книги / Обеспечение надежности стабилизаторов напряжения при проектировании и производстве
..pdfвозможность пересмотреть требования к классу точности СН в сторону увеличения и комплектующих их элементов в сторону уменьшения; ужесточить требования к допускам основных контро лируемых параметров на ранних этапах серийного производства СН для уменьшения влияния изменений запаса работоспособности СН на надежность; прогнозировать работоспособность серийных СН.
Г л а в а 5
ДИНАМИЧЕСКИЙ КОНТРОЛЬ РАБОТОСПОСОБНОСТИ СТАБИЛИЗАТОРОВ НАПРЯЖЕНИЯ
Стабилизатор напряжения подвергается различным видам испытаний, при .которых в зависимости от поставленных задач формируются определенные режимы или возмущения и обеспечи ваются необходимые воздействия (например, климатические и др.). Значительное время при серийном производстве СН занима ют технологические и приемосдаточные испытания, которые могут быть использованы для проверки их технической надежности. При этом, учитывая ограничения по времени, целесообразно создавать условия, с одной стороны, приближающиеся к условиям эксплуа тации СН в составе УЭП ИУС и ЦВС, а с другой — обеспечи вающие возможность проявления признаков неработоспособно
сти СН.
Известно [12], что испытания СН могут проводиться под влия нием климатических воздействий, возмущений в виде детермини рованной последовательности контрольных сигналов и цикличе ского изменения напряжения питания СН с соответствующими временными параметрами. Рассматривая эти воздействия, следу ет иметь в виду, что повышение температуры окружающей сре ды при испытаниях СН ограничено тем, что материалы и элемен ты, комплектующие СН, имеют различную теплоустойчивость. Поэтому максимально допустимая температура окружающей среды при испытаниях СН не должна превышать значения, ус тановленного для материала или элемента с минимальным запа сом теплоустойчивости. В связи с этим использование данного фактора при испытаниях СН не всегда дает эффективные ре зультаты.
В гл. 2 и 3 показана необходимость проверки стабильности устойчивости и динамической устойчивости СН. Такой динамиче ский контроль работоспособности СН позволяет получить более полную информацию о технической надежности СН и повысить эффективность контроля их качества. Поэтому для оценки тех нической надежности более рационально применение методов и средств динамического контроля формирующих специальные сиг налы с соответствующими характеристиками.
Процесс проверки работоспособности состоит из совокупно сти контрольных операций и определенных видов испытаний, по следовательность которых выбирается с целью получения боль шого количества полезной информации в единицу времени. Про верка работоспособности определяется разными факторами |[16], из которых основными для условий серийного производства СН можно считать обеспечение специальных режимов испытаний и применение средств контроля СН в реальных условиях эксплуа тации. Поэтому, кроме выбора режимов динамического контроля СН и последовательности испытаний в процессе проверки их ра ботоспособности, необходимо рассмотреть принципы построения устройств как для контроля работоспособности, так и для испы таний СН с учетом автоматизации различных этапов процесса проверки работоспособности СН.
5.1. Оценка режимов динамического контроля работоспособности
В гл. 2 указано, что. существует вероятность несовмести мости условий инвариантности до е и устойчивости СН, что яв ляется предпосылкой их неработоспособности в реальных усло виях эксплуатации. При этом необходимо учитывать нестабиль ность устойчивости серийных СН в определенной области поло сы пропускания частот. Кроме того, как показано в гл. 3, при оценке областей допусков СН, существует зависимость вероятности характеризующей долю СН с необнаруженными отказами, от фрон та контрольных сигналов. Проанализировав (в гл. 4) критические частоты, характеризующие наибольшую чувствительность СН к воздействию контрольных сигналов, были сформулированы требо вания и к фронтам сигналов / н, £/п (это позволило синтезировать контрольные сигналы /н, Un с целью выявления потенциально не надежных СН).
