вариант 4 - Исследование эксплуатационной безотказности электромагнитных реле

Исследование эксплуатационной безотказности электромагнитных реле

Выполнена лабораторная работа по моделированию эксплуатационной интенсивности отказов электромагнитных реле. Вариант 4.

В демо файле полное задание, часть для поиска дублирую ниже --->

Цель работы

Освоить методику и приобрести практические навыки в моделировании эксплуатационной интенсивности отказов электромагнитных реле.

Исходные данные

Тип электромагнитного реле: РС52 КЩ4.529.037-01 – открытое, одностабильное, с двумя контактными группами, с сочетанием размыкающих, замыкающих и переключающих контактов, предназначено для коммутации электрических цепей постоянного и переменного тока частотой до 400 Гц.

Параметры:

- номинальный ток коммутации

- рабочий ток коммутации

- коэффициент нагрузки

- частота срабатывания

- количество рабочих контактов

- вид нагрузки И;

- вид приемки 5;

- изменение температуры среды

_______

Исследование эксплуатационной безотказности электромагнитных реле

Лабораторная работа № 4

1.1 Цель работы

Освоить методику и приобрести практические навыки в моделировании

эксплуатационной интенсивности отказов электромагнитных реле.

1.2 Электромагнитных реле. Общие сведения

1.2.1 Определение и классификация[1]

Электромагнитных реле (Дж. Генри в 1831г., С. Бриз Морзе в 1837г.) – это

электромеханическое устройство, выполняющее фукции дискретного электрического

ключа с двумя устойчивыми положениями «включено-выключено», принцип работы

которого основан на воздействии магнитного поля неподвижной обмотки с током на

подвижный ферромагнитный элемент, называемый якорем.

При протекании электрического тока через катушку реле переключаются один или

несколько изолированных от катушки электрических контактов, коммутируя нагрузку

реле. Электромагнитное реле можно поэтому считать универсальным коммутатором

аналоговых и импульсных сигналов.

Электромагнитное реле выполняет следующие функции:

• гальваническая развязка между цепью управления реле и цепью нагрузки реле;

• размножение одного управляющего сигнала на несколько выходных сигналов;

• усиление мощности управляющего сигнала;

• независимое управление несколькими выходными цепями с различными уровнями тока

и напряжения (различными мощностями);

• разделение цепей с различными уровнями рабочих токов и напряжений, а также цепей

переменного и постоянного тока;

• преобразование и нормирование уровней электрических сигналов.

Конкурентными преимуществами реле являются:1)способность коммутации

нагрузок мощностью до 4 кВт при объеме реле менее 10 см3

; 2)устойчивость к

импульсным перенапряжениям и разрушающим помехам, появляющимся при разрядах

молний и в результате коммутационных процессов в высоковольтной электротехнике;

3)исключительная электрическая изоляция между управляющей цепью (катушкой) и

контактной группой - последний стандарт 5 кВ является недоступной мечтой для

подавляющего большинства полупроводниковых ключей; 4)малое падение напряжения на

замкнутых контактах, и, как следствие, малое выделение тепла: при коммутации тока 10 А

малогабаритное реле суммарно рассеивает на катушке и контактах менее 0,5 Вт, в то

время как симисторное реле отдает в атмосферу более 15 Вт, что, во-первых, требует

интенсивного охлаждения, а во-вторых, усугубляет парниковый эффект на планете;

5)экстремально низкая цена электромагнитных реле по сравнению с полупроводниковыми

ключами.

Недостатками реле являются: 1)малая скорость работы; 2) ограниченный (хотя и

очень большой) электрический и механический ресурс; 3) создание радиопомех при

замыкании и размыкании контактов; 4)самое неприятное свойство! - проблемы при

коммутации индуктивных нагрузок и высоковольтных нагрузок на постоянном токе.

