Реферат

УДК 629.7.067.8

Сулейманов Р.Р.

Разработка устройства защиты трехфазных потребителей.

Пояснительная записка содержит ___ страницы, состоит из _ частей, содержит __ рисунков, __ таблиц, __ библиографических источников, приложение содержит __ страницу.

УСТРОЙСТВО ЗАЩИТЫ ТРЁХФАЗНЫХ ПОТРЕБИТЕЛЕЙ.

Предложено и разработано устройство защиты трехфазных потребителей, предназначенное для экстренного отключения потребителя трехфазного переменного тока – устройство защиты.

Произведено системотехническое проектирование устройства защиты. Определены и подобраны комплектующие для обеспечения требуемой функциональности.

Разработана схема электрическая принципиальная, спроектирован печатный узел.

Проведены экономические расчеты, рассмотрены аспекты безопасности при изготовлении устройства.

Содержание

Введение.

1 Теоретическая часть.

1.1 Трехфазная система энергоснабжения

1.2 Электрооборудование самолета ИЛ - 76

2 Системотехническое проектирование УЗ.

2.1 Структура устройства защиты

3 Схемотехническое пректирование.

3.1 Проектирование блоков устройства

3.1.1 Проектирование токовых трансформаторов

3.1.2 Проектирование выпрямителя

3.1.3 Выбор ограничителя напряжения

3.2 Принцип работы устройства

3.3 Выбор элементной базы………………………………………………………..

4. Конструкторское проектирование……………………………………………...

4.1 Обоснование выбора применяемых материалов

4.2 Расчёт геометрических размеров печатной платы…………………………...

4.3 Расчёт на механические воздействия…………………………………………

4.4 Тепловой расчет РЭС………………………………………………………….

4.5 Расчет надежности.

5. Технологическое проектирование……………………………………………...

5.1 Технологический процесс изготовления УЗ………………………………

5.2 Расчет надежности тех. процесса…………………………………………

5.3 Расчет коэффициента технологичности………………………………………

6 Организационно-экономический блок.

6 Экономическая часть ……………………………………………………………

6.1 Конструкторская подготовка производства…………………………………..

6.1.1 Составление перечня этапов и работ ОКР………………………………….

6.1.2 Расчет трудоемкости ОКР…………………………………………………...

6.1.3 Планирование ОКР, составление календарного плана-графика…………..

6.1.4 Расчёт сметной стоимости выполняемой работы………………………….

6.1.5 Калькуляция опытного образца……………………………………………..

6.2 Технологическая подготовка производства…………………………………..

6.2.1 Стадии и этапы ТПП…………………………………………………………

6.2.2 Расчет трудоемкости ТПП……………………………………………...........

6.2.3. Расчет сметной стоимости выполнения ТПП……………………………...

6.3 Внедрение нового изделия в производство…………………………………..

7 Мероприятия по охране труда.

7.1 Безопасность жизнедеятельности.

7.2 Противопожарные мероприятия.

8 Разработка программы испытаний.

Заключение.

Список используемых источников.

Введение

Одним из важных условий успешной работы промышленных и энергетических предприятий, транспортной системы, предприятий коммунально-бытовой сферы и спокойной жизни бытового потребителя является обеспечение стабильности и качества потребляемой электроэнергии. С этой целью в схемах электропитания широко используются разнообразные типы релейных защит. Такие устройства обеспечивают, в частности, защиту нагрузки при обрыве и перекосе фаз, при выходе напряжения из заданного диапазона, при неправильном чередовании или при слипании фаз. При этом релейная защита используется как непосредственно на конечном защищаемом объекте (например, электродвигателе), так и в специальных электрических схемах.
К сожалению, большая часть устройств, производимых предприятиями стран СНГ, была разработана еще во времена СССР. Как следствие, такие устройства обладают весьма ограниченными возможностями и невысокой надежностью (используются устаревшие комплектующие). Поэтому их применение не позволяет обеспечить 100%-ю защиту электрооборудования.

В современной военной и гражданской авиации для защиты трехфазных потребителей немало важную роль играют различные автоматы отключения фаз. При их отказе возможна поломка бортовых потребителей, что может привезти к катастрофе.

При конструировании различных устройств, предназначенных для авиации нужно учитывать несколько важных деталей. Во-первых, малые габаритные размеры. Во-вторых, массы изделий должны быть минимизированы. В-третьих, высокий уровень надежности.

В этой работе автор пытается решить актуальную задачу по созданию устройства защиты трехфазных потребителей, учитывая все вышеперечисленные параметры.

1 Теоретическая часть

1.1 Трехфазная система энергоснабжения

Для передачи и распределения электроэнергии в подавляющем большинстве случаев используется трехфазная система энергоснабжения, т.е. система, в ветвях которой действуют три одинаковые по амплитуде синусоидальные ЭДС, имеющие одну и ту же частоту, но сдвинутые по фазе одна относительно другой на угол 120⁰ . Такая система была изобретена и разработана во всех деталях, включая трехфазные трансформатор и асинхронный двигатель в 1891 г. выдающимся русским инженерном М.О. Доливо - Добровольским.

В трехфазной системе технико-экономические преимущества синусоидальных токов проявляются в наибольшей степени (снижается расход проводниковых материалов в линии электропередач, возрастает КПД устройств и т.п.). Поэтому энергетические системы выполняют как трехфазные системы генераторов, линий электропередач и трансформаторов, обеспечивающих трехфазным электропитанием промышленные потребители, которые, в основном, являются трехфазными, например: асинхронные и синхронные двигатели, мощные электрические печи, электромагниты и т.п. Однофазные потребители также получают питание от трехфазных сетей.

Трехфазные синхронные генераторы и двигатели, трехфазные асинхронные двигатели и трансформаторы, более просты в производстве, экономичны и надежны в эксплуатации. В трехфазных системах достаточно просто получить вращающееся магнитное поле, воздействие которого на проводники с током положено в основу принципа работы асинхронных и синхронных электродвигателей.

Источником электрической энергии в трехфазной цепи является синхронный генератор. Независимо от способа соединения фаз источника линейные напряжения между линейными проводами трехфазной цепи одинаковы и сдвинуты по фазе относительно друг друга на угол , вследствие чего сумма их мгновенных значений или векторов всегда равна нулю. Однако значение линейных напряжений при соединении фаз источника треугольником будут в раз меньше, чем значения линейных напряжений при соединении фаз того же источника звездой.

1.2 Электрооборудование самолета

Электрооборудование является основной частью всего самолетного оборудования и предназначено для питания всех электрических потребителей, установленных на самолете, а также запуска двигателей. Оно включает в себя источники постоянного и переменного тока, аппаратуру регулирования, коммутационные устройства и аппаратуру системы запуска двигателей.

Источником электроэнергии постоянного тока является стартер-генератор и аккумуляторные батареи.

Стартер – генератор является основным источником электроэнергии постоянного тока на вертолете и одновременно используется в качестве электростартера при запуске двигателей от бортовых аккумуляторных батарей или от аэродромного источника постоянного тока.

Аккумуляторные батареи являются постоянным действующим резервным источником электроэнергии постоянного тока и служат:

- для питания жизненно необходимых потребителей при отказе обоих генераторов

- для автономного запуска двигателей

- для проверки систем электро- и радиооборудования при отсутствии аэродромного источника питания и при не работающих двигателях.

Рассмотрим подробнее систему электроснабжения самолета ИЛ-76.

Система СП3С4П60В переменного трёхфазного тока напряжением 200/115 В является первичной и основной системой электроснабжения на самолёте. Система объединяет 4 канала по числу синхронных генераторов ГТ-60ПЧ6А и разделяется на 2 независимые подсистемы: подсистему левого и правого борта с двумя генераторами, работающими раздельно или параллельно, в каждой независимой подсистеме. Предусмотрена параллельная работа 3-х генераторов, параллельная работа 4-х генераторов исключается. Генераторы подключены через приводы постоянных оборотов (ППО). С каждым генератором работает аппаратура:

• БЗУ-376СП — блок защиты и управления, предназначен для обеспечения нормального функционирования генераторов при раздельной или параллельной работе.
• БРН-208М7Б — блок регулирования напряжения предназначен для стабилизации заданного напряжения генератора переменного тока и равномерной нагрузке параллельно работающих генераторов.
• БРЧ-62БМ — блок регулирования частоты и МКЧ-62ТВ — механизм коррекции частоты.
• БТТ-60ПМ — блок трансформаторов тока.
• БКШ-76 — блок коммутации шин.
• БПП-76 — блок переключения питания

Резервным источником переменного тока является генератор ГТ-40ПЧ6 (генератор на вспомогательной силовой установке - ВСУ). Он представляет собой трёхфазный синхронный бесконтактный генератор, который используется на земле и в полёте до высоты 7000 м. при отказе основных генераторов.

