4 Техническое задание на разработку электротехнического устройства

4.1 Структура и содержание тз

ТЗ - техническое задание на выполнение работ по проектированию электротехнического устройства, его изготовлению, испытаниям и передаче заказчику (в котором отражают назначение устройства, его структуру технические, эксплуатационные, климатические, механические требования и прочие требования, которым должно устройство соответствовать).

Техническое задание (ТЗ) состоит из разделов:

1. Название и назначение электротехнической системы.

2. Комплектность.

3. Требования по живучести и стойкости к внешним воздействиям.

Параметры прочности (предельные) – это параметры, при которых изделие сохраняет работоспособность в выключенном состоянии. Требование по прочности – это параметры (температура, влажность, вибрация), при воздействии которых, изделие сохраняет работоспособность в выключенном состоянии.

Параметры устойчивости (рабочие) – это параметры, при которых устройство надежно работает. Требование по устойчивости – это параметры (температура, влажность, вибрация), при воздействии, которых устройство надежно работает

4. Требования по применению комплектующих изделия материалов.

В этом разделе указываются все материалы и комплектующие изделия должны быть серийного производства и общего применения.

5. Требования по показателям технического уровня.

В этом разделе записывают заданные значения показателей.

- трудоемкость изготовления в норма/часах.

- показатели надежности:

1. - наработка на отказ (в часах);

2. - среднее время восстановления (в часах);

3. Срок службы;

4. Срок сохраняемости.

- показатели унификации:

1. коэффициент применяемости на уровне деталей электро-технических устройств - (в %);

2. коэффициент повторяемости на уровне деталей - (в единицах).

- показатели технологичности:

1. - коэффициент использования микросхем и микросборок (в единицах);

2. - коэффициент повторяемости микросхем и микросборок (в единицах);

3. - коэффициент применения унифицированных встроенных источников питания ( в единицах);

4. - комплексный показатель технологичности (в баллах). Обычно рассчитывает технолог.

- показатели уровня автоматизации проектирования:

1. - показатель уровня структурного и функционального проектирования (в %);

2. - коэффициент автоматизации технического моделирования (в % или единицах);

3. - коэффициент автоматизации технологической подготовки производства (в единицах);

4. - коэффициент наличия машинных носителей информации в составе конструкторской документации (в %).

- показатель минитюаризации – М.

6. Конструктивные требования, в которых указывается вид конструкции, переносной , навесной прибор или стационарный, а также параметры для удобства эксплуатации.

7. Специальные требования или спецстойкость – это воздействие всевозможных излучений.

8. Требования по назначению.

Указывают наименования заданных параметров и стадии разработки:

- обзор существующих методов и приборов данного назначения;

- разработка структурных схем и оценка основных параметров;

- основные критериальные величины по надежности.

9. Исходные материалы и справочные данные (все конструкции, ГОСТы, ОСТы).

10. Материалы, разрабатываемые и предъявляемые по окончании разработки: отчёт по ОКР ли НИР, ТЗ на ОКР, пояснительная записка, рабочие чертежи, эксплуатационная документация, паспорт (формуляр).

11. Приложение.

Приложение содержит укрупненную структурную схему с входными и выходными параметрами.

4.2 Методы расчета показателей минитюаризаци электротехнических устройств

Миниатюризация – это уменьшение габаритов и массы устройств.

Эффект миниатюризации оценивается обычно плотностью компоновки, то есть количеством элементов в единице объема.

Миниатюризация для устройств электропитания оценивается

а) удельной мощностью – Вт/дм³.

б) объем устройств электропитания / объем всей системы.

В настоящее время располагают элементов на . Для устройств электропитания оценку эффективности минитюаризации определяют критерием удельной мощности - ( ), то есть отношением выходной мощности устройства к его объему или относительный объем - отношение объема устройства электропитания к суммарному объему всей сиситемы.

Трудности в минитюаризации устройств электропитания с большими значениями токов, напряжений, большими мощностями, большими тепловыми эффектами и необходимостью отвода тепла.

4.3 Основные методы миниатюризации устройств электропитания.

1. Энергетический метод.

