основные показатели надежности электропривода, их статистические оценки, а также отметить главные пути повышения надежности вентильных электроприводов Оценки надежности базируются на анализе трех главных свойств электропривода как технического устройства: безотказности, восстанавливаемости и ремонтопригодности. Рассмотрим эти свойства, обозначая термином работоспособность состояние электропривода или его элемента, при котором электропривод способен выполнять заданные функции при технических показателях, соответствующих нормативно-технической документации, а нарушение работоспособности - уже упоминавшимся термином отказ.
Безотказность - это свойство электропривода или его элемента сохранять работоспособность в течение некоторого времени работы (наработки). Электропривод представляет собой систему, состоящую из множества элементов, которые можно разделить на основные элементы, отказ любого из которых приводит к отказу электропривода (соединение таких элементов в систему в теории надежности называют логически последовательным или основным) и дополнительных элементов, в том или ином варианте используемых в качестве резервных. Основными показателями безотказности элементов являются вероятность безотказной работы, интенсивность отказов и средняя наработка до отказа.
Вероятность безотказной работы R(T3) представляет собой вероятность того, что в пределах заданной наработки T3 отказ элемента не возникает. Статистическая оценка этого показателя
где N-число наблюдаемых элементов, работоспособных с начала наблюдения; m-число отказавших элементов за время T3.
Интенсивность отказов l(t) представляет собой плотность условной вероятности отказа элемента при условии, что до момента времени t отказ не возник Статистическая оценка этого показателя
где n(Dt) - число отказов элементов за время Dt; Ni - число элементов, работоспособных к моменту времени t
Средняя наработка на отказ Тcp представляет собой математическое ожидание наработки элемента до первого отказа.
При рекомендуемой на практике для электропривода модели распределений времени безотказной работы элементов в виде экспоненциального распределения [16] параметр потока отказов электропривода, содержащего N основных элементов, численно равен сумме интенсивностсй отказов элементов
Однако для оценки надежности электропривода в целом необходимо учесть свойства восстанавливаемости и ремонтопригодности
Восстанавливаемость и ремонтопригодность - это взаимосвязанные свойства электропривода и входящих в него элементов, определяющие время восстановления работоспособности электропривода при отказах. Под восстанавливаемостью понимают возможность восстановления работоспособности за счет ремонта в составе установки. Ремонтопригодность определяет приспособленность устройства к обнаружению и устранению повреждений, вызвавших отказ, условия восстановления его работоспособности путем ремонта. Соответственно различают: устройства невосстанавливаемые неремонтируемые (например, микросхемы операционного усилителя, силовой модуль, состоящий из двух тири-сторов на изоляционной подложке и т.п.), устройства нeвосстанавливаемые в эксплуатации электропривода, но ремонтируемые в стационарных условиях (например, двигатели, трансформаторы, электронные блоки и другие элементы, заменяемые при отказах резервными) и устройства, подлежащие при отказах ремонту на месте установки в условиях простоя механизма (например, тиристорные преобразователи соответствующей конструкции).
Электропривод в целом является восстанавливаемой системой, т.e. ремонтируемой, естественно, в условиях простоя технической установки, и время ремонта определяется временем восстановления работоспособности отказавшего элемента Наименьшее время восстановления электронных устройств обеспечивается использованием невосстанавливаемых блоков, заменяемых резервными и затем ремонтируемыми в стационарных условиях Наибольшее время восстановления характерно для электронных блоков и устройств, рассчитанных на ремонт на месте установки в электроприводе.
Оценка надежности электропривода как восстанавливаемой системы производится с помощью трех показателей: параметр потока отказов D(t), наработка на отказ tн, среднее время восстановления работоспособности tв.
Параметр потока отказов D(t) есть плотность вероятности отказа восстанавливаемого устройства, определяемая для момента времени t. Его статистическая оценка:
где n'(Dt) - число отказов с учетом возникших после восстановлений за время Dt; NH - число наблюдаемых устройств. Наработка на отказ (в установившемся режиме)
Среднее время восстановления электропривода определяется через средние времена восстановления tВi входящих в электропривод элементов с учетом вероятности их отказов. При экспоненциальном законе распределения времени между отказами элементов
Следует учесть, что (10.45) дает значение лишь части среднего времени восстановления, определяемой только свойствами электропривода и не учитывает реальных условий его эксплуатации. Диапазон условий, в которых эксплуатируется электропривод, весьма широк - от металлургического производства, где электроприводы постоянно обслуживаются дежурным высококвалифицированным электротехническим персоналом, до небольшого строительного карьера, где квалифицированных электриков нет и для восстановления электропривода требуется вызов специалистов из удаленных на сотни километров пунктов обслуживания. В том и другом случае есть дополнительные затраты времени на вызов и ожидание прибытия ремонтного персонала,поэтому в общем случае
где t0 - оценка среднего значения дополнительных затрат времени в конкретных условиях эксплуатации. Оценка tвS в определяет время простоя машин Dtм при отказах электропривода в конкретных условиях эксплуатации: Dtм=tвS Если имеются статистические данные о простоях конкретного механизма по вине электропривода, оценку tвS можно получить с помощью соотношения
где n'(Dt) - число отказов электропривода за время наблюдения Dt; Dtmi - зафиксированное при i-ом отказе время простоя механизма.
