Динамо-машины  Конструирование преобразователей, силовые полупроводниковые приборы 

1 2 3 4 5 [ 6 ] 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 27 28 29 30 31 32 33 34 35 36 37

погодных факторов могут существенно ухудщить надежность изделия. Неквалифицированный монтаж и несоблюдение необходимых условий при пуске в эксплуатацию также могут быть причинами отказов.

При эксплуатации большое влияние на надежность преобразователей оказывают температура окружающей среды и ее изменения, характер изменения тока и напряжения нагрузки, условия охлаждения и другие факторы среды.

Для расчета надежности преобразователя необходимо знать показатели надежности всех определяющих элементов. Определяющими элементами являются те, отказ которых приводит к полному отказу преобразователя и его выходу из строя. Эти элементы можно считать совокупностью элементов, включенных последовательно. Для результирующего значения Тр средней наработки на отказ устройства, состоящего из к групп элементов с числом элементов в группе и и со средней наработкой на отказ /-го элемента, равной Г, справедливо следующее соотнощение:

Т = =

Для примера определим результирующую среднюю наработку на отказ неуправляемого выпрямителя, который имеет в своем составе 8 диодов, 2 электролитических конденсатора, I керамический конденсатор, 1 проволочный резистор, 28 соединений пайкой и 6 винтовых соединений. Средняя наработка на отказ каждого элемента в отдельности и весь расчет приведены в табл. 5.

Это относительно простое устройство без управляющих и регулирующих цепей имеет довольно высокую надежность, причем результирующая средняя наработка на отказ меньше средней наработки на отказ наименее надежного элемента, каким здесь является электролитический конденсатор. Влияние двух электролитических конденсаторов на результирующее значение интенсивности отказов преобразователя больше влияния всех остальных элементов и соединений.

Табличное представление расчета надежности, как это показано в табл. 5, удобно тем, что оно наглядно выявляет слабые места, на которых нужно сосредоточить внимание, разрабатывая способы повышения надежности.

Надежность силовых полупроводниковых преобразователей в значительной степени определяется уже на этапе их разработки и конструирования. На этапе разработки следует идти по пути использования хорошо зарекомендовавших себя и испытанных схемных решений, применять надежные комплектую-

Таблица 5. Пример расчета надежности простого снлоного полупроводннконого преобразова1еля

Примечание:

Т =

X п,/Г,=4,89-10- ч 1

4,89 10

-- = 205 000 ч.

щие элементы и обратить внимание конструктора на возможность взаимного влияния отдельных элементов и их электрических соединений.

Что касается примененных элементов, то следует снижа1ь их нагрузку относительно значений допустимой нагрузки, указанных в калалогах изготовителей. Надежность существенно повышается при снижении нагрузки элементов по току и напряжению, что связано, главным образом, с рабочей температурой электротехнических и электронных элементов. Известно, что некоторые зарубежные фирмы издают для своих исследователей и конструкторов собственные каталоги покупных элементов. Значения допустимых нагрузок в этих каталогах служебного пользования значительно ниже, чем в каталогах изготовителей, и указываются на основании собственных длительных испытаний, проводимых службой входного контроля предприятий с учетом предполагаемой области применения данных элементов. Исследователи и конструкторы имеют право ориентироваться только на каталоги собственных предприятий, а не на каталоги изготовителей. Это позволяет существенно увеличить надежность преобразователей.

Конструктор преобразователя, получающий в качестве исходной документации принципиальные схемы силовых и управляющих цепей, перечень элементов и указания об источниках тепловых потерь, помех и т. п., оказывает влияние на надежность выбором механических и электрических соединений, защиты и способов охлаждения преобразователя. Разделение труда при конструировании силового полупроводникового

преобразователя, как правило, таково, что силовые цепи конструирует одна специализированная группа, а управляющие цепи - другая.

Надежность механической части конструкции преобразователя основана на обеспечении устойчивости к действию вибраций, уровень которых определяется назначением преобразователя. Узлы, которые могут быть повреждены вибрацией, закрепляются с помощью амортизирующих элементов. Крепления деталей должны быть такими, чтобы при нормальной работе они не ослаблялись.