Аварийным источником переменного однофазного тока напряжением 115 В 400 Гц является электромашинный преобразователь ПО-750А. В качестве наземных источников используются агрегаты АПА-50 и АЭМГ-60. Они подсоединяются к розетке ШРАП-400Ф, расположенного в правом обтекателе шасси.

Система электроснабжения постоянным током напряжением 27 В является вторичной и состоит из двух независимых подсистем — левого и правого борта. Основными источниками являются 4 выпрямительных устройства ВУ-6А(Б), которые обеспечивают преобразование электроэнергии переменного тока 200 В 400 Гц в постоянное 28,5 В. Вспомогательным источником является стартер-генератор ГС-12ТО ВСУ ТА-6, который используется в качестве стартера при запуске ВСУ и в качестве генератора после выхода ВСУ на номинальный режим. Аварийными источниками являются 4 щелочные аккумуляторные батареи 20НКБН-25-УЗ, которые расположены по 2 шт. в обтекателях шасси (слева и справа). Аккумуляторные батареи обеспечивают питание жизненно важных потребителей в течение 20…30 минут или 20 минут при 3-х неудавшихся запусках ВСУ. При питании всех потребителей время работы уменьшается примерно в 3 раза.

Основными источниками переменного трёхфазного тока 36 В 400 Гц являются 2 силовых трёхфазных понижающих трансформатора ТС320СО4А. Первичные обмотки трансформаторов питаются от шин борт сети переменного трёхфазного тока напряжением 200/115 В. Мощность ТС320СО4А 2 кВт. Трансформаторы подключены к шинам РУ-25 и РУ-26, которые используются для питания потребителей ПНК. Резервным источником является преобразователь ПТ-125Ц, который преобразует постоянный ток напряжением 27 В в переменный трёхфазный ток напряжением 36 В 400 Гц. Преобразователь ПТ-125Ц является автономным источником питания авиагоризонта АГБ-3К, выключателя коррекции ВК-90М, магнитного самописца МСРП-64. Аварийное питание однофазным переменным током напряжением 36 В частотой 400 Гц осуществляется от трансформатора ТС-1-025. Мощностью 0,25 кВА, питеается от ПО-750. Потребители 36 В 400 Гц подключаются одним проводом через автомат защиты к шине, а вторым — на корпус самолёта.

Для обеспечения безопасной работы узлов и устройств самолета применяют автоматы защиты, предназначеные для защиты потребителей трехфазного переменного тока при обрыве одной или двух фаз контролируемой сети.

2 Системотехническая часть

2.1 Структура устройства защиты

Для того чтобы сформировать на функциональном уровне структуру разрабатываемого устройства защиты необходимо рассмотреть его основные функции.

1) Функция обнаружения обрыва фаз.

2) Предохранение элементов схемы от перегрузок по току и напряжению при токах короткого замыкания в контролируемой линии.

3) Выпрямление и фильтрация напряжения.

4) Независимая работа каждой из трёх фаз устройства защиты.

5) Обеспечение срабатывания устройства за время 1-2с после обрыва одной или двух фаз контролируемой линии.

6) Стабилизация напряжения.

На основании вышеизложенного, функциональная схема устройства защиты принимает следующий вид (рисунок 3.1).

Рисунок 3.1 Функциональная схема устройства защиты.

1)Датчики.

Датчиками обрыва фаз служат токовые трансформаторы Е1, Е2, Е3 . При протекания тока через первичные обмотки трансформаторов на вторичных обмотках индуктируются переменные напряжения.

2) Блок защиты.

Диоды ограничительные предохраняют элементы схемы от перегрузок по току и напряжению при токах короткого замыкания в контролируемой линии (рисунок 3.2).

Рисунок 3.2

3) Блок выпрямления и фильтрации напряжения.

Напряжения выпрямляются двухполупериодной мостовой схемой, на диодных мостах Д7, Д8, Д9. Выпрямленные напряжения фильтруются конденсаторами С1 – С3 .

4) Блок диодного суммирования (рисунок 3.3).

Диоды представляют собой схему диодного суммирования и необходимы для независимой работы каждой из трёх ячеек устройства защиты (рисунок 3.3).

Рисунок 3.3

5) Блок временной цепи.

Временная цепь R 7, R 8, C 4, Д18, Т2, Д19 выполнена таким образом, чтобы обеспечить срабатывание автомата за время 1-2с после обрыва одной или двух фаз контролируемой линии.

6) Стабилизатор напряжения (рисунок 3.4).

На транзисторе, резисторе и стабилитронах выполнен стабилизатор напряжения.

Рисунок 3.4

7) Коммутационные устройства. Р1, Р 2. Устройства предназначены для замыкания и размыкания электрических цепей в устройствах автоматики, телемеханики, сигнализации, контроля и защиты

3 Схемотехническая часть

УЗ состоит из одной платы печатной (ПП), на которой установлены резисторы, конденсаторы, транзисторы, диоды, стабилитроны, реле. Кроме того, в устройство устанавливаются трансформаторы тока.

Схема электрическая принципиальная представлена в приложении и соответствует чертежу СПТИ.210201.001 Э3.

Поскольку эксплуатация УЗ производится в авиации, то для создания готового устройства использовались ЭРЭ расширенного температурного диапазона, либо специализированные ЭРЭ, аттестованные для применения в авиации.

3.1 Проектирование блоков устройства защиты

3.1.1 Проектирование токовых трансформаторов

Трансформаторы тока используются в качестве датчиков тока в системах защиты по току. Измеряемым током чаще всего является ток первичной обмотки силового трансформатора, амплитуда которого пропорциональна току нагрузки.

Конструкция трансформатора тока представляет собой кольцо из фер­ромагнитного материала с обмоткой, в отверстие которого продет провод с измеряемым током i ₁ . Данный провод играет роль первичной обмотки с число витков w ₁ = 1.

Вторичная обмотка, намотанная на кольце, нагружена на резистор R, выполняющий функцию линейного преобразователя вторичного тока в напряжение:

u ₂ = i ₂ R

Напряжение u₂ , являясь знакопеременным, подается на вход выпря­мителя, где преобразуется в постоянное.

Для выпрямителя трансформатор тока вместе с резистором R должен выступать в качестве генератора э.д.с. с малым внутренним сопротивле­нием, что может быть обеспечено при достаточно малой величине R. В то же время величина R не должна быть слишком малой, с тем чтобы обес­печить требуемую амплитуду U _а2 выходного напряжения u ₂ .

Будем считать рассматриваемый трансформатор тока идеальным. Тог­да можем записать:

i ₂ = i ₁ / w (3.1.1)

где w — число витков вторичной обмотки.

Из этого равенства следует, что ток i ₂ может быть выбран существен­но меньшим измеряемого тока i ₁ путем соответствующего выбора числа витков обмотки.

Далее получаем:

u ₂ = R × i ₁ / w

Перейдем к расчету трансформатора тока. Допустим, требуется рас­считать трансформатор тока для двухтактного мостового преобразовате­ля. Исходными данными для расчета являются:

— амплитуда измеряемого тока i _а1 = 0,5 А;

— действующее значение измеряемого тока I ₁ = 0,35 А;

— амплитуда выходного напряжения U_{a 2} = 8,2 В;

Зададимся величиной сопротивления R = 10 кОм . Равенство, за­писанное для мгновенных значений напряжения u ₂ и тока i ₂ , справедли­во также и для их амплитудных значений U_{a 2} и I_{a 2} , на основании чего мо­жем найти:

I_{a 2} = U_{a 2} / R =8.2 B /10кОм=0,82 мА

По формуле (3.1.1) справедливой для мгновенных, амплитудных и действующих значений входящих в нее величин, найдем число витков обмотки и действующее значение вторичного тока:

w=I_a1 /I_a2 =0.5A/0.82 м A= 610 витков .

