CC BY
50
УДК 62-192:681.537
О ПОВЫШЕНИИ НАДЕЖНОСТИ ТРЁХФАЗНЫХ ВЫПРЯМИТЕЛЕЙ ТОКА В СИСТЕМАХ ЭЛЕКТРОСНАБЖЕНИЯ АВТОМОБИЛЕЙ
В.И. Никитин, доцент, к.т.н., И.С. Трунова, студент,
А.М. Шевченко, студент, ХНАДУ
Аннотация. В условиях повышенных ударных и вибрационных нагрузок систем электроснабжения современных автомобилей рассматривается метод защиты трёхфазных выпрямителей переменного тока от отказов типа «обрыв» и «короткое замыкание»; приводится оценка выигрыша надежности при этом.
Ключевые слова: система электроснабжения автомобиля; генератор трёхфазного переменного тока; диодный выпрямитель трёхфазного переменного тока в постоянный; надежность; отказы типа «обрыв» и «короткое замыкание»; работоспособность; вероятность безотказной работы; выигрыш надежности.
Введение
Известная триада: «надежность (эффективность) -качество - конкурентоспособность» находится в тесной корреляционной зависимости от ее составляющих. При этом управление свойством надежности на этапах функционирования анализируемой конструкции, открывают возможности создания гибких систем управления (менеджмента) качеством и конкурентоспособностью конструкций в условиях динамики рынка товаров и услуг.
Напомним [1], что надежность элементов и узлов систем электроснабжения автомобилей как объекта настоящего исследования является важнейшей структурной составляющей как надежности ДВС, так и надежности автомобиля в целом.
Анализ публикаций
Одной из составных частей электрооборудования современного автомобиля являются генераторы трёхфазного тока, выход которых соединен с устройствами преобразования тока из переменного в постоянный. Так, например, в схемах электроснабжения современных автомобилей (фирмы Bosh) используются генераторы тока с встроенными выпрямительными устройствами различных схем (рис. 1).
Проведенный авторами анализ публикаций по проблеме управления эксплуатационной надежностью электрооборудования автомобилей (ЭОА) и его функциональных подсистем [2, 3], свидетельствует, что вопросы управления надежностью (ЭОА) в условиях повышенных ударных и вибрационных
нагрузок, увеличивающих вероятность возникновения отказов типа «обрыв» и «короткое замыкание», изучены недостаточно и не учтены в конструкции узлов и деталей ЭОА.
Рис. 1. Схема размещения силовых диодов выпрямителя на двух пластинах в генераторе автомобиля
Здесь, под управлением надежностью функциональных подсистем ЭОА будем понимать возможность плановой (прогнозируемой профилактической) замены узлов некоторой подсистемы ЭОА, «критичной» к отказам типа «обрыв» и «короткое замыкание», на функционально идентичные узлы (подсистемы), обладающие конструктивной защитой от анализируемых типов отказов, характерных для условий эксплуатации с повышенными ударными и вибрационными нагрузками.
Цель и постановка задачи
Фа = иа = Пт sin(t;
(1)
Учитывая, что современный автомобиль работает в условиях переменных нагрузок по параметрам окружающей среды (температура, влажность, давление), а также по параметрам вибрационных и ударных нагрузок и т.п.; необходимо при проектировании элементов и узлов электроснабжения автомобилей гарантировать их безотказную работу, в том числе с учетом обрывов и коротких замыканий элементов электрических схем.
Цель исследования - обоснование выбора метода защиты элементной базы ЭОА от отказов типа «обрыв» и «короткое замыкание» в интересах управления его надежностью.
Ставится задача - в условиях повышенных ударных и вибрационных нагрузок систем электроснабжения современных автомобилей, на примере элементной базы трёхфазного выпрямителя переменного тока, исследовать и разработать эффективный метод его защиты от отказов типа «обрыв» и «короткое замыкание»; провести оценку выигрыша надежности при этом. Использовать выбранный метод защиты как вариант управления надежностью ЭОА в условиях различных условий эксплуатации.
Анализ электрической схемы ВУ
Рассмотрим трёхполупериодный выпрямитель (рис. 2), предназначенный для преобразования переменного тока (~1) автомобильного генератора в постоянный ток (-I) [5].
Рис. 2. Трёхполупериодный выпрямитель
В настоящее время подобные устройства преобразования тока широко используются в электрооборудовании отечественных и зарубежных автомобилей.