Этот метод заключается в повышении КПД всех функциональных блоков и компонентов электротехнических устройств, выборе частоты преобразования и оптимальных удельных электрических и магнитных нагрузок. Наибольшие габариты и массу имеют трансформаторы, дроссели и конденсаторы. Полупроводниковые приборы имеют малую массу и габариты, но могут иметь большую рассеиваемую мощность и требовать теплоотвода. С ростом рабочей частоты габариты трансформаторов, дросселей, конденсаторов существенно уменьшаются. Преднамеренно повышают частоту в трактах.

Оптимальное значение частоты 10-50 кГц.

2.Структурный метод.

Структурный метод миниатюризации заключается в уменьшении количества номиналов и рабочей мощности устройств электропитания. Важным элементом при этом является замена элетро-магнитных реле, конденсаторов ,автоматов на электронные (транзисторные, тиристорные) устройства, выполняющие аналогичные функции.

3Конструктивно-технологический метод.

Основан этот метод на интеграции электротехнических устройств в единые функциональные блоки (желательно использование без корпусных элементов).

4. Системные методы миниатюризации.

Основаны на комплексном использовании трех предшествующих методов с учетом оптимизации структурной схемы всего устройства.

Часто бывает, что использование различных методов приводит к противоречивым решениям и требует оптимизации, но выбор наилучшей структуры, методов и способов предполагает расчет множества вариантов, большого времени и больших материальных затрат. В таком случае необходимо использование автоматического проектирования на ЭВМ. Комплексная миниатюризация устройств электропитания позволяет улучшить масса-габаритные показатели, повысить надежность и срок службы.

4. Надежность устройств

1. Общие сведения

Надежность – способность устройств выполнять определенные функции и сохранять заданные характеристики в течение заданного времени в определенных условиях эксплуатации. Утрата этой способности называется отказом устройства. Различают внезапные (полные) и постепенные (допусковые) отказы.

Надежность электрооборудования регламентируется в ГОСТ:

• основные понятия, термины и определения по надежности в технике соответствующие ГОСТ 27.002-89 и современным международным стандартам;

• состав и общие правила задания требований по надежности согласно ГОСТ 27.003-90;

• методики и порядок расчета базовой системы управления и программные средства для расчетов;

• ГОСТ 27.310-95 – "Анализ видов, последствий и критичности отказов;

• ГОСТ 16503-70 - "Промышленные изделия. Номенклатура и характеристика основных показателей надежности";

• ГОСТ 18322-73 - "Системы технического обслуживания и ремонта техники. Термины и определения";

• ГОСТ 13377-75 - "Надежность в технике. Термины и определения".

Показатели надёжности количественно характеризуют, в какой степени данному объекту присущи определенные свойства, обуславливающие надёжность.

Показатели надёжности (например, технический ресурс, срок службы) могут иметь размерность, ряд других (например, вероятность безотказной работы, коэффициент готовности) являются безразмерными.

Количественной характеристикой только одного свойства надёжности служит единичный показатель.

Работоспособность - представляет собой состояние устройства, при котором он способен выполнять свои функции.

 Безотказность - свойство устройства сохранять свою работоспособность в течение определенного времени. Событие, нарушающее работоспособность устройства, называется отказом. Самоустраняющийся отказ называется сбоем.

Долговечность - свойство устройства сохранять свою работоспособность до предельного состояния, когда его эксплуатация становится невозможной по техническим, экономическим причинам, условиям техники безопасности или необходимости капитального ремонта.

Ремонтопригодность - определяет приспособляемость устройства к предупреждению и обнаружению неисправностей и отказов и устранению их путем проведения ремонтов и технического обслуживания.

Сохраняемость - свойство устройства непрерывно поддерживать свою работоспособность в течение и после хранения и технического обслуживания.

Количественной характеристикой нескольких свойств надёжности служит комплексный показатель.

Единичные показатели надёжности.