Для выбора фронтов сигналов /н, U„ полагаем, что основной контур регулирования СН содержит звено, характеризующее влияние фронтов контрольных сигналов. Это дает возможность использовать аналитические выражения, описывающие СН как систему автоматического регулирования и приведенные в гл. 2 и приложении 1.
В [14] показано, что искомые параметры можно определить ж выражений:
Яп = tg (Ав/т«) = (Г2 + ту)/[(тт+ тк)К];
Яп = ^ (Лп/*а = Р г + Тэ + ту)/[(Тз + т, + тк) /С],
где А„, тнФ— коэффициент, характеризующий амплитуду и фронт контрольного сигнала / н; Ап, тпф— для сигнала Un соответствен но. Рассматривая (5.1) для определения тнф, следует обозначить фронт при скачкообразном изменении тока нагрузки от минимального до максимального значения тнфь а от макси-
62
мального |
до |
минимального |
тнфг. |
Это |
целесообразно |
пото |
|||
му, |
что |
фронт |
непосредственно |
зависит |
от |
постоянной вре |
|||
мени |
Гз |
и |
коэффициента |
регенерации |
К, |
которые |
опре |
||
деляются током |
нагрузки. При этом выполняется условие |
|
|||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
(5.2) |
Фронты контрольного сигнала Uu при изменении его амплитуды от максимального до минимального значения и обратно одинако вы, так как обеспечивается неизменный минимальный ток нагруз ки GH.
Учитывая разброс параметров элементов СН, допустимые от клонения фронтов контрольных сигналов можно определить на ос новании формул (5.1) с помощью выражений [il4]
|Д/С| + |S C*H| |ДСР|; |
Д?Ц= |5 КЧ |Д *| + В Д |ДСР|, |
|||||
|
|
|
|
|
|
(5.3) |
f* i S*a = - OY+ T 9) / [ V |
+ ^к)1; |
S ' * - гш. М г (тт + тк)]; |
||||
<?кп = —(Г. + Т з+ Т у М ^ ^ + ^ + Г з)]; |
5с5п=гв0[/(рз(тт+тк+7’3) + |
|||||
+ Крэ (тк + тт — Т а—ъ)У[К (тк + тг+ Тз)2] |
||||||
— абсолютные чувствительности |
функции qm qa к указанным ар |
|||||
гументам. |
выражения |
(5.3), |
нетрудно определить максималь |
|||
Используя |
||||||
ное тнфшах и |
минимальное тнф min |
значения фронтов сигнала |
||||
Причем фронт |
тнфшах должен |
находиться в пределах от тнф10 до |
||||
(тнф10+Дтнф1) |
«ли от тнф2, до |
(тнф20 |
+Дтнфг), а фронт тнф min —в |
|||
пределах от (тнф1, —Дтиф1) до тнф10, |
или от (тнф2, —Дтнфг) до тнф2„ |
где тнф10 и тнф20— значения |
фронтов при номинальных (средних) |
||
значениях аргументов. |
|
(тпф0 +Дтпф) и от |
|
Выбор фронтов в |
пределах от тпф# до |
||
(тпф Дтлф) до тпф |
позволяет установить максимальное тпф шах и |
||
минимальное Тфпнп значения |
фронтов сигнала |
Utt, где тпф0— зна |
чение фронта, определяемое аналогично тнф10, тнф2,.
Таким образом, получены необходимые исходные данные для выбора режимов динамического контроля СН, учитывая, что мак симальные и минимальные значения критических частот (см. § 3.4) ограничивают затухание процессов в СН в большей и мень шей степени соответственно, а минимальное и максимальное зна чения фронтов контрольных сигналов характеризует допустимую колебательность процессов и требуемое быстродействие соответ ственно.