Электромагнитные реле можно классифицировать по следующим признакам:

 Области применения:для цепей управления, защиты или сигнализации;

 Мощности управления:малой мощности, управляющий сигнал ≤1 Вт, средней

мощности, сигнал управления находится в пределах от 1 до 9 Вт, высокой

мощности - мощность сигнала ≥10 Вт;

 Времени реакции на сигнал управления:

27

безынерционные время реакции ≤ 0,001 сек., быстродействующие — время

реакции от 0,001 до 0,05 сек., замедленные время реакции от 0,05 до 1 сек., а также

реле времени с регулируемой задержкой срабатывания.

 Характеру управляющего напряжения:постоянного тока (нейтральные,

поляризованные) и переменного тока.

1.2.2 Основные параметры и характеристики электромагнитных реле [1].

 ток срабатывания,Iср, А;  время срабатывания, tср,с;

 ток отпускания, Iот, А;  время отпускания, tот,с;

 разрывная мощность контактов,Pк ,Вт;  сопротивление обмотки, R,Ом.

1.2.3 Краткая характеристика надёжности электромагнитных реле

Основным критерием оценки работоспособности реле в ЭС является его надежность

[1]. Надежность реле определяется безотказной его работой в течение определенного

отрезка времени в условиях, оговоренных технической документацией. По надежности

действия реле классифицируют на следующие группы: реле первого класса и реле низших

классов. К реле 1-го класса надежности выдвигаются основные требования:1) отпускание

якоря при выключении питания обмотки должно происходить под действием веса самого

якоря и связанных с ним подвижных частей, поэтому якорь, как правило, утяжеляют

специальными грузами, которые сделаны из немагнитного материала;2) должна быть

полностью исключена возможность магнитного прилипания якоря к сердечнику после

выключения тока, для устранения прилипания, на якоре крепят бронзовый антимагнитный

штифт;3) фронтовые и общие контакты реле не должны свариваться, для этого контакты

изготавливаются из разных по составу материалов (фронтовые – из граффито-серебряной

смеси, а общий – из серебра).

В нормативно-технической документации (НТД) на реле указывается диапазон

коммутируемых токов и напряжений, в пределах которого гарантируется определенное

число коммутаций[1].Увеличение коммутируемой мощности сверх нормы,

установленной требованиями НТД, может привести к нарушению контактирования

вследствие выделения большого количества теплоты. Коммутация напряжений и токов,

значения которых меньше установленных требованиями НТД, может привести к

нарушению токопрохождения через контакты. При коммутации электрических режимов

с напряжением от 1 до 50 мВ необходимо учитывать влияние термо-электродвижущей

силы (термо-ЭДС) и электродвижущей силы (ЭДС) шумов, наводимых в цепи контактов.

ЭДС шумов и термо-ЭДС могут вызывать искажение коммутируемого сигнала. При

коммутации малых токов (от 10 −6 до 10 −3 А) возникают токи утечки (при разомкнутых

контактах), которые могут быть соизмеримыми с токами нагрузки. Поэтому при

коммутации токов этого диапазона значений при напряжении от 0,05 до 10 В

рекомендуется выбирать сопротивление нагрузки в пределах от 5 до 500 кОм.

Электрическая изоляция характеризует электроизоляционные свойства реле как в

нормальных условиях, так и при различных климатических и механических воздействиях.

Сопротивление изоляции реле должно соответствовать требованиям ГОСТ 16121-

86 и техническим условиям на реле. Электрическая изоляция реле - способность

изоляции выдерживать длительно или кратковременно перенапряжения, возникающие в

процессе эксплуатации аппаратуры. Изоляция реле определяется электрической

прочностью промежутков - воздушных (межконтактных зазоров) и по поверхности

диэлектрика платы реле. По этим промежуткам судят о токах утечки реле.

Вид нагрузки. Нагрузка, коммутируемая контактами реле, может быть активной,

индуктивной, емкостной и комбинированной. При коммутации активной и индуктивной

нагрузок наиболее тяжелым для контактов является процесс размыкания

28

Электрической цепи. В момент размыкания цепи возникает электрическая дуга, в

результате которой происходит износ контактов. Степень износа контактов определяется

коммутируемой мощностью и временем горения дуги. Чем больше ток,

коммутируемый контактами, и постоянная времени нагрузки, тем больше выделяемая

тепловая мощность и время горения дуги.

