Лекція 35 Розрахунок надійності елементів і систем керування електроприводом. Забезпечення надійності резервуванням
Сутність коефіцієнтного методу полягає в тому, що при розрахунку надійності ЕП використовують не абсолютні значення інтенсивності відмовлень λі а коефіцієнти надійності ki, які зв’язують значення 
з інтенсивністю відмовлень 
якого-небудь базового елемента
(15.5)
Коефіцієнти надійності ki практично не залежать від умов експлуатації та для даного елемента є константою, а розходження умов експлуатації враховується відповідною зміною λб. Звичайно в якості базового елемента вибирається металоплівковий резистор.
Вплив на надійність елементів основних дестабілізуючих факторів – електричних навантажень і температури навколишнього середовища – враховується введенням у розрахунок поправочних коефіцієнтів. Залежності цих коефіцієнтів у функції температури навколишнього середовища та коефіцієнта навантаження елемента за струмом kнІ = Іраб / Ідоп або напрузі kнU = Uраб/Uдоп. або потужності kнР = Рpаб / Рдоп у вигляді відповідних графіків наведені в [5].
Урахування впливу інших факторів – запиленості, вологості, вібрації тощо — може бути виконаний корекцією інтенсивності відмовлень базового елемента за допомогою поправочних коефіцієнтів, наведених у [5].
Результуючий коефіцієнт надійності елементів ЕП з урахуванням електричних навантажень і температури навколишнього середовища (крім релейно-контакторної апаратури)
(15.6)
де ki – номінальне значення коефіцієнта надійності; а1 — коефіцієнт, який враховує відхилення температури навколишнього середовища та електричного навантаження від номінального; а2 – коефіцієнт, що враховує відхилення температури навколишнього середовища від номінальної; а3 – коефіцієнт, що враховує зниження електричного навантаження відносно номінального; а4 – коефіцієнт використання елемента, який визначається відношенням часу роботи елемента до часу роботи ЕП.
Коефіцієнт надійності релейно-контактних апаратів
(15.7)
де ki0 kjk·- відповідно коефіцієнти надійності сприймаючої (коло котушки) і виконавчої (контактна система) частин апаратури; а4 – коефіцієнт, що враховує час перебування котушки апарата під напругою протягом одного циклу «увімкнено – відключено» і температуру навколишнього середовища; а3 – коефіцієнт, який враховує рівень електричного навантаження контакту, n – число контактів; fф i fном – фактична та номінальна частота спрацьовування апарата за годину.
Після визначення коефіцієнтів надійності окремих елементів розраховуються показники надійності ЕП у цілому. Порядок їх розрахунку полягає в наступному [5]:
- визначаються кількісні значення параметрів, які характеризують нормальну роботу ЕП, і допуски на їх допустимі відхилення. Робота ЕП у межах цих допусків відповідає його працездатному стану, а вихід за них – відмовленню;
- складається заелементна принципова схема ЕП, яка визначає з'єднання елементів при виконанні ними заданих функцій. При її складанні ряд допоміжних елементів (сигнальні лампи, прилади, що показують, дзвінки тощо), відмовлення яких не впливають на надійність ЕП, можуть бути опущені;
- визначаються початкові дані для розрахунку надійності: тип, кількість і номінальні дані елементів, які використовуються; режими роботи елементів; температура навколишнього середовища в місці роботи елементів; номінальні коефіцієнти надійності елементів; коефіцієнти використання елементів у часі; період часу Тз для якого розраховується надійність; умови експлуатації системи. Вибирається базовий елемент і визначається ;
- за формулами (15.6) і (15.7) з використанням довідникових даних за поправочними коефіцієнтами а1 – а4 розраховуються коефіцієнти надійності елементів ЕП, а потім його вузлів і пристроїв. Після цього визначаються основні показники надійності ЕП. При логічно послідовному (основному) з'єднанні елементів, вузлів і пристроїв імовірність безвідмовної роботи
(15.8)
де Nі – число однотипних елементів і-тої групи в ЕП; n – загальне число елементів в ЕП, які мають логічно послідовне з'єднання. Наробіток до відмовлення ЕП
(15.9)
Якщо в схемі ЕП є ділянки з логічно паралельним з'єднанням елементів (блоків) (наприклад, резервування), тоді спочатку виконується розрахунок показників надійності окремо для цих елементів, а потім ЕП у цілому; знайдені показники надійності порівнюються з необхідними за технічним завданням. Якщо вони не відповідають вимогам технічного завдання, то вживаються заходи для підвищення надійності ЕП.