Обеспечение максимальных |
значений |
критических |
частот и |
минимальных фронтов сигналов |
Un и / н определяет проверку СН |
||
при максимальном ограничении |
затухания |
с учетом |
допустимой |
колебательности процессов в СН. Обозначая такой режим «юпшх» Tmin> при воздействии сигналов f/n или /н, отметим, что в этом случае СН должен находиться в состоянии «слежения» за детер-
минированной последовательностью импульсов контрольных сиг налов, по окончании которой должно наблюдаться соответствие временных параметров (ty) и поля допуска (—е ... +е) переходных характеристик СН.
Так как в современных СН время достижения максимума пе реходных характеристик не превышает фронтов контрольных сиг налов, то максимальное отклонение выходного напряжения СН при динамическом контроле целесообразно установить с помощью ха рактеристик областей допусков параметра hmax, рассмотренных в гл. 3. При этом время воздействия сигналов Un и /н не должно быть меньше максимально допустимого времени длительности пе реходного процесса (ty+Aiv) СН.
В режиме «©max, Tmin» обеспечиваются наиболее благоприятные условия проверки вероятности несовместимости условий инвариант ности до е и устойчивости СН. При этом существует возможность возникновения автоколебаний на выходе СН. Возникновение авто
колебаний |
может |
вызываться |
либо |
слабым |
демпфировани |
||||||
ем, |
либо |
значительным |
затуханием |
СН. |
Поэтому |
желатель |
|||||
но предусмотреть проверку работоспособности СИ |
при |
мак |
|||||||||
симальных |
критических |
частотах |
и |
максимальных |
фронтах, |
||||||
а |
также |
при минимальных |
критических |
частотах |
и |
мини |
|||||
мальных |
фронтах |
контрольных |
сигналов. |
Обозначим |
такие |
||||||
режимы динамического |
контроля |
СН «Шшах, |
ттах» |
и |
«сотт, |
||||||
Tmin», обеспечивая |
их при |
воздействии |
сигналов |
£/п или / и. |
Если |
при этих условиях на выходе СН возникают автоколебания, то не обходима дополнительная регулировка контролируемых парамет. ров и характеристик СН. Для этого должна быть предусмотрена проверка работоспособности СН при минимальных критических частотах и максимальных фронтах контрольных сигналов. Обо значим такой режим «ют1П, тт ах», обеспечивая его при воздейст вии сигналов Un или /н.
На рис. 5.1 приведены режимы динамического контроля рабо тоспособности СН, указаны максимальные тнф1шах, тнф2шах и ми нимальные тнф1min, тнф2min значения фронтов сигнала / н с учетом (5.2). Применение указанных выше режимов позволяет использо вать зоны требуемого быстродействия и допустимой колебатель ности процессов в СН, ограничивающие недопустимые изменения
параметров переходных характеристик СН (см. |
рис. З.Г). |
При |
||
этом контролируются |
параметры: |
—{hc+e) |
+{hc—в); |
(—е... |
... +е); (ty+Aty) или |
(ty—Aty) в |
зависимости |
от установленных |
фронтов контрольных сигналов. Заметим, что вместо проверки до пусков— (hc+e) ... + (/tc—е) можно воспользоваться пределами —
(hmax~i~Ahmax Ч" е) +(h max+ Д А тах— б ) .
Таким образом, оценены режимы динамического контроля ра ботоспособности СН, при которых осуществляется их проверка как в частотной, так и временной областях. Использование этих режимов, а также допусков на контролируемые параметры, вы бранных с учетом требований к статистической точности ОН, по вышает качество контроля работоспособности СН. Проверка
Рис. 5.1. Режимы динамического контроля работоспособности СН
предложенных режимов в условиях серийного производства СН показала следующее. Если 'партию СН, соответствующую требова ниям технических условий, проконтролировать с помощью указан ных режимов, то в некоторой части партии (до 10—15%) можно наблюдать возникновение автоколебаний или недопустимые изме нения параметров переходных характеристик СН. Следовательно, необходима дополнительная регулировка переходных и частотных характеристик СН. Это позволяет выявить критические дефекты, которые могут не допустить нормальное функционирование СН. В результате использование предложенных режимов способствует улучшению качества контроля работоспособности серийных СН и 'повышению их технической надежности. Кроме того, разработан ные режимы динамического контроля СН дают возможность полу чить более полную и достоверную информацию о качестве выпус каемой продукции. При этом повышается эффективность контро ля работоспособности СН.