I ₂ = I ₁ / w = 0.35/610= 57,4 × 10^-3

Определим сечение и диаметр провода обмотки, приняв плотность тока j =3 A /мм² :

S _пр = I₂ /j= 57,4 × 10^-3 /3=0.0191 мм ²

d² _пр = 4 × S _пр / p = 4 × 0.0191 / 3,14

d _пр = 0,116

В качестве провода обмотки будем использовать провод марки ПЭТВ-2 с диаметром по меди d_np = 0,200 мм (диаметр по изоляции d_np . _из =0,240 мм ).

Выберем сердечник трансформатора тока, исходя из условия разме­щаемое™ обмотки на нем и наличия отверстия для продевания провода с измеряемым током. Допустим, в качестве провода с измеряемым током использован провод марки МГТФ 1 × 0,12, имеющий сечение 0,12 мм² и внеш­ний диаметр d_{np 1 из} = 1 мм.

В качестве сердечника трансформатора будем использовать кольцо К20х10х5 из феррита марки 1500НМЗ, имеющее S = 10 мм² .

Проверим размещаемость обмотки на выбранном сердечнике. Наложим на сердечник изоляцию из лакоткани ЛШMC-105-0,10 тол­щиной D _из = 0,10 мм с 50%-ным перекрытием.

Найдем диаметр и длину 1-го слоя:

d _сл1 = d - 4 D _из – d _{пр из} = 10 - 4 • 0,1 - 0,240 = 9,36 мм;

l_сл = p • d _сл1 = 3,14• 9,36 =29,4 мм.

(d — внутренний диаметр сердечника).

Максимальное число витков в 1-м слое без учета неплотности намот­ки составит:

W _{сл1 max} = l _сл1 / d _{пр из} = 29,4/0,24=122 витка

Аналогично остальные слои.

Обмотка поместится в шести слоях.

Поверх обмотки наложим внешнюю изоляцию из лакоткани ЛШМС - 105-0,10 с 50%-ным перекрытием. Найдем диаметр отверстия:

d _отв = d _сл6 – d _{пр из} - 4 D _из = 6,16 - 0,24 - 4 • 0,1 = 5,52 мм.

Видим, что диаметр отверстия вполне достаточен для продевания че­рез него провода с измеряемым током.

Важным условием функционирования трансформатора тока является обеспечение работы сердечника без захода в область насыщения. Чтобы определить, обеспечено ли выполнение данного условия, необходимо найти максимальную индукцию в сердечнике. Напомним, что данная формула справедлива для режима перемагничивания по симметричному циклу при прямоугольном входном воздействии с паузой на нуле. Ранее было принято q = 0,25. получаем:

B_max = qU_{a 2} / 2 wfS = 0.25•8.2/2•610•400•10•10^-5 =0.042 Тл

Основываясь на библиографических данных для феррита 1500НМЗ, можем за­ключить, что сердечник трансформатора тока далек от насыщения.

Представляет интерес определить, насколько верно предположение об идеальности трансформатора тока, принятое выше. Чтобы ответить на этот вопрос, необходимо найти намагничивающий ток трансформатора тока и сравнить его с измеряемым током i ₁ .

Найдем максимальное значение напряженности в сердечнике, подставив в нее m = 1500:

H_max = B_max / m _o m =0.042/4 p •1500•10^-7 = 22,23 A /м

При w = 1 получим:

I _{m max} = H_max • I _ср = 22,23•25,133•10^-3 =0,56 А

Полученное значение немного больше I_{a 1} , что, в принципе, можно считать довольно хорошим результатом.

3.1.2 Проектирование выпрямителя

В преобладающем большинстве конструкций используется двухполупериодный выпрямитель, диоды которого включены по мостовой схеме. Рассчитать выпрямитель - значит правильно выбрать выпрямительные диоды и конденсатор фильтра, а также определить необходимое переменное напряжение, снимаемое для выпрямления с вторичной обмотки трансформатора. Исходными данными для расчета выпрямителя служат: требуемое напряжение на нагрузке U_н и потребляемый ею максимальный ток I_н .

а) По току нагрузки определяем максимальный ток, текущий через каждый диод выпрямительного моста:

I_д = 0,5СI_н

I_д = 0,5 • 2,4 • 0,1 = 0,12 А

где: I_д - ток через диод, А;
I_н - максимальный ток нагрузки, А;
С - коэффициент, зависящий от тока нагрузки.

б). Подсчитываем обратное напряжение, которое будет приложено к каждому диоду выпрямителя:

U_обр = 1,5U_н ,

U_обр= 1,5 •8,2=12,3 В

где: U_обр - обратное напряжение, В;
U_н - напряжение на нагрузке, В.

в) Выбираем диоды, у которых значения выпрямленного тока и допустимого обратного напряжения равны или превышают расчетные. Нам подходит диоды 2Д103А. Пригоден также выпрямительный блок КЦ417Б.

г) Определяем емкость конденсатора фильтра:

С_ф = 3200I_н / U_н K_п ,

С_ф = 3200 •0,82 / 8,2 •0,05= 6,4 мкФ ,

где: С_ф - емкость конденсатора фильтра, мкФ;
I_н - максимальный ток нагрузки. мA;
U_н - напряжение на нагрузке, В;
K_п - коэффициент пульсации выпрямленного напряжения (отношение амплитудного значения переменной составляющей на выходе выпрямителя к среднему значению выпрямленного напряжения).

Конденсатор выбираем К52-9-100В-6,8мкФ.

3.1.3 Выбор ограничителя напряжения

При воздействии ЭМИ искусственного и естествен­ного происхождения могут возникать необратимые и обратимые повреждения в аппаратуре, которые связаны главным образом с электрическими пробоями элемен­тов, перегоранием цепей и контуров. Обратимые изме­нения (кратковременные отказы и сбои) связаны с по­явлением ложных сигналов в узлах и блоках, подавле­нием полезных сигналов, искажением информации.

Для защиты цепей аппаратуры и ее элементов от различного рода перегрузок по напряжению использу­ют газоразрядные и полупроводниковые ограничите­ли. К газоразрядным ограничителям относятся разряд­ники, к полупроводниковым — полупроводниковые ограничители напряжения, металлооксидные варисторы и полупроводниковые приборы общего применения.

По сравнению с другими классами ограничителей напряжения разрядники имеют весьма высокие напря­жения, большое значение допустимого тока и малые межэлектродные емкости, что позволяет использовать их для защиты цепей аппаратуры от ЭМИ искусствен­ного и естественного происхождения, когда энергия, выделяемая в ограничителе, достаточно велика. Но применение только одних разрядников из-за значитель­ного времени их срабатывания не решает проблемы защиты многих полупроводниковых приборов и микро­схем, поскольку для них недопустимы начальные вы­бросы напряжений, пропускаемые разрядником. Вели­чина выброса напряжения у разрядников в значитель­ной степени зависит от скорости нарастания фронта воздействующего импульса. При больших величина выбро­са напряжения может возрасти в 5..6 раз по сравне­нию со статическим напряжением возникновения раз­ряда. Этот недостаток разрядников в меньшей сте­пени проявляется у варисторов и совсем отсутствует у полупроводниковых ограничителей напряжения.

Полупроводниковые ограничители напряжения и варисторы выгодно отличаются от разрядников тем, что напряжение пробоя у них ниже напряжения ограниче­ния (у разрядников оно значительно выше напряже­ния поддержания разряда), поэтому при применении, полупроводниковых ограничителей защищаемые ими цепи не шунтируются после прохождения импульса тока переходного процесса, как это имеет место у разрядников. Наличие низкого напряжения поддержа­ния разряда у разрядников ограничивает их примене­ние для защиты цепей постоянного тока, в которых напряжение источника выше напряжения поддержания разряда. Полупроводниковые ограничители и варисто­ры имеют диапазон напряжений 0,7.. .2000 В, что по­зволяет использовать их для защиты различных по назначению радиотехнических цепей, в состав которых входят чувствительные к переходным процессам полу­проводниковые приборы и интегральные микросхемы.