Показатели безотказности:

• вероятность безотказной работы P(t);

• средняя наработка до отказа Тср;

• средняя наработка на отказ То;

• гамма-процентная наработка до отказа Тγ;

• интенсивность отказов λ(t);

• параметр потока отказов ω(t);

• средняя доля безотказной наработки I(t);

• плотность распределения времени безотказной работы f(t);

Показатели долговечности:

• средний ресурс;

• гамма-процентный ресурс;

• назначенный ресурс;

• средний срок службы;

• гамма-процентный срок службы;

• назначенный срок службы.

Показатели ремонтопригодности:

• Вероятность восстановления работоспособного состояния

• Среднее время восстановления работоспособного состояния

• Интенсивность восстановления

Показатели сохраняемости:

• Средний срок сохраняемости;

• Гамма-процентный срок сохраняемости.

Комплексные показатели надёжности:

• коэффициент готовности — Кг

• коэффициент оперативной готовности — Kог

• коэффициент технического использования — Кти

• коэффициент планируемого применения — Кп

• коэффициент сохранения эффективности — Кэф

Надежность объекта рассчитывают по ГОСТ 27.301-95 на стадиях жизненного цикла и соответствующих этим стадиям этапах видов работ, установленных программой обеспечения надежности (ПОН) объекта или документами, ее заменяющими.

ПОН должна устанавливать цели расчета на каждом этапе видов работ, применяемые при расчете нормативные документы и методики, сроки выполнения расчета и исполнителей, порядок оформления, представления и контроля результатов расчета.

Надежность любого электрооборудования и аппаратуры автоматики существенным образом зависит от условий эксплуатации. Условия эксплуатации в производственных помещениях характеризуются климатическими и электромеханическими воздействиями, режимами работы и отсутствием рационального технического обслуживания.

К климатическим воздействиям относятся температура, влажность, запыленность и загазованность окружающего воздуха, атмосферное давление, интенсивность дождя, выпадение росы и инея, скорость движения воздушной струи, ночные и дневные перепады температуры.

К электромеханическим воздействиям относятся вибрационные и ударные нагрузки при работе и перемещениях, колебаниях частоты и напряжения питания.

Повышенная температура вызывает перегрев электрооборудования, ускоряет старение изоляции, смазочных материалов и уплотнителей. Наоборот, пониженная температура снижает прочности пластмасс, резины, металла. Колебания температуры приводят к деформациям и заклиниванию подвижных элементов, нарушению теплообмена, снижению прочности паяных соединений.

Повышенная влажность вызывает коррозию металлов, рост плесневых грибков, снижает диэлектрические свойства изоляции.

Повышенная запыленность и наличие агрессивных газов приводят к загрязнению смазки, снижают поверхностное сопротивление и вызывают коррозию изоляционных материалов. Наличие в атмосфере углекислого газа, окислов серы и азоты, а также высокая влажность приводят к образованию кислотных вод и капель конденсата, что также увеличивает скорость коррозии материалов, является одной из причин короткого замыкания токоведущих частей.

5.2 Стадии разработки и уровни расчетов надежности

Каждой стадии разработки или модернизации устройства соответствует определенный уровень расчета надежности. Как правило, выделяют три уровня расчетов: прикидочный; ориентировочный; окончательный. В таблице 5.1 показана примерная связь стадий разработки и уровней расчетов надежности устройства.

Таблица 5.1 - Стадии разработки и уровни расчетов надежности

Этапы разработки системы	Уровень расчета
Предэскизный проект. (НИР) Разработка технического задания	Прикидочный расчет с целью определения норм надежности
Эскизный проект	Ориентировочный расчет норм надежности
Технический проект	Окончательный расчет с учетом режимов работы элементов и факторов, воздействующих на систему
Рабочий проект	Окончательный вариант расчета с учетом дополнительных факторов, зависящих от принятых схемных и конструктивных решений
Готовый объект (стендовые и натурные испытания)	Экспериментальная оценка уровня надежности объекта.  Выявление узлов с недостаточной надежностью.  Введение необходимых коррективов в схему и конструкцию.  Внесение поправок в окончательный расчет

На стадии прикидочного и ориентировочного расчетов предполагается, что объект (система) собран по основной схеме, интенсивность отказов всех элементов не зависит от времени,  = const. Отказы элементов происходят случайно, любой отказ не вызывает изменения характеристик (работоспособности) элементов, кроме отказавшего, то есть поток отказов принимается простейшим.