Увеличение эффективности контроля работоспособности при использовании предложенных режимов рассмотрено в [9, 11]. 'При этом оценка эффективности контроля работоспособности СН А нагляднее при использовании следующего выражения [11]:
А= [(1—Q) (1-Г )]/[ 1 - Q (1- Г)], |
(5.4) |
где Г — коэффициент несовершенства контроля, определяемый от ношением р/(1—а), в котором Р — риск поставщика, а а — риск заказчика; Q — вероятностная доля СН, потенциальная ненадеж ность которых может быть выявлена при рассмотренных выше режимах контроля. Коэффициент Г нетрудно получить, учитывая, что риск поставщика и заказчика оговорены в технической доку ментации. Необходимо отметить, что благодаря использованию режимов контроля, при которых проверяется предельная рабо
тоспособность GH, значения а и р могут быть минимизированы. Вероятность G следует определять, исходя из требований к ста тистической точности и запаса работоспособности СН (см. гл. 3 и 4). Из (5.4) следует, что при уменьшении коэффициента Г и веро ятности Q, обеспечиваемой при режимах, показанных на рис. 5.1, эффективность контроля работоспособности СН повышается.
В заключение следует сказать, что реализация динамического контроля более рациональна с помощью автоматизированных средств при производстве больших серий СН.
5.2. Выбор проверок и испытаний в процессе контроля работоспособности
В процессе контроля работоспособности СН необходимо проверять их статические и динамические параметры и характе ристики, обеспечивая при этом соответствующие режимы и воз действия, близкие к. реальным условиям эксплуатации УЭП для ИУС и ЦВС. Рассмотрим основные проверки и испытания СН, которые производят на различных этапах производства. При этом в зависимости от задач контроля они реализуются частично или полностью при технологических и приемосдаточных испытаниях серийных СН, а также при типовых, периодических, специальных испытаниях как СН, так и УЭП для ИУС и ЦВС.
Анализируя проверки и испытания для оценки работоспособ ности, целесообразно учитывать преимущества динамического контроля, осуществляемого режимами, рассмотренными в § 5.1. С их помощью можно построить наиболее рациональную програм му динамического контроля, выбрав оптимальную последователь ность проверок с точки зрения обнаружения недопустимых эффек тов резонансного типа '[.12].
При выборе испытаний серийных СН или УЭП для ИУС и ЦВС следует учитывать временные затраты на их проведение. Разработчик, изготовитель, потребитель стремятся оперативно по лучить результаты этих испытаний, не снижая требований к их содержанию и качеству проведения. При этом технической доку ментацией рекомендуется использование форсирующих факторов или режимов, обеспечивающих определенный коэффициент уско рения. Например, известны коэффициенты ускорения для различ ных видов аппаратуры, получаемые при обеспечении форсирован ного режима в виде цикличности включения и выключения питаю щего напряжения. Применение такого режима, а также режима циклического изменения напряжения питания СН при проведении ускоренных испытаний СН и УЭП для ИУС позволяет в несколь ко раз сократить время испытаний при повышении их эффектив ности. Следует отметить, что для выбора характеристик указан ных форсированных режимов следует использовать данные, при веденные при оценке режимов динамического контроля.
Принимая во внимание изложенное, рассмотрим проверки и испытания в процессе контроля работоспособности СН. При этом
порядок их проведения рекомендуется выполнять в указанной по следовательности. В то же время следует учитывать задачи испы таний и количество испытываемых групп различных СН или укомплектованных ими УЭП. Кроме того, необходимо предусмот реть использование автоматизированных средств контроля и ис пытаний СН, возможность и эффективность применения которых рассмотрена в '[12], а экономическая целесообразность показана в приложении 3.