Забезпечення надійності електропривода на стадії його проектування
Основним способом підвищення надійності ЕП є введення різного виду надмірності, під якою мається на увазі додаткові засоби та можливості, які перевищують мінімально необхідні для виконання заданих функцій. Надмірність може бути внутрішньоелементною, структурною та тимчасовою.
Внутрішньоелементна надмірність передбачає зниження електричних навантажень на елементи системи. Це досягається заміною одного елемента іншим, функціонально подібним, але з більш високими визначальними параметрами. Наприклад, застосування конденсатора з номінальною напругою вище розрахункової створює запас електричної міцності і тим самим підвищує надійність роботи конденсатора в схемі.
Структурна надмірність, яка називається також резервуванням, є ефективним засобом підвищення надійності ЕП. Резервування припускає вмикання в схему ЕП додаткових резервних елементів, блоків і пристроїв, що дозволяє створювати навіть з не дуже надійних компонентів надійні ЕП. Важливо відзначити, що вмикання в схему ЕП додаткових елементів, блоків і пристроїв збільшує його масу, габарити і вартість, тому застосування цього способу повинно бути економічно обгрунтованим.
Резервування може бути найрізноманітнішим за своєю реалізацією. Загальне резервування передбачає резервування ЕП у цілому, а роздільне – окремих його компонентів.
При постійному резервуванні додаткові елементи та пристрої приєднані до основних (робочих) протягом усього часу їх роботи в електроприводі та знаходяться з ними в однакових умовах. При резервуванні заміщенням додаткові елементи включаються в роботу тільки після відмовлення основних.
Тимчасова надмірність передбачає використання технологічних резервів часу для відновлення працездатності ЕП. Наприклад, такий резерв часу для електроприводу верстата, який працює у складі автоматичної лінії, може бути створений за рахунок накопичення деякого запасу оброблених на ньому деталей. Якщо час відновлення працездатності ЕП (наприклад, за рахунок уведення резерву) буде менше часу, за який буде витрачений цей запас деталей, то простою лінії не буде.
Підвищення надійності електропривода за рахунок забезпечення його завадозахищеності
Робота ЕП характеризується дією як корисних електричних сигналів, які забезпечують належне (розрахункове) його функціонування, так і шкідливих, непередбачених заздалегідь (випадкових) збурень, які називаються завадами. Завади викликають збої в роботі елементів і вузлів ЕП, а іноді їх пошкодження, знижуючи тим самим надійність його роботи і різко ускладнюючи його налагодження та експлуатацію. Особливо чуттєві до завад електронні пристрої керування ЕП, які оперують з малопотужними корисними електричними сигналами.
Всі виникаючі завади можна умовно розділити на дві групи – власні та зовнішні.
Підвищення завадозахищеності ЕП повинно здійснюватися зменшенням як власних, так і зовнішніх завад. Тому будь-який ЕП повинен бути спроектований, виготовлений і змонтований таким чином, щоб, з одного боку, його компоненти не створювали завад один одному та сусіднім електроустановкам, а з іншого боку, він повинен бути захищений від впливу зовнішніх завад, які створюються іншими електроприймачами.
Розглянемо коротко ті технічні заходи, які дозволяють підвищити завадозахищеність ЕП і тим самим надійність та якість його роботи.
