Надежность электрических устройств и систем

Под надежностью системы понимается способность системы сохранять свойства, необходимые для выполнения заданного назначения, при нормальных условиях ее эксплуатации в течение требуемого промежутка времени. Таким образом, надежность проявляется при нормальном уровне воздействий на систему.

Надежность является комплексным свойством, включающим в себя свойства безотказности, долговечности, ремонтопригодности и сохраняемости.

Таким образом, надежность определяет эксплуатационные свойства технических объектов и систем с точки зрения пригодности к техническому использованию, их долговременности и возможности поддержания исправности (работоспособности) при выполнении всего объема задач в заданных условиях эксплуатации и срока применения.

Требование надежной работы является одним из важнейших. Оно может состоять как в том, чтобы система непрерывно и безотказно функционировала в течение заданного времени, так и в том, чтобы система, не работающая непрерывно, была готова к выполнению своих функций в нужный момент времени.

Надежность системы может быть оценена с помощью количественных показателей. Анализ надежности состоит в определении и исследовании этих показателей.

Основными задачами этого анализа являются следующие:

  - оценка надежности уже готовых схем по надежности составляющих элементов;

  - определение необходимого числа запасных элементов (ЗИП), а также частоты и объема профилактических и ремонтных работ;

  - исследование надежности проектируемых систем с целью разработки мер по ее обеспечению.

В процессе проектирования закладывается желаемый уровень надежности систем и устройств. На этой стадии повышение надежности обеспечивается:

  - выбором надежных схем;

  - выбором элементов и режимов их работы;

  - выбором материалов и конструкций и конструктивного решения устройств;

  - удобством технического обслуживания и восстановления.

На этапе проектирования основной задачей является построение рациональной структуры, т. е. выбор такой схемы соединения элементов, при которой надежность всего устройства или системы была бы достаточно высокой. Эта работа в первую очередь связана с необходимостью просто, быстро и точно выполнять расчеты показателей надежности проектируемых устройств.

Предлагаемые наиболее простые и наименее трудоемкие методы расчета надежности основаны на следующих допущениях:

  - интенсивность отказов  однотипных элементов в различных режимах нагрузки и условиях работы, предусмотренных техническими условиями, считается одинаковой;

  - интенсивность отказов элементов  принимается неизменной, т. е.  в течение всего срока службы.

  - отказы элементов являются событиями независимыми и носят случайный характер.

Таким образом, предполагается, что распределение потока отказов элементов и системЭУ и ЭС подчиняется экспоненциальному закону. Экспоненциальное распределение типично для сложных систем, состоящих из разнородных элементов, для каждого из которых условие  может, не удовлетворятся.

Основным способом повышения надежности является использование более надежных схем с применением бесконтактных коммутирующих элементов.

 Выделенный фрагмент электропривода с точки зрения надежности имеет следующую структуру:

 

где Q – выключатель;

UZ1 – блок тиристоров;

ТА – трансформатор тока;

М – электродвигатель;

UZ2 – выпрямитель;

VT – силовой транзистор.

 

Данный фрагмент представляет собой часть силовой схемы, построенной по принципу последовательного соединения элементов. Высокая степень надежности достигается с помощью применения блочного способа построения схемы, т.е. вышедший из строя элемент может быть заменен на работоспособный за минимально короткое время.

Запишем функцию вероятности безотказной работы системы исходя из структурной схемы:

где вероятность безотказной работы i – го элемента определяется по экспоненциальному закону:     

 

  где  – интенсивность отказов i–го элемента (определяется по справочным данным). Т. е. это условная вероятность возникновения события, при условии, что для рассматриваемого момента времени событие не разу не реализовалось в прошлом;

 – расчетное время работы.

Отсюда, зная , определим вероятность безотказной работы нашей системы для заданного промежутка времени.

Интенсивности отказов:

– выключатель;

– тиристор;

– трансформатор тока;

– асинхронный электродвигатель с фазным ротором;

 – выпрямитель;

– силовой транзистор.

Таким образом, суммарная интенсивность отказов системы:

;

.

В настоящее время используются следующие основные показатели надежности:

              - вероятность безотказной работы;

  - среднее время безотказной работы;

  - коэффициент готовности;

  - продолжительность вынужденного простоя системы.

Среднее время безотказной работы системы применимо в качестве показателя надежности для случаев, когда нас интересует среднее время между отказами системы, например, при планировании профилактических и ремонтных работ, а также как вспомогательный показатель при анализе надежности обслуживаемых систем.

Среднее время безотказной работы для случая экспоненциального закона как показатель безотказности представляет собой математическое ожидание наработки до первого отказа:

,

т. е. средняя наработка до отказа равна площади под кривые вероятности безотказной работы.

Вероятность безотказной работы употребляется для оценки надежности систем, необслуживаемых во время работы, или в случаях, когда обслуживание осуществляется только в определенные моменты времени.

Вероятность безотказной работы за  составит:

.

Коэффициент готовности — вероятность того, что система будет пригодна к использованию в любой момент времени. Он применяется для оценки надежности обслуживаемых систем периодического и разового использования.

Коэффициент готовности определяется через интенсивность отказов и среднее время восстановления системы  (в которое входит и время обнаружения неисправности):

где ,  – математические ожидания времени наработки до отказа и времени восстановления соответственно.

Продолжительность вынужденного простоя системы используется как характеристика надежности для обслуживаемых систем в том случае, если длительность простоя имеет существенное значение для выполнения системой поставленных задач.

Итак, при вероятности безотказной работы 81.7% система обладает высокой эксплуатационной надежностью, так как коэффициент готовности ее составляет 99.99%. При этом, среднее время вынужденного простоя за 8760 ч составляет:

 

 

Вывод: рассматриваемая система является обслуживаемой, допускающей в случае необходимости перерывы в работе для поиска неисправности и восстановления.