книги / Обеспечение надежности стабилизаторов напряжения при проектировании и производстве

возможность 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*