Ориентировочный расчет надежности проводят в простейших предположениях и не учитывают эксплуатационных режимов использования элементов изделия.

Уточненный расчет надежности отличается от ориентировочного тем, что в нем учитывают электрические, тепловые и прочие эксплуатационные режимы элементов изделия.

Как ориентировочный, так и утоненный расчет приводят в предположении экспоненциальной надежности всех элементов и независимости отказов. Расчеты неизмеримо возрастают, когда модели надежности элементов, блоков и узлов отличны от экспоненциальной. В этих условиях, особенно для сложных и ответственных систем, используют методы статистического моделирования с применением ЭВМ.

5.3 Расчет показателей надежности

   Развитие современной аппаратуры характеризуется значительным увеличением ее сложности. Усложнение обуславливает повышение гарантии своевременности и правильности решения задач.

Для количественного выражения надежности устройства и для планирования эксплуатации используются специальные характеристики - показатели надежности. Они позволяют оценивать надежность объекта или его элементов в различных условиях и на разных этапах эксплуатации.

Надежность представляет собой комплексное свойство устройства, сочетающее в себе понятие работоспособности, безотказности, долговечности, ремонтопригодности и сохранности.

При проектировании электротехнических устройств рассчитывают основные показатели надежности.  

Основными качественными показателями надежности является вероятность безотказной работы, интенсивность отказов и средняя наработка до отказа.

Вероятность безотказной работы P(t) представляет собой вероятность того, что в пределах указанного периода времени t, отказ устройства не возникнет. Этот показатель определяется отношение числа элементов устройства, безотказно проработавших до момента времени t к общему числу элементов ОБ, работоспособных в начальный момент. 

Интенсивность отказов   (t) - это число отказовших n(t) элементов устройства в единицу времени, отнесенное к среднему общему числу элементов N(t) , работоспособных к моменту времени Δt:

    (t)=n(t)/(Nt*Δt),

гдеt - заданный отрезок времени.

Например: 1000 элементов устройства работали 500 часов. За это время отказали 2 элемента. Отсюда,  (t)=n(t)/(Nt*Δt)=2/(1000*500)=4*10^-6 1/ч, т.е. за 1 час может отказать 4-е элемента из миллиона.

Показатели интенсивности отказов комплектующих берутся на основании справочных данных [ 1, 6, 8 ]. Для примера в таблице 5.1 приведена интенсивность отказов  (t) некоторых элементов.

Таблица 5.1 – Интенсивность отказов элементов

№	Наименование элемента	Интенсивность отказов, *10-5, 1/ч
1	Резисторы	0,0001…1,5
2	Конденсаторы	0,001…16,4
3	Трансформаторы	0,002…6,4
4	Катушки индуктивности	0,002…4,4
5	Реле	0,05…101
6	Диоды	0,012…50
7	Триоды	0,01…90
8	Коммутационные устройства	0,0003…2,8
9	Разъемы	0,001…9,1
10	Соединения пайкой	0,01…1
11	Провода, кабели	0,01…1
12	Электродвигатели	100…600

 

Таблица 5.3 – Коэффициент надежности элементов

№	Наименование элемента	Коэффициент надежности
1	Резисторы	1,0
2	Конденсаторы	0,25…0,83
3	Трансформаторы	1,3…3,0
4	Катушки индуктивности	1…2
5	Реле	1…10
6	Диоды	1,3…30,0
7	Триоды	1,3…75,0
8	Электродвигатели	10…40

  

Надежность устройства, как системы, характеризуется потоком отказов , численно равное сумме интенсивности отказов отдельных устройств:    =i

По формуле рассчитывается поток отказов и отдельных составных частей устройства, состоящих, в свою очередь, из различных узлов и элементов, характеризующихся своей интенсивностью отказов. Формула справедлива для расчета потока отказов системы из n элементов в случае, когда отказ любого из них приводит к отказу всей системы в целом. Такое соединение элементов называется логически последовательным или основным. Кроме, того, существует логически параллельное соединение элементов, когда выход их строя одного из них не приводит к отказу системы в целом. Связь вероятности безотказной работы P(t) и потока отказов  определяется

   P(t)=exp(-t),

очевидно, что

 0<P(t)<1 и 0<P(t)<1 и p(0)=1, а p()=0    

Средняя наработка до отказа  To - это математическое ожидание наработки устройства до первого отказа

   To=1/=1/(i), или, отсюда: =1/To Время безотказной работы равно обратной величине интенсивности отказов.