Из анализа электрической схемы ВУ следует, что половина диодов выпрямителя (VD1, VD3 и VD5) образует группу, в которой соединены все катодные выводы, а у второй половины диодов (VD2, VD4 и VD6) соединены все анодные выводы.
Если принять значение потенциала нейтральной точки N (рис.2) трехфазного источника ф^ = 0, то при этом потенциалы его выводов будут соответственно равны
Фь = иь = Пт эт(( -120°); (2)
фс = ис = Пт эт(|( - 240°) . (3)
Таким образом, в каждый момент времени работает тот диод первой группы, у которого анодный вывод имеет больший положительный потенциал фАшах > 0 относительно потенциальной нейтральной точки N а вместе с ним - диод второй группы, у которого катодный вывод имеет наибольший по абсолютному значению отрицательный потенциал ф^ шах относительно потенциала этой же точки. Чтобы проследить порядок переключения диодов, разделим один период Т времени работы цепи на шесть равных интервалов времени. Как показано в табл. 1 для каждого интервала времени приведены величины с наибольшим положительным потенциалом анодов фА шах диодов первой группы и с наибольшим по абсолютному значению отрицательным потенциалом катодов ф^шах диодов второй группы, а также номера открытых диодов.
Т аблица 1 Порядок переключения диодов в трёхфазной мостовой схеме выпрямителя
Диод первой группы Диод второй группы
VD1 VD4
VD1 VD6
VD3 VD6
VD3 VD2
VD5 VD2
VD5 VD4
Таким образом, в соответствии с Т.1 в трёхфазной мостовой схеме ВУ в каждый момент времени всегда «попарно» работают диоды первой и второй групп. Этот вывод будет использован при оптимизации элементной базы ВУ в задаче обеспечения его надежности
Анализ работоспособности элементной базы ВУ
Рассмотрим возможные состояния работоспособности отдельно взятого диода при протекании тока в прямом и обратном направлениях (табл. 2).
Таблица 2 Состояния работоспособности диода
VD Виды отказов
Направление тока Обрыв КЗ
К К
К К
Здесь R - работоспособное состояние диода, R - неработоспособное состояние диода.
Данные табл. 2, свидетельствует о том, что если диод «открыт» (в прямом направлении тока I ),
то, для него критичными (в смысле надежности) являются отказы типа «обрыв».
Далее, согласно табл. 2, если диод «закрыт» (в обратном направлении тока I ), то он критичен к отказам типа «короткое замыкание».
Возможной мерой защиты диода (У01) от «обрывов» является постановка резервного диода (У01Я1) с его параллельным электрическим соединением (рис. 3).
Рис. 3. Диоды VD1 и VD1R1 с резервным (параллельным) электрическим соединением
Возможной мерой защиты диода (VD1) от «коротких замыканий» является установка дополнительного диода (VD1R2) с его последовательным электрическим соединением, (рис. 4).
¥В1 ¥0*2
Рис. 4. Диоды VD1 и VD1R2 с резервным (последовательным) электрическим соединением
При этом для защиты одного отдельно взятого диода О) от «обрывов» и «коротких замыканий», возникающих при его работе в прямом и обратном направлении тока, необходима минимальная электрическая схема, представленная на рис. 5.
Рис. 5. Электрическая схема резервирования одного диода от «обрывов» и «коротких замыканий»
Метод обеспечения надежности ВУ в условиях ударных и вибрационных нагрузок
Распространим принятый метод защиты отдельно взятого диода от «обрывов» и «коротких замыка-
ний» на электрическую схему трёхфазного ВУ в целом. Тогда исследуемая электрическая схема (рис. 3), в надежности которой должно учитываться возникновение обрывов и коротких замыканий в условиях экстремальных ударных и вибрационных нагрузок, может иметь вид, представленный на рис. 6.
Рис. 6. Доработанная электрическая схема ВУ с резервированием каждого диода
Поскольку доработанная электрическая схема ВУ (рис. 6), отвечающая предъявленным дополнительным требованиям по надежности, обладает структурной избыточностью, произведем её последующую оптимизацию по следующему правилу.
1. Учитывая, что в исходной электрической схеме ВУ попарная работа диодов (см. табл. 1) обеспечивает их защиту от коротких замыканий, то модернизацию схемы возможно осуществить до следующего вида (рис. 7).