Кроме специализированных ограничителей напряже­ния в качестве элементов защиты могут быть использо­ваны: ПП общего применения: импульсные диоды, диоды с барьером Шотки, p-i-n диоды, импульсные стабилит­роны, высоковольтные выпрямительные столбы, диоды с низкоомной базой, диоды на основе арсенида галлия и др. Полупроводниковые элементы защиты, а также варисторы и разрядники благодаря особенностям вольт - амперной характеристики (ВАХ) при отсутствии им­пульса напряжения практически не потребляют энергии в цепи, так как их сопротивление очень велико (0,1 ... 100 МОм) и, следовательно, практически не рассеи­вают дополнительной мощности. При возникновении импульса напряжения с амплитудой, превышающей по­роговое значение для данного элемента защиты, его сопротивление резко уменьшается (0,01 ... 10 Ом). В ре­зультате импульсное напряжение на защищаемой цепи ограничивается до заданного уровня. При этом ток протекает в основном через элемент защиты, минуя нагрузку, и достигает в ряде случаев сотни ампер. Однако средняя рассеиваемая мощность, выделяемая в ограничителе, невелика, так как длительность импуль­сов напряжения, возникающих в цепях при действии ЭМИ искусственного и естественного происхождения, не превышает десятков микросекунд. Поэтому элементы защиты, обладая большой импульсной рассеиваемой мощностью, имеют малые габариты и массу. Кроме то­го, они имеют большое быстродействие, что важно для защиты цепей при высоких скоростях нарастания им­пульсов напряжения, свойственных ЭМИ искусствен­ного происхождения.

Для обеспечения эффективной защиты цепей ап­паратуры от электрических перегрузок по напряжению е помощью ограничителей напряжений параметры и ха­рактеристики последних должны удовлетворять следу­ющим требованиям:

- технические характеристики и параметры ограничи­телей при отсутствии перегрузок по напряжению не должны влиять на характеристики функциональных бло­ков и устройств, в которых они используются;

- уровень напряжения во время действия импульса переходного процесса в точках подключения ограничи­теля должен быть как можно ближе к нормальному уровню напряжения, действующему до перегрузки;

- надежность ограничителя должна быть выше на­дежности блоков и устройств, которые нуждаются в защите;

- быстродействие ограничителей должно быть макси­мально возможным, чтобы обеспечить эффективную за­щиту при больших скоростях изменений напряжений пе­реходных процессов;

- максимально допустимые токи ограничителей долж­ны быть больше тока, создаваемого максимально воз­можным уровнем напряжения;

- диапазон рабочих напряжений ограничителей дол­жен быть достаточно широким;

- динамическое сопротивление в проводящем состоя­нии должно быть минимально возможным;

- параметры и характеристики ограничителей должны соответствовать требованиям по устойчивости к воз­действию механических, климатических и специальных факторов, предъявляемым к аппаратуре.

Проанализировав теоретический материал был выбран ограничитель напряжения 2С408А2.

Ограничитель напряжения кремниевый диффузионный средней мощности. Предназначен для защиты цепей аппаратуры постоянного и переменного токов от им­пульсных электрических перегрузок по напряжению. Выпускаются в металлостеклянном корпусе с гибки­ми выводами. Тип ограничителя указывается на корпу­се. Корпус в рабочем режиме служит положительным электродом (анодом). Масса прибора не более 2,3 г.

Импульсное напряжение ограничения 8,5 В

Постоянный обратный ток 0,3мА.

Рекомендации по применению:

- Изгиб выводов допускается не ближе 3 мм от кор­пуса или расплющенной части трубки с радиусом за­кругления не менее 2 мм. Растягивающая выводы сила не должна превышать 19,6 Н.

- Минимальное расстояние места пайки выводов от корпуса или расплющенной части трубки 3 мм. Тем­пература корпуса при пайке не должна превышать + 125° С.

- Допускается последовательное соединение любо­го числа диодов.

- Допускается параллельное включение диодов при условии, что разница их напряжений пробоя не пре­вышает 20 мВ.

3.2 Принцип работы устройства.

Устройство работает следующим образом:

При протекания тока через первичные обмотки трансформаторов на вторичных обмотках индуктируются переменные напряжения, которые выпрямляются двухполупериодной мостовой схемой на диодных мостах Д7, Д8, Д9. Выпрямленные напряжения фильтруются конденсаторами С1 – С3.

Далее идет схема диодного суммировании, работающая следующим образом: при протекании токов в фазах защищаемой линии к резисторам R 1, R 2, R 3 приложено выпрямленное напряжение. Все три выпрямителя соединяются в звезду объединением выводов одинаковой полярности. Напряжение U 1, U 2, U 3 на резисторах R 1, R 2, R 3 оказывается одинаковым и разность между ними равна нулю.

В случае обрыва фазы А , напряжение U 1 окажется равным нулю. При этом «минусы» двух оставшихся напряжений ( U 2, U 3) через резистор R 1 , диоды Д10, Д15 резисторы R 4, R 5 окажутся приложенными к базе транзистора Т1. При обрыве другой любой фазы работы схемы аналогична.

При обрыве фаз, например А и В , напряжения U 1, U 2 равны нулю, «минус» напряжения U 3 через резисторы R 1, R 2 , диоды Д10, Д12, Д15 и резисторы R 4, R 5 прикладываются к базе транзистора Т1. В исходном состоянии (наличие или отсутствие тока во всех трех фазах контролируемой сети) транзистор Т1 открыт за счет положительного смещения по цепи R 5, R 6 . Вход транзистора Т2 шунтируется открытым транзистором Т1. Транзистор Т2 находится в закрытом состоянии. Цепь базового тока транзистора Т3 разорвана, транзистор Т3 закрыт. Аналогично закрыт транзистор Т4 . Обмотка реле Р1 обесточена. Через нормально замкнутые контакты 3-4 реле Р2 подается напряжение питания на обмотку внешнего контактора, через контакты которого осуществляется подключение трехфазной нагрузки к генератору.

Как указано выше, при обрыве одной или двух фаз контролируемой линии к базе транзистора Т1 подается отрицательное напряжение, которое запирает транзистор Т1 . При закрытом транзисторе Т1 происходит заряд конденсатора С4 . Когда напряжение на конденсаторах суммарной величины трех напряжений (напряжение стабилизации стабилитрона Д19 , напряжение перехода база – эмиттер транзистора Т2 и напряжение перехода Д18 ) транзистор Т2 открывается, следовательно, откроются транзисторы Т3 и Т4 , сработает реле Р1 . Нормально разомкнутые контакты 2-3 реле Р1 замкнутся, что вызовет срабатывание реле Р2, которое заблокирует своими нормально разомкнутыми контактам 3-5. Цепь питания внешнего контактора разорвется, нагрузка отключится от генератора. После отключения нагрузки от генератора вся схема, кроме реле Р2 вернется в исходное состояние.

Внешний контактор будет находится в обесточенном состоянии (нагрузка отключена от генератора) до кратковременного снятия напряжения питания в цепи управления.

На диоде Д15 и резисторах R 4, R 5 осуществляется падение напряжения, этим исключается открывание транзистора Т1.

Диод Д16 создает путь токам диодного сумматора и не допускает на базе транзистора Т1 отрицательного напряжения более (0,8-1,0)В.

Резистором R 9 и стабилитроном Д17 осуществляется дополнительная стабилизация напряжения для цепи, задающей время срабатывания устройства.

Диод Д20 и резистор R 16 , диод Д21 и резистор R 17 создают запирающее смещение соответственно транзисторов Т3, Т4.

Диод Д23 предохраняет транзистор Т4 от бросков обратного напряжения в момент закрывания транзистора Т4.

Диод Д22 предохраняет схему автомата при включения напряжения питания обратной полярности.

Диоды ограничительные Д1, Д2, Д3, Д4, Д5, Д6 предохраняют элементы схемы от перегрузок по току и напряжению при токах короткого замыкания в контролируемой линии. Диод Д26 предохраняет схему автомата от воздействия импульсов обратного напряжения по цепи питания.