Власні завади. Основними джерелами цих завад в електроприводах є електричні двигуни, релейно-контакторна апаратура, тиристорні перетворювачі та електромагнітні пристрої. Такі завади можуть створюватися також при коротких замиканнях в електричних колах, при виникненні перенапруг, зв'язаних з відключенням кіл з індуктивністю, при зміні напруг на сусідніх проводах.
Завади в електричних двигунах створюються при комутації, погіршенні контакту між щітками та колектором або контактними кільцями, вібрації вала. Для зменшення цих видів завад застосовуються різні фільтри, додаткові компенсаційні обмотки, шаруваті ретельно притерті щітки, металізація внутрішньої поверхні пластмасових корпусів. Крім того, повинен бути здійснений надійний електричний контакт між частинами двигуна, а також ретельне їх складання.
Завади виникають при роботі електричних апаратів і різних електромагнітних пристроїв – гальм, муфт, затискних пристосувань, електромагнітів. При їх відключенні на обмотках апаратів і одночасно на проводах, які підводять живлення, з'являються перенапруги, які можуть у багато разів перевищувати номінальний (робочий) рівень. Ці перенапруги можуть викликати як пробій ізоляції обмоток, так і появу завад в мережі живлення та навколишньому середовищі.
Зменшення перенапруг і, тим самим, рівня завад звичайно здійснюється за допомогою схем, у яких застосовуються резистори, діоди, стабілітрони, варистори, конденсатори. Найбільше розповсюдження, в силу універсальності, простоти та ефективності, знайшли RС-кола. Будучи увімкненими паралельно котушці апарата або електромагнітного пристрою, вони істотно гасять амплітуду та швидкість наростання перенапруг, викликаних процесом відключення. Розрахунок величин R і С здійснюється виходячи з параметрів обмотки і допустимого рівня перенапруги.
Завади при роботі реле, контакторів, магнітних пускачів та іншої комутаційної апаратури виникають при вібраціях і деренчанні їхніх контактів, а також при пробої або виникненні дуги в міжконтактному проміжку. Зниження цього виду завад досягається застосуванням іскро- і дугогасників і фільтрів; схем, які здійснюють комутацію при рівності нулю струму (напруги) у колі; екранованих кабелів; кабелів зі скрученими жилами.
Завади при роботі тиристорних перетворювачів створюються через викривлення ними синусоїдальної форми напруги та струму, внаслідок чого створюються високочастотні завади (гармоніки напруги та струму). Крім того, тиристорні перетворювачі створюють завади за рахунок комутаційних процесів, які постійно протікають в них, зв'язаних з відчиненням одних тиристорів і зачиненням інших.
Найбільш ефективним засобом зменшення завад тиристорних перетворювачів є встановлення різних фільтрів. Інший шлях зменшення створюваних ними завад зв'язаний з вибором таких режимів роботи перетворювачів і способів керування ними, при яких викривлення кривих напруги та струму будуть мінімально можливими.
Зовнішні завади. Ці завади на ЕП можуть надходити через кола живлення або за рахунок дії електростатичних і електромагнітних полів, які створюються сусідніми електроустановками. До таких установок крім ЕП відносяться електричний транспорт усіх видів, повітряні лінії та підстанції електропередач, електрозварювальне устаткування, різні високочастотні промислові та наукові установки, автомобілі з двигунами внутрішнього згоряння, обчислювальні комплекси. Способи зменшення зовнішніх завад визначаються тим, чи надходять вони в ЕП по проводах (гальванічні завади) або за рахунок дії електростатичних або електромагнітних полів (ємнісні або індуктивні завади).
Гальванічні завади можуть надходити в схему ЕП у тому випадку, коли він має загальні для декількох електроприймачів кола живлення або загальний провід.
Зниження впливу гальванічних завад через мережу живлення досягається наступними основними заходами: встановленням RLС-фільтрів у місці приєднання ЕП до мережі живлення; використанням окремих блоків живлення для пристроїв керування ЕП або живленням їх через гальванічно розв'язані вторинні обмотки розділового трансформатора; застосуванням проводки з максимально можливою відстанню між проводами системи живлення та внутрішнього розведення. При цьому кола живлення доцільно виконати з максимально коротких проводів великого перерізу.