Временные параметры. Время, прошедшее после подключения обмотки реле к

источнику питания до первого касания замыкающим контактом неподвижного контакта,

характеризует время срабатывания. Во всех современных реле при замыкании

замыкающих контактов и размыкании размыкающих контактов происходит дребезг

контактов после удара подвижных контактов о неподвижные. Поэтому в технической

документации оговариваются время срабатывания и время дребезга.Время отпускания

характеризуется временем от момента снятия питания с обмотки до момента полного

отпадания якоря электромагнита и первого касания (замыкания) размыкающего контакта.

Влияние дестабилизирующих факторов. Факторы, влияющие на надежность реле,

подразделяются на внутренние и внешние. К внутренним факторам относятся

электрическая нагрузка на контактах, режим питания обмотки, переходное

сопротивление контактов, сопротивление изоляции реле. Внешние факторы -

механические и климатические воздействия, атмосферное давление окружающей среды,

плесневые грибы и морской туман, специальные факторы. К специальным факторам

относят воздействия на реле различных газовых сред, постоянных и переменных

магнитных полей.

Воздействие газов и газовых соединений на реле может ухудшить

электроизоляционные и механические свойства элементов реле. Воздействие

кислородной среды вызывает снижение электрической и механической прочности

изоляции проводов ПЭВ и ПЭЛ. Воздействие водородной среды вызывает значительное

снижение механической прочности проводов ПЭЛ и ПЭТВ. Воздействие газовых сред на

детали реле из пресс-материалов и слоистых пластиков, а также на провод ПНЭТ-имид не

приводит к существенному изменению их электроизоляционных и физико-механических

свойств по сравнению с исходным состоянием. При воздействии аргона, азота, гелия,

кислорода, углекислого газа существенного изменения износостойкости контактов из

различных материалов не происходит. Только у серебряных контактов наблюдается

понижение износостойкости при работе в аргоне.

Внешние магнитные поля постоянного или переменного тока могут влиять на

чувствительность реле. При обесточенных обмотках под воздействием внешнего

магнитного поля возможно самосрабатывание реле.

При низких уровнях тока (до нескольких десятков миллиампер) и напряжения отсутствует

электрическая эрозия контактов. Индуктивная нагрузка не снижает износостойкости реле,

повышает надежность контактов. При более высоких уровнях тока (десятые доли ампера)

и напряжения могут возникнуть условия для появления электрической эрозии контактов.

В этом случае индуктивная нагрузка может ухудшить износостойкость и привести к

снижению надежности контактов. При относительно больших уровнях тока (от десятых

долей до единиц ампера) и напряжения индуктивная нагрузка снижает износостойкость

реле. При одинаковом значении тока долговечность контактов, работающих в цепи

переменного тока, выше, чем у контактов, работающих в цепи постоянного тока. Это

явление нетрудно понять, так как переменный ток меняет полярность с определенной

частотой и поэтому дуга, возникающая в процессе коммутации с такой же частотой,

гаснет и снова возникает и тем самым создаются более благоприятные условия для

коммутации.

Повышенная температура вызывает изменение электрических параметров

обмотки, снижение чувствительности реле, изменение значения переходного

сопротивления контактов, а также увеличение диэлектрических потерь и уменьшение

29

сопротивления изоляции и даже некоторое снижение ее электрической прочности. При

длительном воздействии повышенной температуры происходит старение изоляции

провода обмотки, материала каркаса катушки, изоляционных прокладок и упоров.При

старении теряется эластичность, уменьшается механическая и электрическая прочность

изоляции, снижается предел упругости материалов контактных и возвратных пружин, что

и следует учитывать при применении реле в этих условиях.