3.3 Выбор элементной базы

3.3.1 Токовые трансформаторы

Е1, Е2, Е3 - Токовые трансформаторы. Датчики состоят из сердечника, изолированного двумя слоями лакоткани. Датчики покрыты эмалью ЭЛ-274.

3.3.2 Диоды

Д1, Д2, Д3, Д4, Д5, Д6 - 2С408А2. Диоды ограничительные кремниевые, диффузионные, несимметричные, средней мощности. Предназначены для одностороннего ограничения импульсов напряжения.

Напряжение пробоя U пр=6В при обратном токе I _обр =1мА.

Импульсное напряжение ограничения не более 10В .

Д7, Д8, Д9 - КЦ417В. Напряжения выпрямляются двухполупериодной мостовой схемой, на диодных мостах. В качестве мостов были взяты блоки КЦ417В состоящие из кремниевых диффузионных диодов, соединенных по мостовой схеме выпускаются в пластмассовом корпусе с гибкими выводами.

Импульсное обратное напряжение U _обр =200В.

Средний выпрямленный ток I =1А.

Частота без снижения электрических режимов 5 кГц.

Температура окружающей среды от - 60…+ 110 С.

Д10 – Д16, Д18, Д20 – Д22 - 2Д103А. Диоды кремниевые, диффузионные. Выпускаются в пластмассовом корпусе с гибкими выводами.

Постоянное прямое напряжение U _пр =1,2В при I _пр =50мА

Постоянное обратное напряжение U _обр =75В

Температура окружающей среды от - 60…+ 125 С

Постоянный средний прямой ток I _пр =100мА

Д23, Д26 – 2Д120А . Диоды кремниевые, диффузионные.

Постоянное прямое напряжение при токе I _пр =300мА не более 1В.

Постоянный обратный ток при U _обр =100В не более 10мкА

Д19 - 2С156А Стабилитрон кремниевый, сплавной малой мощности. Стабилитрон предназначен для стабилизации номинального напряжения U= 3,3…6,8В в диапазоне токов стабилизации 3…81мА.

Д24, Д25 - Д818Г . Стабилитроны кремниевые, диффузионно-сплавные, малой мощности, прецизионные. Предназначены для стабилизации номинального напряжения 9В в диапазоне токов стабилизации 3…33мА с высокими требованиями к стабилизации напряжения в диапазоне температур -60…+125 С.

Напряжение стабилизации U _ст =8,55…9,45В при I _ст =10мА

Д17 – 2С516Б Стабилитрон.

3.3.3 Резисторы

R 1.. R 24 - С2-33Н. Резисторы постоянные непроволочные всеклиматического изолированного варианта исполнения, предназначены для работы в электрических цепях постоянного, переменного токов и в импульсном режиме, для ручной и автоматизированной сборки аппаратуры.

Гарантированная стабильность в течении 1000 ч.

Диапазон рабочих температур от минус 60 до + 155 °С.

Минимальная наработка 25 000 ч.

3.3.4 Конденсаторы

C 1, C 2, C 3 - К52-9-100В-6,8мкФ. Электролитические танталовые объемно – пористые. Конденсаторы предназначены для работы в цепях постоянного, и пульсирующего тока в импульсном режиме.

С4 - К53-66. Танталовый оксидно-полупроводниковый полярный конденсатор в герметичном цилиндрическом стальном корпусе.

Благодаря применению высоко емких танталовых порошков новый конденсатор имеет лучшие, по сравнению с отечественными аналогами, параметры удельной емкости.

Применение новых конденсаторов позволит увеличить плотность монтажа компонентов на поверхность платы с одновременным уменьшением трудоемкости и повышением качества монтажа, повысить безотказность и долговечность работы устройства, снизить себестоимость конечной продукции.

С5 - КМ-4б-М47. Стеклокерамический конденсатор предназначен для работы в цепях постоянного переменного пульсирующего и импульсного тока.

3.3.5 Транзисторы

Т1, Т2 - 2Т312Б кремниевые эпитаксиально - планарные n-p-n универсальные высокочастотные маломощные. Предназначены для применения в переключательных, усилительных и генераторных схемах радиоэлектронной аппаратуры. Напряжение насыщения коллектор – эмиттер U =0,7В при I _к =20мА, I _б =2мА.

Т3 - 2Т208Л кремниевые планарно - эпитаксиальные, маломощные. Напряжение насыщения коллектор – эмиттер U =0,3В при I _к =300мА, I _б =60мА.

Т4, Т5 - 2Т630А кремниевые планарные n-p-n усилительные высокочастотные, Предназначен для импульсных и усилительных схем. Напряжение насыщения коллектор – эмиттер U =0,3В при I _к =150мА, I _б =15мА.

3.3.6 Реле

Р1 - РЭС49 Устройства предназначены для замыкания и размыкания электрических цепей в устройствах автоматики, телемеханики, сигнализации, контроля и защиты, в системах связи и передачи информации. РЭС49 может коммутировать цепи только постоянного тока. Минимальное время срабатывания составляет 3мс.

Рабочее напряжение U =27(-5+9)В

Время срабатывания 3мс., время отпускания 2мс.

Ток срабатывания I _ср =8мА , ток отпускания I _отп =1,6мА

Р2 - РЭС34 может коммутировать цепи постоянного и переменного тока частотой 50…1100Гц.

Рабочее напряжение U =27(-3+3)В

Время срабатывания 21мс., время отпускания 3мс.

Ток срабатывания I _ср =6,3мА , ток отпускания I _отп =1,0мА

4 Конструкторское проектирование

4.1 Обоснование выбора применяемых материалов

Конструкция устройства выполняется на печатной плате из фольгированного стеклотекстолита СТФТ-2-35-1,5. Выбор стеклотекстолита обусловлен тем, что стеклотекстолит имеет ряд преимуществ по сравнению с гетинаксом.

Стеклотекстолит имеет высокую механическую прочность, высокую нагревостойкость (до 180 °С), высокое удельное объемное сопротивление (5∙10¹² Ом/см), малый тангенс угла диэлектрических потерь (0,03), прочность сцепления фольги с основанием (10 Н/см² ).

Гетинакс имеет удельное, объемное сопротивление (1∙10⁹ Ом/см), тангенс угла диэлектрических потерь (0,07), прочность сцепления фольги с основанием (19 Н/см² ). Гетинакс уступает стеклотекстолиту, как по электрическим, так и по физико-механическим свойствам.

Пайка будет осуществлться припоем ПОС-61 ГОСТ 21931-76. Выбор данного припоя, несмотря на его высокую стоимость, оправдывается тем, что у него более низкая температура плавления по сравнению с другими припоями (припой ПОС-61 обладает температурой плавления 185°С), малое время кристаллизации, что позволяет применять этот припой в автоматизированных линиях пайки, что увеличивает скорость пайки и ее качество.

Размеры печатной платы выбирают такими, чтобы при раскрое платы из стандартного стеклотекстолита получался наименьший расход. В качестве элементов схем используют электрорадиоэлементы (ЭРЭ), предназначенные для радиоэлектронной аппаратуры широкого применения.

Флюс ФКСП ТУ 102.911 канифольно-спиртовой. Он обладает максимальной активностью, при температуре плюс 170°С. Остатки флюса легко удаляются спиртом. Для ремонтных работ используется канифоль сосновая ГОСТ 19113-73. Остатки канифоли легко удаляются спиртом.

Для снятия остатков флюса и канифоли применяется этиловый спирт ТУ577227-64, не ухудшает изоляционных свойств платы.

В качестве материала для корпуса будем использовать прессматериал АГ-4В ГОСТ 20437-75. Предназначен для изготовления прямым, литьевым прессованием, а также намоткой с последующим отверждением деталей конструкционного и электротехнического назначения повышенной прочности, пригодных для работы в интервале температур от минус 196 до плюс 200 градусов С и в условиях тропического климата.

4.2 Расчёт геометрических размеров печатной платы

Таблица 4.2

Элементы конструкции размещены на печатной плате из фольгированного стеклотекстолита СТФТ-2-35-1,5. Монтаж на печатных платах осуществляется согласно СПТИ.465677.001СБ.