Одним из очевидных путей повышения надежности электропривода является выбор элементов электропривода с максимальным показателем безотказности.
Однако анализ изложенных понятий и оценок показателей надежности позволяет выявить другой эффективный путь повышения безотказности работы современных регулируемых электроприводов. Выше было отмечено, что повышение вероятности отказов в таких электроприводах определяется вероятностью отказов многокомпонентной полупроводниковой преобразовательной техники и электроники Надежность последних определяется главным образом надежностью элементной базы - электронных комплектующих, которая в меру возможностей отечественного производства у нас в стране в несколько раз ниже, чем за рубежом и для существенного повышения ее потребуется время. Возникает острый вопрос - можно ли при этих условиях создавать современные регулируемые электроприводы отечественного производства, не уступающие по надежности зарубежным? Ответ однозначен - да, возможно за счет использования всех способов сокращения времени восстановления работоспособности электропривода, вытекающих из вышеизложенного.
Действительно, если, например, тиристорный преобразователь и регуляторы выполнены в виде единого компактного блока и обеспечена возможность оперативной безналадочной замены блока при отказе предусмотренным для этой цели резервным, то время восстановления работоспособности электропривода при отказах электроники может быть снижено в принципе до любого достаточно малого значения. В то же время известно, что для конкретных технологических установок можно указать допустимое время простоя Dtмдоп, вызванное отказом электропривода, которое практически не влияет на производительность технологической установки. Согласно теории надежности при оценке надежности электропривода должны учитываться только те отказы, которые соответствуют условию Dtmi>Dtмдоп, т.е. только те отказы, которые повлияли на производительность установки. При этом оценка безотказности (10.44) изменяется [16]:
где n"(Dt)- число отказов за время Dt, при которых Dtмi£Dtмдоп-Нетрудно видеть, что сокращение времени восстановления является средством исключения отрицательного влияния повышенной вероятности отказов тиристорных преобразователей и электронных блоков управления на надежность электропривода и на производительность технологических установок При этом пониженная надежность электронных комплектующих скажется лишь на затратах на техническое обслуживание.
Однако эти дополнительные затраты невелики и экономически оправданы не только повышением производительности машин, но и повышением качества ремонтов электроники в стационарных условиях с соблюдением технологии, обеспечивающей надежность отремонтированных блоков.
Сочетание повышения качества элементной базы, увеличения надежности электронных блоков с их бсзналадочным исполнением, исключающим за счет резервирования необходимость постоянного квалифицированного техухода и сокращающим в любой требуемой степени время восстановления работоспособности электропривода обеспечивает более высокую надежность и удобство эксплуатации вентильных электроприводов в сравнении с другими регулируемыми электроприводами. Использование этих возможностей в значительной мере определяет расширение применения вентильных преобразователей частоты в электроприводах станков и роботов с асинхронными или синхронными двигателями, снабженными возбуждением от постоянных магнитов
В качестве одного из возможных примеров рассмотрим систему комплектных электроприводов трехфазного тока MAC, выпускаемых фирмой Indramat (ФРГ) и применяющихся в автомобильной промышленности у нас в стране. Основу системы составляет преобразователь частоты, выполненный из двух блоков - силовых модулей системы, один из которых содержит выпрямитель и фильтр, а другой - инвертор с ШИМ. Для согласования универсального блока инвертора с параметрами конкретного двигателя предусмотрен вставной модуль программирования. Минимум модулей обеспечивает широкие возможности комплектования регулируемых приводов в диапазоне мощностей от 0,5 до 13 кВт. На рис.10.9, показана компоновка системы управления роботом с шестью приводами исполнительных осей. Здесь один выпрямительный блок TVM обеспечивает питание шести блоков инверторов TDM, осуществляющих индивидуальное взаимосвязанное управление двигателями осей робота. Высокая надежность, компактность и безналадочность всех модулей, наличие самодиагностики силовых блоков со световой индикацией обеспечивают удобство эксплуатации и за счет резервирования исключают простои машин при возможных отказах электроники.Разработанные с учетом требований дизайна, качественно изготовленные, удобно заменяемые блоки дают хорошее представление о современной технике управления электроприводами.
Таким образом, рассмотрение основных понятий и показателей надежности свидетельствует о необходимости при выборе системы электропривода и разработке вариантов уделять внимание конструктивному исполнению преобразователей и блоков управления, от которого зависят не только массогабаритные показатели электропривода, но и его надежность. Необходимо выбирать преобразователи, обладающие повышенным показателем наработки на отказ, исполнение которых при прочих равных условиях обеспечивает высокую ремонтопригодность электропривода и минимальное время восстановления при отказах, отвечающее техническому требованию tВS£Dtмдоп.