Влияние пониженной температуры на переходное сопротивление контактов

особенно заметно при коммутации токов менее 0,01А. В негерметичных реле имеющиеся

водяные пары охлаждаются и оседают на контакты, в результате чего может произойти

обледенение контактов.При циклических изменениях температуры появляются

знакопеременные механические напряжения. В случае превышения температуры сверх

норм, предписанных техническими условиями, механические напряжения могут привести

к необратимым изменениям параметров и к нарушению герметичности реле.

Изменение атмосферного давления влияет на отвод тепла от обмотки. С

понижением атмосферного давления уменьшается интенсивность теплоотдачи за счет

конвекции. При применении негерметичных реле в условиях пониженного атмосферного

давления возможен перегрев обмоток реле. В условиях невесомости ухудшается

теплоотдача ввиду отсутствия конвекционных потоков газа, окружающего реле, что и

следует учитывать при применении реле в этих условиях. Рекомендуется эксплуатировать

реле в повторно-кратковременном режиме работы, применять обдув или снижать

температуру окружающей среды.

При механических воздействиях на реле наиболее устойчивым состоянием для

большинства типов реле является такое, когда якорь притянут. Постоянно действующие

ускорения удары оказывают значительное влияние на чувствительность реле с

несбалансированным якорем. Снижение влияния постоянно действующих ускорений

достигается только правильной ориентацией реле в отношении к возможным

направлениям воздействия ускорений. Наиболее устойчивым к воздействию постоянно

действующих ускорений является реле, занимающее положение, при котором

ускорение направлено вдоль оси вращения якоря.

1.3 Моделирование эксплуатационной интенсивности отказов электромагнитных

реле

1.3.1 Коэффициенты электрической нагрузки (КЭН) электромагнитных реле

КЭН - характеризует степень электрической нагруженности ЭРЭ относительно их

номинальных или предельных возможностей, указываемых в ТУ. Учитывая, что наиболее

влияющим на надежность электромагнитных реле электрическим фактором является

значение коммутируемого тока, то количественно коэффициент электрической

нагрузки (часто говорят: коэффициент нагрузки) определяется по известному

соотношению:

Где: Iк.раб – значение рабочего тока коммутации (например, в схемной реализации); I к.ном –

номинальное или предельное по ТУ значение тока коммутации.

1.3.3 Методика расчета эксплуатационной интенсивности отказов

электромагнитных реле

Этап-1. Выбор математической модели согласно табл.4.1

Таблица 4.1- Математические модели эксплуатационной интенсивности отказов

электромагнитных реле [8]

КН = Iк.раб / I к.ном (4.1)

30

Пояснения величин, входящих в математическую модель, приведено в табл. 4.2.

Таблица 4.2- Пояснения величин для математических моделей электромагнитных реле

*- Параметры:

,

,

- определять как для дросселя;

- определять

как для изделий коммутации.

Этап-2. Выбор значения базовых интенсивностей отказов (

,

)

лектромагнитных реле согласно табл. 4.3

Таблица 4.3 - Значения базовой интенсивности отказов (λБ ) электромагнитных реле

[8-10]

В табл. 4.3 приведены базовые интенсивности отказов (λБ) электромагнитных реле ЭС,

соответствующие приёмке «5» (приёмке ОВП), для которой коэффициент приемки КП =

1,0. Пересчёт значений λБ применительно к другим видам приёмки выполняется с

использованием существующих рекомендаций.

Этап-3. Расчет коэффициента режима работы

электромагнитных реле

Значения коэффициента

рассчитывают по выражению [8-10]:

(4.2)

31

Где: КН – коэффициент нагрузки по току; tокр – температура окружающей среды, ºС (при

tокр < 50 ºС принять tокр = 50 ºС).

Этап-4. Расчет коэффициента режима работы КР электромагнитных реле

Значения коэффициента КР рассчитывают по модели вида[8-10]:

Где: A, NT, G, NS, H – постоянные коэффициенты (табл. 4.4); tокр – температура

окружающей среды, ºС; КН – коэффициент нагрузки реле по коммутируемому

току (4.1).