Крім кола живлення завади можуть надходити на елементи та пристрої ЕП через загальний провід, відносно якого визначається потенціал сигнальних (вимірювальних) провідників і точок схем керування. Ефективним засобом боротьби з такого роду завадами є з'єднання загального проводу схеми керування ЕП з заземлюючим контуром. У результаті завади, які надходять на ЕП через мережу живлення або виникаючі через наявність паразитних ємнісних зв'язків через кожухи блоків керування і корпус шафи, не потрапляють на пристрої керування ЕП.
При наявності декількох шаф керування здійснюється вирівнювання потенціалів їхніх корпусів за рахунок їх з'єднання в схему зірки, загальна точка якої з'єднується з контуром заземлення і струмоведучими конструкціями будівель.
Зменшення завад за рахунок дії електростатичних і електромагнітних полів може здійснюватися декількома способами.
Найбільш діючий спосіб зменшення цього виду завад передбачає розміщення блоків і пристроїв керування в металевих (феромагнітних) корпусах, а всього електроустаткування електроприводу — в металевих шафах. У результаті цього шкідливі зовнішні поля екрануються цими металевими корпусами і не викликають появи завад в електричних колах ЕП.
До цього ж способу зменшення зовнішніх завад відноситься екранування проводів і кабелів, розміщення їх у металевих трубах або коробах.
Підвищення експлуатаційної готовності електроприводів
Високоефективне функціонування робочих машин і механізмів можливо лише при надійній роботі електроприводів їхніх виконавчих органів. Основи такої надійної роботи закладаються вже на стадії проектування і конструювання ЕП, коли за допомогою розглянутих у цій лекції технічних заходів забезпечується мінімально можлива інтенсивність відмовлень ЕП і тим самим максимальні часи наробітку до відмовлення.
Однак максимально високі показники надійності ЕП ще не гарантують високу експлуатаційну готовність до роботи машин і механізмів, які ним приводяться у рух. Наприклад, відмовлення в електроприводах можуть виникати рідко, але вимагають великого часу для їх виявлення та ліквідації або, як кажуть, великого часу відновлення працездатності ЕП. У цьому випадку технологічне устаткування буде значний час простоювати, що викликає економічні збитки. Таким чином, експлуатаційна готовність електроприводу визначається також пристосованістю його до виявлення несправностей і відмовлень та усуненню їх шляхом ремонтів і технічного обслуговування, що було раніше названо ремонтопридатністю.
Кількісно експлуатаційна готовність ЕП визначається коефіцієнтом готовності Кг.
(15.10)
де Твідм – середній наробіток до відмовлення, год.; Твідновл. – середній час відновлення (середня тривалість відмовлення), що представляє собою математичне очікування часу відновлення працездатності ЕП, год.
У деяких випадках готовність ЕП оцінюється коефіцієнтом технічного використання Ктех.вик., який визначається за формулою
(15.11)
де Тобсл — сумарний час простоїв через планове та позапланове технічне обслуговування ЕП, год.
Чим ближче коефіцієнт Кг до одиниці, тим вище технічний рівень ЕП і тим ефективніше може бути використане технологічне устаткування.
Як випливає з (15.10), для отримання великого коефіцієнта готовності треба в максимальному ступіні скорочувати час відновлення Твідновл.. У загальному випадку цей час складається з інтервалу між моментами виникнення відмовлення та початку ремонту Твиявл. (період виявлення відмовлення) і часу Тр ремонту ЕП (періоду ліквідації відмовлення). Таким чином, скорочення часу Твідновл. відновлення працездатності ЕП визначається скороченням термінів на виявлення та ліквідацію відмовлення (несправності ЕП). Розглянемо технічні заходи, які дозволяють скоротити час Твідновл. і тим самим підвищити коефіцієнт готовності ЕП і технологічного устаткування, яке ним обслуговується.