Электрические соединения с точки зрения надежности являются относительно слабым местом преобразователя. В силовых цепях необходимо обращать внимание на правильный выбор сечения и надежного способа соединений. Хорошие резьбовые соединения с пружинными шайбами являются очень надежными. При соединении различных металлов необходимо следить за тем, чтобы не образовывались опасные гальванические пары. В управляющих цепях можно считать, что надежность различных видов соединений уменьшается в следующей последовательности: сварные соединения; навитые соединения; соединения машинной пайкой; соединения механической обжимкой; соединения ручной пайкой.

По данным фирмы RCA (США) средняя наработка на отказ отдельных видов соединений составляет:

сварные соединения 5 10ч;

навитые соединения 2,5 10 ч;

соединения машинной пайкой l IOч;

соединения ручной пайкой 1 10 ч.

Из сказанного следует, что самыми ненадежными являются соединения ручной пайкой, поэтому при массовом производстве преобразователей постепенно переходят на более надежные виды соединений.

Места паек в печатных платах, особенно односторонних, должны быть механически разгружены. При механической нагрузке печатный проводник может легко отклеиться от изоляционной пластины. Это очень часто является причиной отказов в печатных соединениях. Более надежными при механической нагрузке являются двухсторонние печатные платы с металлизированными отверстиями. Разрезы места пайки односторонней (а) и двухсторонней (б) печатных плат показаны на рис. 6.

С точки зрения надежности очень важно, чтобы при снятии изоляции с концов проводов не были ни в малейшей мере повреждены даже царапиной проводниковые жилы. Даже очень незначительные повреждения становятся причиной последующего полного излома проводника, особенно подверженного действию вибраций. Это особенно касается алюминиевых

Рис. 6. Разрез печатной платы с припаянным проводом

проводов, но определенная опасность грозит и поврежденным медным проводам. Поэтому для снятия изоляции с проводов должны использоваться только проверенные инструменты без острых граней, которые могли бы повредить проводниковую жилу.

Корпус преобразователя предохраняет его от воздействия внешних факторов, препятствует проникновению воды, пыли в определенной мере, зависящей от степени защиты (см. гл. 1). Отрицательное воздействие на преобразователь оказывает влажность. Поэтому необходимо герметизировать преобразователь или обеспечивать его достаточную вентиляцию. Нет никакого третьего, промежуточного между этими крайними, способа борьбы с влажностью. Частичная защита, которая позволяет влажному воздуху проникать в преобразователь, а затем препятствует его свободному обмену, приводит к концентрации влаги, образованию конденсата при изменении температуры и в результате к появлению коррозии и повреждению изоляции.

Система охлаждения должна таким образом отводить тепловые потери из преобразователя, чтобы без исключения ни в одном месте преобразователя температуры даже на короткое время не превышала допустимых значений. При этом устройств во охлаждения само должно быть как можно надежнее. Этим требованиям лучше всего отвечает преобразователь laquo;без охлаждения raquo;, т. е. с естественным воздушным охлаждением, которое довольно часто используется при наличии свободного места в преобразователе (например, при замене ртутных выпрямителей полупроводниковыми в тяговых подстанциях), а также когда высокая надежность является решающим фактором при использовании преобразователя. Размеры охладителей и других узлов преобразователя при естественном охлаждении получаются относительно большими, поэтому чаще применяют принудительное воздушное охлаждение. Для обеспечения надежной работы должны, использоваться правильно выбранные вентиляторы с высококачественными подшипниками. От изготовителей вентиляторов необходимо требовать сведений о количественных показателях надежности и на их основе выработать концепцию плановых ремонтов, чтобы в максимальной мере избежать непредвиденных аварий системы вентиляции. Каждый преобразователь с принудительным воздушным охлаждением должен быть обязательно снабжен датчиком контроля работы охлаждения. Хорошо зарекомендовали себя биметаллические датчики температуры, которые, однако, подают сигнал лишь при

превышении заданной температуры в месте их установки. При быстром возрастании температуры полупроводникового элемента они могут не успеть среагировать. Поэтому лучшим решением является контроль потока воздуха вентилятора с помощью анемометра с контактным или бесконтактным датчиком-выключателем.