Таблица 4.4 – Постоянные коэффициенты модели (4.3)

Этап-5. Расчет коэффициента КF электромагнитных реле

Значения коэффициента КF в зависимости от числа коммутаций реле в час F при

работе в составе РЭУ определяются как:

Этап-6. Расчет коэффициента КК электромагнитных реле

Значения коэффициента КК, учитывающего влияние на надёжность реле количества

задействованных контактов N (для негерметичных реле) определяются по модели вида:

КК = 0,42 + 0,24N (4.6)

Этап-7. Выбор значения коэффициента приёмки

дросселя электромагнитных

реле

Коэффициентом приёмки принимаются во внимание следующие виды приёмки

элементов в условиях производства:

 приёмка «1» – приёмка отдела технического контроля предприятий: элементы

массового применения;

 приёмка «3» – приёмка отдела технического контроля предприятий: элементы по

заказам министерств и ведомств;

 приёмка «5» – общее военное применение (ОВП, ВП);

 риёмка «7» – элементы особой стабильности, выпускаемые малыми партиями (ОСМ);

 приёмка «9» – элементы особой стабильности и повышенной надёжности (ОС);

коммерческий или неизвестный уровень качества.

Усреднённые значения коэффициента

в зависимости от вида приёмки

электромагнитных реле приведены в табл. 4.5.

если F ≤ 1 КF = 0,1 (4.4)

если F > 1. КF = F/10 (4.5)

(4.3)

32

Таблица 4.5 – Значения коэффициента приёмки

электромагнитных реле [8-10]

Этап-8. Выбор значения коэффициента приёмки КП электромагнитных реле

Усреднённые значения коэффициента КП в зависимости от вида приёмки

трансформаторов приведены в табл. 4.6

Таблица 4.6 – Значения коэффициента приёмки КП электромагнитных реле [8-10]

Этап-9. Выбор значения коэффициента эксплуатации КЭ

При выборе используеся классификация групп наземной аппаратуры в зависимости от

условий эксплуатации (табл.4.7) [8,10]

Таблица 4.7 - Классификация аппаратуры по условиям её эксплуатации

Выбор значения коэффициента эксплуатации КЭ осуществяется с помощью табл.4.8 по

приведенным в ней приближённым (усреднённым) данным из справочников СССР,

России с учётом стандарта Китая [8,10].

33

Таблица 4.8 - Значения коэффициента КЭ

Этап-10. Расчет значений показателей безотказности w(t) и P(t) электромагнитных

реле в предположении кспоненциальной модели ((1.1), (1.2)).

1.4 Порядок выполнения лабораторной работы

1) Получить и записать лабораторное задание у преподавателя (табл. 4.9);

Таблица 4.9 – Варианты лабораторных заданий

Внимание! Минимальную наработку для всех вариантов принять равной 1000 час.

2) Для заданного варианта в рамках методики п.1.3.3 исследовать влияние рабочего тока

коммутации (

и температуры окружающей среды (tС) на эксплуатационную

интенсивность отказа электромагнитных реле;

3) Оформить отчет.

1.5 Требования к оформлению отчёта по лабораторной работе

1) Оформление.

Отчет должен составляться индивидуально каждым студентом или с разрешения

преподавателя один на бригаду. Отчет должен быть оформлен в соответствии с общими

требованиями к текстовым конструкторским документам [11] и требованиям ЕСКД.

2) Содержание

- Цель работы;

- Лабораторное задание;

3) Результаты исследования

- Электрические,конструкторско-технологические и эксплуатационные свойства

исследуемого электромагнитного реле (табл.);

- Результаты расчета эксплуатационной интенсивности отказов электромагнитного реле

(табл.);

№

п/

п

Тип

электромагнитн

ых реле

Ном.

ток

ком.

I, А

Раб.

ток

ком.

I, А

Коэф.

нагр.,

Частота

сраб.

f, Гц

Кол.

раб.

конт.,

N,шт.

Вид

нагруз

ки

Вид

приемки

Изменение

температуры

среды,

Тс1÷ Тс2,•С

Ист.

лит.