1. На начальном этапе контроля работоспособности СН сле
дует |
проверить статические параметры, к которым относятся |
Acv.c, |
Аст.н» Ат, Д ^ . Способы измерения этих параметров подробно |
рассмотрены в [8]. При этом следует указать на необходимость проверки статических параметров с учетом заданного диапазона плавной регулировки или дискретной установки £/B,lIx. Наличие та кой конструктивной особенности СН определяет применение раз личных специализированных средств для автоматизации контро ля их статических параметров. Поэтому для повышения универ сальности процесса контроля статических параметров СН пред ложено устройство ![14], применение которого не зависит от ука занной конструктивной особенности СН.
2. Убедившись, что СН обеспечивает заданные требования по статике, необходимо перейти к проверке заданных динамических параметров и переходных характеристик. Следует сказать, что во просы контроля динамических параметров ОН изложены в [8]. При этом необходимо учитывать влияние разброса параметров комплектующих элементов и контрольных сигналов на допусти мые изменения переходных характеристик СН. В условиях серий ного производства это влияние весьма существенно, поэтому це лесообразен контроль предельных отклонений параметров пере ходных характеристик СН. В связи с этим при контроле динами ческих параметров предложено использовать области допусков в виде зон допустимой колебательности процессов в СН и требуе мого быстродействия, приведенные в § 3.1. При формировании этих зон применяют методы допускового контроля, что дает воз можность автоматизировать контроль динамических параметров
СН [2, 13].
3. Для более полной и достоверной оценки работоспособности СН целесообразна проверка их частотных характеристик. Поэто му серийные СН, статические и динамические параметры которых соответствуют техническим требованиям, могут иметь недостаточ ную устойчивость или недопустимые эффекты резонансного типа. Для оценки динамической устойчивости и ее стабильности целесо образно использовать динамический контроль, режимы которого показаны в § 5.1. В связи с этим необходима программа такого контроля, при котором производятся проверка частотных характе ристик при воздействии контрольных сигналов С/п, /н и оценка со ответствующих критических частот.
Для реализации режимов динамического контроля СН необ ходимы устройства, формирующие детерминированную последова-
тельность импульсов Uu и /п. Требования к этим устройствам, а также их возможные схемные решения показаны в [3,18]. В то же время для осуществления режимов динамического контроля СН целесообразнее использовать более универсальные устройст ва, позволяющие автоматизировать данный этап процесса контроля работоспособности СН.
4. Рассмотренные выше проверки и испытания предусматрива ют воздействие контрольных режимов 1)п и 1а. Значительное влия ние на работоспособность СН оказывают изменения напряжения питающей сети Un.с. При этом данное возмущение может воздей ствовать в виде цикличности включения и выключения или цик
лического |
изменения £/п.с. |
Параметрами |
режима |
цикличности |
|
включения |
и выключения |
£/п.с являются |
время включения |
т Вкл, |
|
время выключения т Выкл, |
время нарастания, время |
цикла |
Гц и |
число циклов в час (рис. 5.2). При выборе параметров следует учитывать временные и энергетические характеристики СН, ого воренные соответствующей технической документацией.
Для режима циклического изменения £/п.с следует обеспечить
параметры: приращение |
изменения напряжения питающей |
сети |
|
A t/n.c и частоту циклического изменения £/п.с—fn.c- |
При этом |
не |
|
обходимо предусмотреть |
возможность регулировки |
А1/П.с и / п.с в |
определенном диапазоне. Формирование указанных режимов ис пытаний требует применения специальных автоматизированных устройств j[12]. Следует отметить, что поскольку данные режимы являются форсирующими, то необходимо учитывать соответствую щий коэффициент ускорения при оценке времени испытаний. Кро ме того, необходимо отметить, что при испытаниях обеспечивают ся условия, с одной стороны, приближающиеся к реальным, а с другой — создающие возможность выявления признаков неработо способности СН.