Скорочення часу виявлення відмовлення Твиявл. забезпечується головним чином за рахунок використання схем контролю за роботою окремих пристроїв ЕП. При виникненні несправності або відмовлення схема контролю забезпечує звукову або світлову сигналізацію, а в аварійних ситуаціях – спрацьовування захисту ЕП. Найпростішими функціями схем контролю і сигналізації є, наприклад, світлова сигналізація про стан електричних апаратів схем керування електроприводів, наявності або відсутності напруги або струму на входах або виходах електротехнічних пристроїв ЕП.
Розвиток схем контролю зв'язаний зі створенням діагностуючих пристроїв з використанням у першу чергу ЕОМ. Широкі можливості діагностуючих засобів на базі ЕОМ визначаються їхньою здатністю одержувати, запам'ятовувати, обробляти та розподіляти великі обсяги інформації за короткий час. Наприклад, зіставляючи задані та істинні (поточні) значення електричних сигналів у пристроях ЕП або в їх окремих елементах і вузлах, система діагностики здатна оцінити їхню працездатність і видати інформацію про місце і характер несправності.
Ефективність дії схем контролю та діагностики в значній мірі визначається схемотехнічним і конструктивним виконанням пристроїв ЕП. Якщо вони побудовані за блочно-модульним принципом, мають необхідну кількість зручних контрольних точок (виводів) електричних кіл і елементів сигналізації, то час виявлення несправного блоку або пристрою суттєво скорочується.
Зниженню часу пошуку несправностей або відмовлень сприяють також наявність мнемосхеми ЕП і його окремих пристроїв, достовірної та зручної у використанні технічної документації на компоненти ЕП і відповідних позначень та надписів на них, цілеспрямована робота з узагальнення даних про виникаючі несправності та відмовлення експлуатованих ЕП, постійне підвищення кваліфікації обслуговуючого персоналу.
Пристрої, які входять до складу ЕП за своїм конструктивним виконанням є, як правило, відновлюваними або, іншими словами, придатними до ремонту. Час ремонту Тр пристроїв і блоків ЕП визначається, головним чином, рівнем організації служб ремонту і матеріально-технічного постачання підприємства. У загальному випадку ремонт устаткування може здійснюватися відповідним персоналом дільниці, цеху або централізовано в межах підприємства (об'єднання) або ж за допомогою сторонньої організації (у тому числі при гарантійному ремонті).
Організація ремонту несправного блоку може здійснюватися за двома варіантами. У першому випадку після виявлення відмовлення, несправний блок ремонтується, а ЕП і відповідне технологічне устаткування в цей час не працюють (простоюють). При значному часі ремонту така його організація призводить до великих економічних збитків.
При другому, доцільному, варіанті організації ремонтної служби, в її розпорядженні повинен знаходитися комплект запасних елементів і блоків ЕП. У цьому випадку при відмовленні ЕП час його ремонту визначається тільки заміною несправного блоку на запасний, що не призводить до тривалого простою устаткування. Вилучений зі схеми несправний блок піддається ремонту і через якийсь час знову стає справним і вводиться в число запасних. Очевидно, що й у цьому випадку блочно-модульний принцип виконання ЕП дозволяє одержати суттєвий економічний ефект.
Неважко помітити, що якщо час роботи ЕП між відмовленнями блоку якого-небудь типу буде більше часу ремонту цього блоку, то для виключення простою ЕП досить мати про запас тільки один такий запасний блок.
Якщо ЕП має п однотипних працюючих блоків (елементів, вузлів, пристроїв) з інтенсивністю відмовлень , то ймовірність відсутності простою ЕП при наявності в запасі одного запасного блоку з часом ремонту tрем визначається за формулою [21]:
(15.12)
Наприклад, якщо п = 10; = 10,5 1/год.; tрем = 100 год., то ця гарантійна ймовірність
Іншими словами, якщо на десять працюючих блоків є один запасний з часом ремонту 
год., то з 99 % імовірністю ЕП не буде простоювати при виникненні несправності цих блоків.