Определяется минимальная ширина, мм , печатного проводника по постоянному току для цепей питания и заземления:

, (4.2.1)

где I _max – максимальный постоянный ток в проводниках,

j _доп – допустимая плотность тока, выбирается в зависимости от метода изготовления ( j _доп = 20 А /мм ²) [17],

t – толщина проводника (t = 0,035 мм ).

мм .

Вычисляем минимальную ширину проводника исходя из допустимого падения напряжения на нём:

, (4.2.2)

где – удельное объёмное сопротивление: Ом·мм²/м, l –длина проводника, м, –допустимое падение напряжения, не превышающее 5% от питающего напряжения.

мм .

Рассчитываем номинальный эффективный диаметр монтажных отверстий:

, (4.2.3)

где – максимальный диаметр вывода устанавливаемого ЭРЭ; – нижнее предельное отклонение от номинального диаметра монтажного отверстия, мм ; – разница между минимальным диаметром отверстия и максимальным диаметром вывода ЭРЭ, её выбирают в пределах 0,1…0,4 мм ( мм ).

Диаметры выводов устанавливаемых ЭРЭ: d _э = 0,6 мм , d _э = 1 мм.

Нижние предельные отклонения: мм . [17].

Диаметры монтажных отверстий:

Определяем номинальный эффективный диаметр контактных площадок:

, (4.1.4)

где b – величина гарантийного пояска, мм; – верхнее предельное отклонение диаметра контактной площадки, мм; – значение подтравливания диэлектрика в отверстии ( мм ); – значение позиционного допуска расположения осей отверстий в диаметральном выражении ( мм ); – значение позиционного допуска расположения контактных площадок в диаметральном выражении ( мм ); – предельное отклонение диаметра контактной площадки ( мм ).

Номинальные диаметры контактных площадок:

Определение минимального расстояния между центрами двух контактных площадок для возможности прокладки n проводников по 3-му классу точности:

, (4.1.5)

где – диаметры контактных площадок, t – ширина печатных проводников, n – число проводников, S – расстояние между печатными проводниками, - технологический допуск, = 0,05 мм .

При n = 1, для случая D ₁ = D ₂ = 1,7 мм .

При n = 2, l _min = 3 мм .

Согласно произведенным расчетам параметров печатного монтажа выбирается комбинированный метод изготовления и 3 класс точности ПП (ГОСТ 23751-86), который предусматривает следующие ограничения: минимальное значение номинальной ширины проводника – 0,25 мм, номинальное расстояние между проводниками – 0,25 мм.

Расчет объема и массы блока.

Масса платы определяется суммой масс элементов входящих в ее состав:

· плата печатная;

· радиоэлементы;

· припой;

· лак.

Объём платы печатной V _ппс = A × B × h = (140 × 55 × 2)ּ10^-3 = 15,4 см³ .

Плотность стеклотекстолита .

Масса платы печатной:

M _ппс =V _пос. ∙ ρ_ст =15,4∙ 1,6=25 г.

Рассчитываем площадь печатной платы по формуле:

S _П.П. = S Х Q

где Q – коэффициент заполнения печатной платы, (Q=4)

тогда:

S _П.П. =2510 Х 4= 10040 мм²

Размеры платы ограничены S _П.П =140 Х 55=7700 мм²

Рассчитываем массу печатной платы с элементами

М_пп =М_эл-ов +М_платы +М_пайки +М_винтов =66,5+0,0019 Х 7700+5+24=110 г.

Рассчитываем массу всей конструкции:

M _ус-ва =М_{корпуса} +2 Х М_крышки +М_пп +3 Х М_{трансформатора} +9 Х М_{выводных винтов} =100+2х50+110+3х25+9х15=520 г.

4.3 Расчёт на механические воздействия.

Целью расчёта является определение действующих на элементы изделия перегрузок при действии вибрации и ударов. При необходимости производится выбор и расчёт системы амортизации.

Расчёт частоты собственных колебаний печатной платы с закрепленными на ней элементами

Определим цилиндрическую жесткость D , Н/м:

, (4.2.1)

где E – модуль упругости ( Н/м);

h – толщина платы ( 2 мм);

V – коэффициент Пуассона ( ).

Н/м.

Определение частоты собственных колебаний для равномерно нагруженной платы:

, (4.2.2)

где a – длина платы (a = 0,06 м);

b – ширина платы (b = 0,05 м);

M – масса платы с элементами ( кг);

Гц.

Определим максимальный относительный коэффициент перемещения:

(4.2.3)

где Н_у – ударное усилие импульса, Н_у = 25 м/с² ;

; (4.2.4)

τ – длительность ударного импульса τ = 7мс.

,

.

Проверяем выполнение условия ударопрочности по следующему критерию:

где b – размер стороны печатной платы, параллельно которой установлены ЭРЭ (b = 50 мм ).

Неравенство указывает на высокую ударопрочность изделия.

Согласно приведенным расчетам устройство может эксплуатироваться при частоте вынужденных колебаний до 3000 Гц, остается запас 75 Гц для обеспечения устойчивости системы. Что говорит о возможности транспортировки наземным транспортом.

4.4 Тепловой расчет РЭС

а) Рассчитаем поверхность корпуса блока [19]

Условная длина 50 мм (L ₁ ), условная ширина 50 мм (L ₂ ), условная высота 20 мм (L ₃ ).

S_k =2∙ (L ₁ L ₂ + (L ₁ + L ₂ ) ∙ L ₃ ) (4.3.1)

S_k =2∙ (0,05∙ 0,05+(0,05 + 0,05) ∙ 0,02) = 0,009 м²

б) Определим условную поверхность нагретой зоны, она определяется по формуле:

S_S =2∙ (L ₁ L ₂ +(L ₁ + L ₂ ) ∙ L ₃ ∙ K ₃ ), (4.3.2)

S_S =2∙ (0,05∙ 0,05+(0,05 + 0,05) ∙ 0,02∙ 0,022) = 0,0052 м²

K ₃ – коэффициент Пуассона.

в) Удельная мощность блока

По графику зависимости температуры блока от удельной мощности [19] определяем абсолютную температуру нагрева внутри блока: 24ºС. Такая температура вполне допустима.

По данным расчета выбираем площадь печатной платы не менее 7700 мм² и выбираем печатную плату размерами 140х 55 мм, так как необходимо учитывать площадь под крепеж печатной платы к корпусу.

Конструкция «УЗ», собрана на печатной плате с печатным монтажом. Этот монтаж характеризуется жесткостью, обеспечивает доступ к ЭРЭ. Печатный монтаж можно производить механизировано и автоматизировано. Он дает возможность применения механизации при подготовке ЭРЭ к монтажу. Сначала устанавливаются на печатную плату резисторы, затем конденсаторы, диоды и в последнюю очередь транзисторы.

Печатная плата выполнена из фольгированного стеклотекстолита толщиной 1,5мм. Стеклотекстолит обладает повышенной влагостойкостью и лучшими электрическими параметрами по сравнению с гетинаксом. Пайка осуществляется припоем ПОС-61 ГОСТ 21031-76. выбор данного припоя, несмотря на его высокую стоимость, оправдывается тем, что у него низкая температура плавления по сравнению с другими припоями, малое время кристаллизации, что позволяет применять этот припой в автоматизированных линиях пайки, что увеличивает скорость пайки и ее качество. Для облегчения пайки используем спиртово-канифольный флюс марки ФКС ОСТ 4.033.200. он хорош тем, что не содержит токсичных компонентов и в небольших концентрациях в воздухе безвреден для здоровья человека. Кроме того, в своем составе флюс не содержит кислот, полионелитов, поэтому не разрушает место пайки, а так же способствует качественной промывке. Для промывки платы используем спирт марки А.

4.5 Расчет количественных характеристик надежности схемы

Надежность – это свойство изделия выполнять заданные функции в определенных условиях эксплуатации при сохранении значений основных параметров в заранее установленных пределах. Надежность – физическое свойство изделия, которое зависит от количества и качества, входящих в его состав элементов, от условий в которых оно эксплуатируется (чем выше температура окружающей среды, чем больше относительная влажность воздуха, перегрузки при вибрациях и т. д., тем меньше надежность), и от ряда других причин.