1 РЭС32

РФ4.500.335-01

3 0,3 ÷ 3 0,8 1 4 А 1 +55 ÷ +85 [1]

2 РЭС34

РС4.524.370-31

0.15 0.025 ÷ 0.15 0,6 5·10 4

1 И 5 +45 ÷ +100 [1]

3 РЭС22

РФ4.523.023-10

0,2 0,005 ÷ 0,2 1 5 4 А 1 +55 ÷ +85 [1]

4 РС52

КЩ4.529.037-01

1 0.15 ÷ 1 0,78 1 6 И 5 +25 ÷ +70 [1]

5 РКН

РС4.500.116

1,6 0,2 ÷ 1,6 1 1 6 А 1 +30 ÷ +60 [1]

34

- Результаты расчета показателей безотказности w(t) и P(t) электромагнитного реле

(табл.);

- Графики зависимостей: λЭ =f(tС), w(t)=f(tС), P(t))=f(tС), λЭ =f(

), w(t)=f(

),

P(t))=f(

);

- Выводы по работе (результаты в виде ценностей!).

1.6 Контрольные вопросы для самопроверки

1. Как зависит надежность электромагнитных реле от электрического режима?

2. Как влияет вид электрической нагрузки на надежность электромагнитных реле?

3. Как влияет состав газовой атмосферы среды на надежность электромагнитных реле?

4. Дайте определение надежности электромагнитного реле.

5. Перечислите факторы, влияющие на надежность электромагнитных реле.

6. Какие виды отказов присущи электромагнитным реле ЭС?

7. Какие группы показателей надежности используются для электромагнитных реле?

8. Перечислите единичные показатели безотказности и ремонтопригодности

электромагнитных реле?

9. Как влияет количество задействованных контактов на надежность трансформаторов?

10. Назовите конструктивный вариант наиболее надежного типа электромагнитного реле.

Список литературы

1. Игловский И. Г., Владимфов Г. В.Справочник по слаботочным электрическим реле

3-е изд., перераб. и доп.—Л.: Энергоатомиздат.Лeнингр. отделение, 1990.-560 с.

2. Глазунов Л.П., Грабовецкий В.П., Щербаков О.В. Основы теории надёжности

автоматических систем управления: учебное пособие для вузов. – Л.: Энергоатомиздат,

Л.О., 1984. – 208 с.

3. Справочник по теоретическим основам радиоэлектроники: [В 2 т. / Барыбин А.А.,

Вендик О.Г., Горин Ю.Н. и др.] ; Под ред. канд. техн. наук Б.Х. Кривицкого, В.Н. Дулина.

Т. 1-.Москва : Энергия, 1977. 504 с.

4. Острейковский В.А. Теория надежности: учеб. для вузов / В.А. Острейковский. – М.:

Высшая школа, 2003.463 с.

5. ГОСТ 27.310–95. Межгосударственный стандарт. Надёжность в технике. Анализ

видов, последствий и критичности отказов. Основные положения.

6. ГОСТ 27.002–89. Надёжность в технике. Основные понятия. Термины и определения.

7.Шкляр В.Н. Надёжность систем управления: учебное пособие / В.Н. Шкляр; Томский

политехнический университет. – Томск: Изд-во Томского политехнического

университета, 2009. 126 с.

8.Боровиков С.М. Теоретические основы конструирования, тех-нологии и надёжности:

Учеб. для инж.-техн. спец. вузов.- Мн.: Дизайн ПРО, 1998.– 336 с.

9. ГОСТ 27.301-95. Надёжность в технике. Расчёт надёжности. Основные положения. – М. : Изд-во стандартов, 1990. – 27 с.

10. Надёжность электрорадиоизделий, 2006 : справочник / С. Ф. Прытков 11.

[и др.]. – М. : ФГУП «22 ЦНИИИ МО РФ», 2008. 641 с.

11. СТО 1.701-2010. Текстовые документы. Общие требования к построению и

оформлению. Стандарт организации. Университетская система учебно-методической

документации.– Введ. 1998-12-16. – Великий Новгород: ИПЦ НовГУ. - 52 с.