Рис. 7. Вариант электрической схемы ВУ с защитой от «коротких замыканий», при условии «попарной» работы диодов
2. Учитывая, далее, что оставшиеся в схеме резервные диоды работают только в прямом направлении тока и предназначены лишь для защиты основных диодов от «обрывов» заменим эти дорогостоящие элементы на более дешевые резисторы, электрические параметры которых обеспечивают надежную работу в прямом и обратном направлении.
Тогда модернизированная электрическая схема, обеспечивающая защиту ВУ от отказов типов «обрыв» и «короткое замыкание», примет окончательный вид, представленный на рис. 8.
¡'fi i4 i2
Рис. 8. Оптимизированная электрическая схема выпрямителя с его защитой от отказов типа «обрыв» и «короткое замыкание»
Сравнительный анализ надежности исходной и доработанной электрических схем трёхфазного выпрямителя
Рассмотрим одиночный диод (VD) входящий в состав ВУ, вероятность появления отказа которого (как «системы «I»)
Qi = qD . (4)
Тогда для диода, резервированного резистором, вероятность появления отказа (как “системы “II”)
QII = qD ■ qR . (5)
При этом выигрыш в надежности имеет следующий вид:
AQ = Q = -qD- = — =----------1------= * R) .(6)
QII qD ' qR qR qOR 1 qK3R qR (a + P)
Здесь (a, в) < 1 - весовые коэффициенты видов отказов.
Поскольку
qR < 1, то AQ > 1 и Qi > Qn . (7)
Или
Pi <Pii. (8)
Неравенство (8) справедливо и в том случае, если все попарно соединенные диоды исходной и модернизированной электрической схемы соединены (в смысле надежности) по основной схеме на протяжении одного периода Т работы ВУ.
Таким образом (по показателю вероятности безотказной работы) надежность ВУ в целом после его модернизации стала больше надежности исходной схемы, т.е. PВУ11 > Рву1 .
Выводы
Показано, что для защиты элементной базы выпрямителей трёхфазного тока, работающих в условиях повышенных вибрационных и ударных нагру-
зок, приводящих к увеличению вероятностей появления отказов типов «обрыв» и «короткое замыкание», целесообразно выполнение конструктивной доработки исходной электрической схемы ВУ путем параллельного подключения резисторов соответствующего номинала к каждой паре одновременно работающих диодов.
Для выполнения доработки электрической схемы на серийных автомобилях, где ВУ конструктивно совмещен с корпусом генератора переменного тока, а сам генератор закреплен непосредственно на двигателе как источнике постоянных вибрационных и ударных нагрузок целесообразно вынести ВУ из корпуса генератора как самостоятельный модуль и при этом осуществлять его автономную замену с учетом потребностей в доработанной электрической схеме. С этой целью необходимо обеспечить ремонтопригодность существующих конструктивных схем «генератор - выпрямительное устройство».
Предложенный метод защиты ВУ от отказов типов «обрыв» и «короткое замыкание» и их влияние на работоспособность пары «генератор -ВУ», вместе с раздельным конструктивным (модульным) исполнением ВУ, способствует повышению надежности электрооборудования автомобилей и таких его составных частей как двигатель в целом.
Наличие положительного выигрыша в надежности модернизированной схемы ВУ следует рассматривать как резерв управления таким ресурсом ЭОА как его надежность.
Литература
1. Абрамчук Ф.І. и др. Двигуни внутрішнього
згоряння: серія підручників у 6 томах. -Т.6. Надійність ДВЗ / За ред. А.П. Марчен-ка, А.Ф. Шеховцова. - Харків: ХДАДТУ, 2004. - 324 с.
2. Сотсков Б.С. Основы теории и расчета на-
дежности элементов и устройств автоматики и вычислительной техники. - М.: Высшая школа, 1970. - 272 с.
3. Никитин В.И.и др. Надежность систем элек-
троснабжения автомобилей // Вестник ХГАДТУ / Сб. научн. трудов. - Харьков: ХНАДУ. - 2000. - Вып. 12-13. - С. 214 - 217.
4. Касаткин А.С., Немцов М.В. Электротехника:
Учебник для вузов. - 8-е издание. - М: Издательский центр «Академия», 2003. -544 с.
Рецензент: Ф.И. Абрамчук, профессор, д.т.н., ХНАДУ.
Статья поступила в редакцию 12 апреля 2007 г.