Расчет надежности позволяет определить вероятность безотказной работы за определенное время наработки на отказ, то есть позволяет планировать возможность отказа «УЗ».

Произведем расчет надежности разработанной схемы «УЗ». При ориентировочных оценках надежности для каждого типа элементов определяется интенсивность отказов в номинальном режиме λj_н . Особенности эксплуатации «УЗ» учитываются с помощью поправочных коэффициентов k_λ . Физически он характеризует тот факт, что при эксплуатации изделия в реальных условиях (определяемых его назначением) отказов в ней может быть в десятки и сотни раз больше, чем при ее работе в лабораторных условиях. В этой формуле k_λ1 учитывает суммарное воздействие вибраций ударных нагрузок, k_{λ 2} учитывает воздействия температуры влажности, k_λ3 учитывает влияние атмосферного давления, k _н – коэффициент нагрузки.

Чтобы оценить основные показатели изделия с учетом режимов работы его элементов, для каждого типа элемента и соответствующего ему режима выпишем значения поправочных коэффициентов α _j [27]. Необходимо вычислить произведение λ_j α_j n _i , где n _i – количество элементов определенного типа.

Необходимыми данными для расчета являются:

=1,5 (Авиационное устройство)

= 1,0 (по влажности 60%-70%, по температуре 20-40 С)

= 1,0 (по высоте, 0-3 км)

– коэффициент нагрузки: для активных элементов 0,7

для пассивных элементов 0,4.

коэффициент нагрузки k_н указан в таблице.

Тогда k_λ =1,5.

Для удобства расчета и наглядности все вычисления были сведены в таблицу (таблица 4.4.1)

Таблица 4.4.1

На основании полученных данных строим график безотказной работы «УЗ» по формуле (4.4.1):

(4.4.1)

Рисунок 4.4.1 – Изменение вероятности безотказной

работы с течением времени.

По имеющимся данным определим следующие характеристики надежности:

1. Приемлемый уровень вероятности безотказной работы P_a = 0,98 соответствует Т_a = 700 ч;

2. Браковочный уровень вероятности безотказной работы определяется на уровне Т_b = 6000 ч и должен быть не менее P_β > 0,9. Полученное значение на уровне Т_b =6000 ч составляет P_β = 0,92.

Рассчитаем вероятность безотказной работы изделия в течение гарантийной наработки 10000 часов. Для нерезервированных систем по формуле:

,

где l - интенсивность отказов системы.

, (4.4.2)

где – число элементов.

1/ч

Рассчитаем вероятность безотказной работы в течение заданной наработки.

(4.4.3)

где ч. - заданная наработка.

Находим среднее время наработки на отказ:

(4.4.4)

ч.

Таким образом, получаем расчётные значения: среднее время наработки на отказ – 35285,82ч ≈ 4 года; вероятность безотказной работы системы – 0,75 в течение заданной наработки.

5 Технологическое проектирование

5.1 Выбор основного направления техпроцесса

Технологический процесс делится на операции, как по трудоемкости, так и по технологической завершенности. За одним рабочим местом могут закрепляться до десяти операций, работы выполняют рабочие средней и высокой ква­лификации III - V разрядов.

Выбор варианта схемы техпроцесса включает в себя выбор видов работ, их обоснование, методы их выполнения (они должны быть более рациональ­ными), их последовательность, обоснование методов контроля. Выбранный техпроцесс изображают в виде структурной схемы, в которой отображают содержание операций и их последовательность.

Для производства цифрового измерителя индуктивности и емкости пред­полагается использовать типовые технологические процессы, разработанные и используемые на ОАО "СЭГЗ", для сборки и монтажа:

1) ТПП 321 основные требования к сборке;

2) ТПП 326-2 зачистка, формовка и лужение выводов радиоэлементов (лужение производится припоем ПОС-61);

3) ТПП 331 общие требования подготовки рабочего места к сборке и мон­тажу;

4) ТПП 366 монтаж печатной платы;

5) ТПП 371 общие требования к монтажу и технический контроль монта­жа;

6) ТПП 376 монтаж микросхем на печатную плату;

7) ТПП 722 общие требования и контроль механической сборки узлов и блоков;

8) ТПП 736 общие требования по защите от статического электричества при работе над интегральными микросхемами и полупроводниковыми приборами;

9) операция контроля производится по инструкции проверки устройства.

5.1 Техпроцесс создания УЗ проходит в следующей последовательности:

1. ТП изготовления печатной платы

1.1. Заготовка материала (стеклотекстолит), обработка контура;

1.2. Формирование защитного рельефа;

1.3. Травление меди;

1.4. Удаление защитного рельефа;

1.5. Сверление отверстий;

1.6. Лужение рисунка платы;

1.7. Промывка платы;

1.8. Сушка платы;

1.9. Визуальный контроль качества.

2. ТП сборки платы

2.1 Входной контроль параметров ЭРЭ;

2.2 Формовка и подготовка выводов навесных ЭРЭ и М/С;

2.3 Установка ЭРЭ и М/С;

2.4 Пайка элементов;

2.5 Контроль контактных соединений;

2.6 Промывка;

2.7 Сушка;

2.8 Лакирование и сушка;

2.9 Контроль и диагностика.

3. ТП изготовления корпуса

3.1 Подготовка материала;

3.2 Литьё (крышки и основания)

3.3 Зачистка;

3.4 Контроль;

4. ТП сборки изделия

4.1 Подготовка к сборке;

4.2 Крепление платы на основание;

4.3 Крепление крышки к основанию;

4.4 Контроль сборки.

Таблица 5.1.1 - Техпроцесс изготовления платы печатной

Таблица 5.1.2 - Техпроцесс сборки платы печатной

Таблица 5.1.3 - Техпроцесс изготовления корпуса

Таблица 5.1.4 - Техпроцесс сборки изделия

5.2 Расчет надежности техпроцесса

Надежность выпускаемой предприятием продукции зависит от средств, методов и систем контроля изделий на нем. Сам по себе контроль не создает качество и надежность, однако он регулирует, управляет ими. Надежность контроля оценивают количеством пропущенных бракованных изделий, зависящих от количества операций, которые должен проверить контролер. Стремятся ввести контроль после каждой операции, но при этом возникают большие экономические трудности, т.к. необходимы затраты на большое количество контролеров.

Для количественной оценки производственно-технологической надежности определим вероятность выпуска качественной продукции, обеспеченной соответствующими производственными и технологическими средствами [20]:

Р_пт (t ) = P _эл (t ) ∙ P _к (t ) ∙ P _т (t ), (5.2.1)

где P _эл (t ) – вероятность безотказной работы элементов, входящих в изделие, P _эл (t ) = 0,95;

P _к (t ) – вероятность отсутствия пропуска бракованных изделий при существующей системе контроля продукции, P _к (t ) = 0,98;

P _т (t ) – вероятность выпуска качественной продукции при осуществлении принятых для данного изделия техпроцессов, P _т (t ) = 0,98.

Р_пт (t ) = 0,95 ∙ 0,98 ∙ 0,98 = 0,91

Полученное значение вероятности указывает на высокую надежность технологического процесса, что позволяет использовать его при изготовлении пульта.

5.3 Расчет коэффициента технологичности

Основным показателем, используемым для оценки технологичности конструкции, является комплексный показатель технологичности. Расчет ведется согласно [15].

1. Определяем коэффициент автоматизации и механизации монтажа изделия:

(5.2.2)

где Н_ам – число соединений, полученных автоматизированным способом, Н_ам =168;

Н_м – общее число монтажных соединений, Н_м =200.

2. Определяем коэффициент применения печатного монтажа в изделии:

, (5.2.3)

где – количество контактных площадок в изделии, пайка которых осуществляется групповым методом, ;

– общее количество паяных соединений в изделии, .

3. Определяем коэффициент механизации подготовки ЭРЭ к монтажу:

, (5.2.4)

где – число ЭРЭ, подготовленных к монтажу механизированным способом, ;

– число ЭРЭ, .

