10.4. 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 (t) представляет собой плотность условной вероятности отказа элемента при условии, что до момента времени t отказ не возник Статистическая оценка этого показателя

где n(t) - число отказов элементов за время t; N_i - число элементов, работоспособных к моменту времени t

Средняя наработка на отказ Т_cp 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 (t), наработка на отказ t_н, среднее время восстановления работоспособности _в.

Параметр потока отказов (t) есть плотность вероятности отказа восстанавливаемого устройства, определяемая для момента времени t. Его статистическая оценка:

где n'(t) - число отказов с учетом возникших после восстановлений за время t; N_H - число наблюдаемых устройств. Наработка на отказ (в установившемся режиме)

Среднее время восстановления электропривода определяется через средние времена восстановления _Вi 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 ₀ - оценка среднего значения дополнительных затрат времени в конкретных условиях эксплуатации. Оценка _в в определяет время простоя машин t_м при отказах электропривода в конкретных условиях эксплуатации: t_м=_в Если имеются статистические данные о простоях конкретного механизма по вине электропривода, оценку _в можно получить с помощью соотношения

где n'(t) - число отказов электропривода за время наблюдения t; t_mi - 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 t_мдоп, 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 t_mi>t_мдоп, т.е. только те отказы, которые повлияли на производительность установки. При этом оценка безотказности (10.44) изменяется [16]:

где n"(t)- число отказов за время t, при которых t_мit_мдоп-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 _В_мдоп.