Например. Технология элементов обеспечивает среднюю интенсивность отказов i=1*10^-5 1/ч. При использовании в устройстве  N=1*10⁴ элементарных деталей суммарная интенсивность отказов о= N*i=10^-1 1/ч. Тогда среднее время безотказной работы ОБ To=1/о=10 ч. Если выполнить ОБ на основе 4-х больших интегральных схем (БИС), то среднее время безотказной работы ОБ увеличится в N/4=2500 раз и составит 25000 ч. или 34 месяца или около 3 лет.

Формулы позволяют выполнить расчет надежности устройства, если известны исходные данные - состав устройства, режим и условия его работы, интенсивности отказов его компонент (элементов). Однако при практических расчетах надежности есть трудности из-за отсутствия достоверных данных о интенсивности отказов для номенклатуры элементов, узлов и устройств ОБ. Выход из этого положения дает применение коэффициентного метода. Cущность коэффициентного метода состоит в том, что при расчете надежности устройства используют не абсолютные значения интенсивности отказов i, а коэффициент надежности ki, связывающий значения i с интенсивностью отказов b какого-либо базового элемента:    ki=i/b

Коэффициент надежности ki практически не зависит от условий эксплуатации и для данного элемента является константой, а различие условий эксплуатации ku учитывается соответствующими изменениями b. В качестве базового элемента в теории и практике выбран резистор. Показатели надежности комплектующих берутся на основании справочных данных [ 1, 6, 8 ].

Для примера в табл. 2 приведен коэффициенты надежности ki некоторых элементов. В табл. 5.3 приведены коэффициенты условий эксплуатации ku работы для некоторых типов аппаратуры.    Влияние на надежность элементов основных дестабилизирующих факторов - электрических нагрузок, температуры окружающей среды - учитывается введением в расчет поправочных коэффициентов a.

В табл.5. 4 приведены коэффициенты условий a работы для некоторых типов элементов. Учет влияния других факторов - запыленности, влажности и т.д. - выполняется коррекцией интенсивности отказов базового элемента с помощью поправочных коэффициентов.

Результирующий коэффициент надежности элементов устройства с учетом поправочных коэффициентов

   ki'=a1*a2*a3*a4*ki*ku, 

где ku - номинальное значение коэффициента условий эксплуатации

ki - номинальное значение коэффициент надежности

a1 - коэффициент учитывающий влияние электрической нагрузки по U, I или P

a2 - коэффициент учитывающий влияние температуры среды

a3 - коэффициент снижения нагрузки от номинальной по U, I или P a4 - коэффициент использования данного элемента, к работе ОБ в целом

Таблица 5.3 –

№	Условия эксплуатации	Коэффициент условий
1	Лабораторные условия	1
2	Аппаратура стационарная:
	- в помещениях	2…8
	- вне помещений	10…15
3	Подвижная аппаратура:
	- корабельная	40…60
	- автомобильная	50…70
	- поездная	60…80

Таблица 5.4 –

№	Наименование элемента и его параметры	Коэффициент нагрузки
1	Резисторы:
	- по напряжению	0,7…0,8
	- по мощности	0,3…0,7
2	Конденсаторы
	- по напряжению	0,7…0,8
	- по реактивной мощности	0,8…0,9
3	Диоды
	- по прямому току	0,7…0,8
	- по обратному напряжению	0,7…0,85
	- по температуре перехода	0,7…0,8
4	Триоды
	- по току коллектора	0,7…0,8
	- по напряж. коллектор-эмиттер	0,7…0,8
	- по рассеиваемой мощности	0,7…0,8