4. Определяем коэффициент применения типовых процессов

, (5.2.5)

где H_ТП – количество типовых технологических процессов.

H_П – общее количество технологических процессов.

5. Определяем коэффициент повторяемости ЭРЭ

(5.2.6)

где Н_Т.ЭРЭ – число применяемых типоразмеров ЭРЭ, Н_Т.ЭРЭ =18;

6. Коэффициент применяемости

(5.2.7)

где Н_{Т.пр.ЭРЭ} – число типов примененных ЭРЭ, Н_{Т.пр.ЭРЭ} =20;

Определяем комплексный показатель технологичности конструкции:

, (5.2.8)

где – рассчитанные выше коэффициенты;

– коэффициент весомости -го коэффициента, определяется:

n – номер частного показателя.

Из данного расчёта видно, что технологичность разработки (К =0,76) соответствует требованиям задания на проект. Её можно повысить, применяя большее число деталей, изготовленных прогрессивными методами, а также механизируя операции контроля и настройки.

6 Экономическая часть

6.1 Конструкторская подготовка производства.

6.1.1 Составление перечня этапов и работ ОКР

Под опытно-конструкторской работой (ОКР) понимается совокупность процессов конструирования новых изделий, разработки конструкторской документации, ее корректировка по результатам изготовления и испытаний опытного образца нового изделия.

На данной стадии научные идеи, разработанные в ходе научно-исследовательских работ (НИР), воплощается в чертежи и опытные образцы новой техники, а также проводятся их всесторонние испытания.

ГОСТ 2.103 устанавливает следующие этапы разработки конструкторской документации:

1. Техническое задание (ТЗ). В процессе разработки ТЗ устанавливается основное назначение изделия, технические требования, показатели качества и технико-экономические требования к проектируемому изделию. ТЗ утверждается заказчиком.

2. Техническое предложение. Техническое предложение подготавливается разработчиком на основе ТЗ. На этом этапе ведётся разработка конструкторских документов, содержащих технические и технико-экономические обоснования целесообразности разработки документации на основании анализа ТЗ и различных вариантов возможных решений.

3. Эскизное проектирование . Это совокупность конструкторских документов, которые содержат принципиальные конструкторские решения, дающие представления об устройстве и принципах работы изделия. При разработке эскизного проекта осуществляется конструкторская проработка основных узлов изделия и их макетирование.

4. Техническое проектирование. Вырабатывается окончательное представление о конструкции изделия и его отдельных узлов, уточняются параметры нового изделия.

5. Разработка рабочей документации . Разрабатываются конструкторские документы, предназначенные для изготовления и испытания, опытных образцов, а также для серийного производства. Производится корректировка рабочей документации по результатам испытаний.

6.1.2 Расчет трудоемкости ОКР

Расчёт трудоёмкости ОКР проведём по методу прямого счёта [1]. При разработке платы для ЭрКПЕ требуется выполнить 70 условных чертежей на форматах А4 на стадии рабочего проектирования. Нормативная трудоёмкость разработки конструкторской документации устройства на стадии рабочего проектирования определяется по формуле:

(6.1)

где tн– средняя норма времени для выпуска одного чертежа формата А4 по объекту 2 группы сложности и 2 группы новизны (t = 3,5),

N – количество условных чертежей формата А4 (N = 70),

К – коэффициент изменения трудоемкости,

К_С – коэффициент серийности изделия (1.2);

К_УП – коэффициент условий применения изделий (0.6);

К_У – коэффициент унификации изделия (0.6);

К_ОТ – коэффициент уровня организационно-технических условий (1).

н/ч

Расчёт общей трудоёмкости по всем стадиям выполнения конструкторской работы проводится по следующей формуле:

(6.2)

Нормативные трудоёмкости выполнения работ по ОКР в процентном соотношении от трудоёмкости рабочего проекта приведены в таблице 6.1.1 и позволяют рассчитать все составляющие формулы 6.2.

Таблица 6.1.1

Трудоёмкость рабочего проекта находим по формуле:

н/ч. (6.3)

где Р – процент трудоемкости выполнения рабочей документации от трудоемкости всего рабочего проекта (Р=79%)

Расчет трудоёмкости технического задания и технического предложения находим по формуле:

н/ч. (6.4)

Трудоёмкость эскизного проекта определяется выражением:

н/ч. (6.5)

Трудоёмкость разработки технического проекта равна:

н/ч. (6.6)

Расчет трудоёмкости изготовления и отладки опытного образца находим по формуле:

н/ч. (6.7)

Расчет трудоёмкости по результатам государственных испытаний образца определяется по формуле:

н/ч. (6.8)

Расчет трудоёмкости по результатам заводских испытаний опытного образца находим по формуле:

н/ч (6.9)

Расчет трудоёмкости оформления технической документации находим по формуле:

н/ч. (6.10)

С учетом этапов корректировки конструкторской документации трудоемкость Т_КОР определяется выражением:

н/ч (6..11)

Общая трудоёмкость ОКР:

Определим численность научно-производственного и рабочего персонала:

, (6.12)

где П – продолжительность разработки (П = 1 месяц),

Т_Д – действительный фонд рабочего времени одного работника, (Т_Д = 176 ч);

чел.

Численность исполнителей каждого этапа ОКР примем равной 1 человеку.

Количество дней, затрачиваемых на разработку, определяем по формуле:

(6.13)

где К_ВН – коэффициент выполнения нормы (К_ВН = 1,0)

дня.

6.1.3 Планирование ОКР, составление календарного плана-графика

Таблица 6.1.2

6.1.4 Расчёт сметной стоимости выполняемой работы

Сметная калькуляция является основным плановым документом, на базе которого осуществляется финансирование и учёт затрат на выполнение ОКР. Смета затрат рассматривается по калькуляционным статьям.

Статья ''Материалы, покупные комплектующие изделия (ПКИ) и полуфабрикаты (ПФ)''.

Расчёт материальных затрат с учётом стоимости материалов, израсходованных при выполнении конструкторских работ, ПКИ и ПФ необходимых для проведения ОКР, создания макетов, сводится в таблицы 6.1.3 и 6.1.4.

Таблица 6.1.3 (Материалы)

Таблица 6.1.4 (ПКИ и ПФ)

Статья ''Основная заработная плата исполнителей'' .

Основная заработная плата рассчитывается исходя из суммарной трудоёмкости работ и часовой тарифной ставки. Расчёт ведётся с использованием данных календарного плана-графика (таблица 6.1.2) по следующим формулам:

Для специалистов:

ЗП_{ОСН.СПЦ} = Т • S • (К + 1), (6.14)

где Т – суммарная трудоёмкость, н/час,

S – часовая тарифная ставка, руб.,

К – районный коэффициент (К=0,15).

Для рабочих:

ЗП_{ОСН.РАБ} = Т • S • (К + 1) • (П + 1), (6.15)

где П – премия 60% (П = 0,6).

Таблица 6.1.5 (Основная зарплата)

статья: «дополнительная заработная плата»

К этой статье относятся выплаты, предусмотренные ТК: оплата отпусков, исполнение общественных обязанностей и т.д.

(6.16)

где коэффициент дополнительной заработной платы, ,

руб.

Статья: «Страховые взносы в бюджет»

руб. (6.17)

где нормативный коэффициент, равен 34%.

руб .

Статья: «Производственные командировки»

Затраты по этой статье сведены в таблицу 6.1.6.

Таблица 6.1.6

статья: «о бщехозяйственные расходы»

В статью «накладные расходы» включаются затраты не входящие напрямую в себестоимость ОКР. Они составляют 400% от основной заработной платы и равны 58051,67 рубля.

Затраты по всем статьям сведены в таблицу 6.1.7.

Таблица 6.1.7

6.1.5 Калькуляция опытного образца

Составляем калькуляцию опытного образца по следующим статьям.

Статья ''Материалы, ПКИ и ПФ''.

Статья “Материалы” сведена в таблицу 6.1.8, а данные по статье “Покупные, комплектующие изделия и полуфабрикаты” находятся в таблице 6.1.9.

Таблица 6.1.8 (Материалы)

Таблица 6.1.9 (ПКИ и ПФ)