Полупроводниковые преобразователи в системах электроснабжения вагонов, страница 7

Высокая надежность - одно из важнейших качеств, свойствен­ных полупроводниковым приборам. По существующему определе­нию «надежность - свойство технических устройств или изделий выполнять заданные функции, сохраняя свои эксплуатационные показатели в установленных пределах в течении требуемого проме­жутка времени».

Для количественной оценки надежности используют ряд кри­териев, среди которых: P(t) - вероятность безотказной работы ус­тройства в течение заданного промежутка времени, λ(t) - интен­сивность отказов и другие. Значения названных критериев для отдельных элементов или устройств определяются на основе объективных статистических данных об их отказах, фиксируе­мых в процессе эксплуатации при определенных условиях. Ре­зультаты наблюдения служат исходным материалом для построе­ния зависимостей, отражающих изменения количества отказов во времени для каждого наблюдаемого объекта. Если среди объек­тов, взятых под наблюдение, через некоторый промежуток вре­мени Δt вышло из строя (отказало) Δn(t) объектов, то интенсив­ность отказов для данной группы (выборки) объектов может быть найдена как

,

где - среднее число исправно работающих объектов в интервале времени Δt;

n_i и n_i - количество работающих объектов соответствен­но в начале и в конце рассматриваемою вре­менною интервала Δt.

Опыт эксплуатации технических устройств различного назна­чения указывает на то, что для большинства из них, в том числе и для полупроводниковых элементов и устройств, созданных на их основе, интенсивность отказов может быть принята постоянной  λ = const. В этом случае вероятность безотказной работы и для от­дельного элемента, и для устройства в целом определяется экспо­ненциальной зависимостью .

На основании сведений об интенсивности отказов отдельных элементов (диодов, транзисторов, резисторов, конденсаторов и др.), публикуемых в технической литературе, можно оценить ожидаемую надежность работы любого вновь создаваемого устройства, содер­жащего эти элементы. Вероятность безотказной работы сложного устройства находится как произведение вероятностей безотказ­ной работы всех «n» элементов, входящих в его состав, по уравнению:

,                                                                                                 (4.1)

где P(t) - вероятность безотказной работы i-гo элемента;

λ_i - интенсивность отказов i-гo элемента, 1/ч.

Уравнение (4.1) может быть записано в иной форме

                                                                                                      (4.2)

где λ₁,λ₂, λ₃,…, λ_n - значения интенсивности отказов каждого из эле­ментов, входящих в рассматриваемое устройство.

Уравнения (4.1) и (4.2) справедливы для последовательного (по понятиям теории надежности) соединения элементов, когда отказ любого из них приводит к отказу всего устройства.

Значения интенсивности отказов, приводимые в технической литературе для одного и того же элемента, даются, как правило, для некоторого интервала от λ_мин. до λ_макс. Объясняется это различием режимов работы элемента, способом и местом его включения в схе­му и т.д. Все это делает расчеты по уравнению (4.1) приближенны­ми, а получаемые результаты рассматриваются как ориентировочные. Тем не менее расчёты ожидаемых показателей надежности ра­боты вновь разрабатываемых устройств в том числе и полупровод­никовых, на стадии проектирования позволяют заранее оценивать ожидаемую эффективность их применения.

Например, проведённый с использованием уравнения (4.2) рас­чёт показал, что значение вероятности безотказной работы полупро­водникового регулятора напряжения, работающего с индукторным генератором 2ГВ.003, за четыре тысячи часов работы должно быть равно 0,945<Р(4000)<0,975. Нижнее значение соот­ветствует наибольшей расчётной интенсивности отказов λ_макс=14,04×10^-6 1/ч, верхнее - наименьшей λ_мин= 6,31×10^-6 1/ч.

Названные значения λ_мин. и λ_макс, получены как суммы интенсивностей отказов всех элементов, входящих в состав регулятора. Замет­ная разница между ними объясняется тем, что значения λ₁ брались для каждого элемента из разных источников. Взятое за исходное при расчётах время t=4000 ч соответствует приблизительно среднему времени нахождения вагона в движении в течение года, когда регу­лятор находится в работе.

Опубликованные результаты наблюдений за работой назван­ных регуляторов в эксплуатации показывают, что интенсивность их отказов составляет λ=12×10^-6 1/ч. Ожидаемая же вероятность безотказной работы за год составит Р(4000)=е^{–12*10*4000} = 0,953.

Если на основании эксплуатационных данных (λ=12×10^-6 1/ч) за время работы в течение года отказывает 47 регуляторов из каждой тысячи, то на основании теоретических расчётов коли­чество ожидаемых отказов должно составлять от 25 до 55 (для 0,945 < Р(4000) < 0,975). Среднее число ожидаемых отказов нахо­дится на уровне 40, что достаточно близко к эксплуатационному зна­чению - 47.

Даже при заметном увеличении общего количества эле­ментов, входящих в состав полупроводникового регулятора типа 2460.035 германского производства, расчётная вероятность его безотказной работы должна понизиться до значе­ний 0,914 < Р(4000) < 0,961. Названные цифры соответствуют более высоким расчётным значениям интенсивностей отказов λ_макс=22,45×10^-6 1/ч и λ_мин=9,97×10^-6 1/ч.

Для сравнения отметим, что интенсивность отказов угольных регуляторов напряжения по данным эксплуатации составляет λ=144×10^-6 l/ч, что дает возможность определить их вероятность безотказной работы в течение года, которая составит Р(4000)= = е^{–144*10+6*4000} = 0,562. Полученная цифра указывает на то, что прак­тически половина угольных регуляторов (438 из 1000) отказывает в течение годичной эксплуатации. Результаты проведенного сравне­ния полупроводниковых и угольных регуляторов напряжения ха­рактеризуют высокую надежность полупроводниковых устройств.