5. Изложенные в пп. 1—4 проверки и испытания характеризу ют этапы контроля работоспособности непосредственно СН. В то же время рассматриваемые СН предназначены в основном для работы в составе УЭП. Поэтому заключительный этап процесса контроля работоспособности СН — проверка в составе УЭП. Для имитации работы потребителей можно применить режимы дина мического контроля, рассмотренные в § 5.1, а также режимы из менения Uи.с. Такая проверка СН может быть реализована сред ствами испытаний и контроля, принципы построения которых по казаны в [1, 2, 4, 12].
Анализируя рассмотренные выше этапы проверки работоспо собности СН, можно сказать, что для проверки динамических свойств СН следует использовать способы допускового контроля, позволяющие повысить качество контроля и автоматизировать этот этап проверки работоспособности СН; применение форсирую щих режимов испытаний СН увеличивает вероятность выявления причин их неработоспособности; при проведении указанных испы таний необходимо учитывать коэффициенты ускорения, что дает возможность сократить время технологических приемосдаточных
Значения Гф, f устанавливаются дискретно
в требуемом диапазоне
Рис. 5.2. Порядок динамического контроля работоспособности и испытаний СН
и специальных испытаний СН и УЭП; целесообразно применение ускоренных испытаний на этапах сдачи годовой продукции.
Учитывая, что при таких исследованиях выявляется чувстви тельность отказов изделий к виду проверок или испытаний, появ ляется возможность их упорядочения и установления последова тельности, рациональной с точки зрения снижения потока или ин тенсивности отказов как в условиях серийного производства, так и эксплуатации. В результате можно снизить временные затраты при серийном производстве выпускаемой продукции.
5.3. Разработка устройств для контроля работоспособности
В процессе контроля работоспособности СН необходимо проверять их статические и динамические параметры, а также частотные характеристики. При этом следует учитывать условия серийного производства и конструктивные особенности СН. Рас смотрим принципы построения устройств для контроля статиче ских и динамических параметров, а также частотных характерис
тик СН.
Устройство для контроля статических параметров СН показа
но на рис. 5.3,а |
[4]. Необходимо |
отметить, |
что нуль-орган и уси |
литель измерительный строятся |
на базе |
балансного линейного |
|
стабилизатора, |
а блок формирования и |
запоминания опорно, |
го напряжения включает в себя преобразователь последовательно го счета.
Источник эталонных напряжений данного устройства самона страивается до выходного напряжения контролируемых СН (авто матическая установка необходимого эталонного напряжения, а не выходного напряжения контролируемого СН), что отличает его от устройства, рассмотренного в [1]. Самонастройка источника эта лонных напряжений осуществляется с помощью нуль-органа, ком мутатора опорного напряжения, блока формирования и запомина ния опорного напряжения и усилителя измерительного.
Процесс контроля точности установки и статических неста бильностей СН при изменении тока нагрузки и напряжения пита ния заключается в следующем: устройство сравнения обеспечи вает контроль точности установки выходного напряжения СН от носительно напряжения источника эталонных напряжений и ее запись на регистрирующем приборе с помощью коммутатора. Пос ле этого блок управления запускает коммутатор, усилитель изме рительный, блок формирования и запоминания опорного напря жения, которые с помощью коммутатора опорного напряжения ис точника эталонных напряжений обеспечивают равенство напря жения источника и выходного напряжения контролируемого СН. Синхронно запускаемый блоком управления нуль-орган фиксиру ет равенство напряжения источника эталонных напряжений вы ходному напряжению контролируемого СН и обеспечивает под ключение устройства сравнения через коммутатор опорного на*