При применении жидкостного охлаждения для обеспечения надежности очень важно использовать хорошие вентили и датчики уровня и температуры жидкости.

Если нет технической возможности достичь заданной надежности применением элементов с высокой надежностью, должно использоваться резервирование. Резервирование может быть полным, если для него используются два или более комплектных устройства, или частичным, если для него удваивается или утраивается число только некоторых узлов.

Резерв может быть ненагруженным, когда при отказе одного устройства или его резервированной части через определенное (обычно короткое) время вручную или автоматически включается другое такое же устройство или его часть. Более современным является нагруженный резерв, когда основное и резервное устройства работают параллельно и при отказе одного из них всю нагрузку принимает на себя второе исправное устройство. В это время вышедшее из строя устройство ремонтируется, чюбы включиться в работу при отказе второго.

Любое оборудование требует определенного обслуживания и ремонта. Плановое техническое обслуживание производится через определенные промежутки времени, внеплановое - при авариях. Длительность планового обслуживания или ремонта .может быть относительно большой, так как они предусматриваются заранее и обычно производятся при остановке всей технологической линии. Внеплановое обслуживание или ремонт при аварии должны выполняться как можно быстрее, чтобы оборудование простаивало как можно меньше. На основании регистрации простоев по причине обслуживания и ремонтов в течение определенного времени можно определить среднюю продолжительность ремонта, которая получается как отношение обшей продолжительности ремонта к числу простоев оборудования. Если, например, за определенное время по причине ремонтов было четыре остановки общей продолжительностью 12 ч, средняя продолжительность ремонта равна 3 ч. Средняя продолжительность ремонта является важным показателем для оценки так называемой ремонтопригодности оборудования. Чем меньше средняя продолжительность ремонта, тем выше ремонтопригодность.

Продолжительность ремонта можно значительно сократить применением современных методов поиска и диагностики неисправностей, а также использованием быстрозаменяемых

блоков и повышением квалификации обслуживающего персонала.

Быстрый поиск неисправности обеспечивает встроенная система диагностики преобразователя, которая может мгновен-ио определять поврежденный элемент. Большую помощь может при этом оказать также продуманный алгоритм поиска неисправности.

Надежность каждого устройства, являющаяся одним из показателей его качества, очень тесно связана с его стоимостью. Можно говорить о стоимости надежности, под которой подразумевается сумма стоимостей всех мероприятий, направленных на обеспечение надежности устройства.

Стоимость каждого устройства можно разделить на стоимость разработки, стоимость изготовления и стоимость обслуживания и ремонтов.

Зависимость между этими тремя составляющими стоимости и надежностью, выраженной, например, через среднюю наработку между отказами, показана на рис. 7. Стоимость разработки и изготовления увеличивается с повышением надежности. В то же время чем надежнее оборудование, тем меньше расходы на его обслуживание и ремонт, в которые могут быть включены и потери от простоев. Результирующая общая стоимость, полученная как сумма этих трех составляющих стоимости, образует кривую, которая на практике всегда имеет минимум. Этой минимальной общей стоимости устройства соответствует экономический оптимум надежности. На практике часто наблюдаются большие отклонения от этого оптимального значения. Электронные товары широкого потребления ориентированы влево от минимума, так как в конкурентной борьбе решающей часто является покупная цена. Промышленные электронные изделия с высокими требованиями к надежности, предназначенные для дорогостоящих технологических комплектов, смеще--ньт вправо от минимума, так как в этом случае стоимость приобретения оборудования может быть и большей, чтобы сократить простои по причине обслуживания и ремонтов.

2.3. ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЕ ТРЕБОВАНИЯ ПРОИЗВОДСТВА

Технология производства каждого изделия определяется его серийностью. Чем больше одинаковых изделий подлежит изготовлению, тем более дорогостоящей может быть подготовка производства и тем дешевле должно быть собственно производство. Силовые полупроводниковые преобразователи относятся к изделиям относительно малой серийности. Исключением являются только малые компактные преобразователи широкого применения, ежегодный выпуск которых может достигать нескольких тысяч штук. Большие серии преобразова-