بخشی از مقاله
چکیده
یکی از موارد مهم در طراحی مهندسی، مقولهی قابلیت اطمینان است و مهندسی برق نیز از این قاعده مستثنی نیست. در این تحقیق با بکارگیری تجزیه و تحلیل و آنالیز درخت خرابی - FTA - و همچنین بلوک دیاگرام قابلیت اطمینان - RBD - به بررسی قابلیت اطمینان مجموعه یکسو کننده در سیستم تولید برق زیردریایی هوشمند شامل موتور دیزل، ژنراتور ساحلی و یکسوکننده پرداخته شده و با بکارگیری آن، قابلیت اعتماد مجموعه یکسو کننده محاسبه گردیده است و تغییرات طراحی در راستای افزایش قابلیت اطمینان و ایمنی پیشنهاد گردیده است.
-1 مقدمه
در هر جامعه مدرن، مهندسان و مدیران فنی و همچنین مدیران کیفیت، مسئول برنامه ریزی، طراحی، ساخت و بهره برداری از ساده ترین محصول تا پیچیده ترین سیستم ها هستند. از کار افتادن محصول ها و سیستم ها موجب وقوع اختلال در سطوح مختلفی می شود و حتی به عنوان تهدیدی شدید برای جامعه و محیط زیست نیز تلقی شود. از این رو مصرف کنندگان و به طور کلی مردم جامعه انتظار دارند که محصول ها و سیستم ها، دارای کیفیت مطلوب ، اطمینان بخش و ایمن باشند. از آنجا که میزان قابلیت اطمینان یکی از مشخصه های کیفی محصولات می باشد ، بنابراین به عنوان یک پرسش اساسی چنین مطرح است که قابلیت اطمینان سیستم در طول عمر کاری آینده اش چه میزانی است و ایمنی آن چقدر است؟
این پرسشی است که بخش هایی از آن را می توان با ارزیابی و کمیت سنجی قابلیت اطمینان پاسخ گفت. شیوه های ارزیابی قابلیت اطمینان از نظر تاریخچه پیدایش، بدواً در ارتباط با صنایع هوافضا و کاربردهای نظامی شکل گرفت ولی سریعاً توسط سایر صنایع مورد توجه و کاربرد قرار گرفته است. با توجه به این موارد در نظر گرفتن مقولهی قابلیت اطمینان در مهندسی ، کاملا ضروری و اجتناب ناپذیر است.
-2 توصیف سیستم
در این تحقیق یک سیستم مبتنی بر تولید برق از یک دیزل و ژنراتور که با همدیگر کوپل شده اند به همراه یک مدار شارژ آن، مورد بررسی قرار گرفته است. در شکل 1، بلوک دیاگرام مربوط به این مدار آورده شده است.
شکل 1 بلوک دیاگرام مربوط به مدار
-3 مبانی درخت خطا
درخت خطا درختی منطقی است که از رویدادهای - پایه، میانی، نهایی - و گیتهای منطقی تشکیل شده است. رویدادها با منطق مشخصی رخ داده منجر به رخداد رویدادهای دیگر میشوند. در درخت خطا ارتباط منطقی بین رخداد رویدادها توسط گیتها برقرار میشود.
هر گیت شامل یک خروجی و یک یا چند ورودی است. دو نوع مهم از گیتها، گیتهای "و" و "یا" میباشند. ویژگی این گیتها این است که آنها ارتباط بین رویدادها را دقیقاً مانند منطق بولی قرار میکنند. به عبارت دیگر یک ارتباط یک به یک بین نمایش جبر بولی و نمایش درخت خطا وجود دارد.
گیت "یا" :
همان طور که میدانیم گیت "یا" نشان دهنده اجتماع رویدادهای ورودی به آن است. در منطق گیت "یا" خروجی رخ خواهد داد، اگر حداقل یکی از ورودیها رخ دهند. گیت "یا" معادل عملگرهای بولی جمع با نماد مهندسی «+» یا اجتماع با نماد ریاضی«U» میباشد.
گیت "و" :
همان طور که میدانیم، گیت "و" نشان دهنده اشتراک رویدادهای ورودی به آن است. در منطق گیت "و" برای رخ دادن رویداد خروجی باید همه رویدادهای ورودی رخ دهند. گیت "و" معادل عملگرهای بولی ضرب با نماد مهندسی «.» یا اشتراک با نماد ریاضی «U» برعکس است.
از آنجایی که این گیت در جبر بول معادل عملگر اشتراک با نماد مهندسی «.» است، گاهی داخل گیت "و" علامت «.» قرار داده میشود.
بنابراین برای هر مسئله تنها یک درخت خطا وجود ندارد، بلکه درخت-های خطای زیادی وجود دارند که با یکدیگر معادل هستند.
-4 یکسو کننده تمام موج دیزل ژنرتور
"برای شارژ دسته باتریهای قرار داده شده در شناور زیردریایی نیاز به ولتاژ مستقیم - - DC است. منبع تولید برق، دو دیزل ژنراتور سه فاز متناوب است. دسته اتصالات ترمینال خروجی دیزل ژنراتورها بصورت مثلث بوده و دامنه تغییرات ولتاژ برای شارژ باتریها بین 170 تا 215 ولت می باشد. با توجه به محدودیت فضای موجود در زیردریایی، تابلو یکسو کننده هر یک از دیزل ژنراتورها روی جعبه ترمینال برق خروجی آن قرار می گیرد.
برق تولیدی توسط دیزل ژتراتورها ابتدا وارد تابلو یکسو کننده می شود. برق ورودی به تابلو یکسو کننده AC سه فاز است. برق یکسو شده در خروجی تابلو یکسو کننده به مصارفی همچون دسته باطریها، موتور اصلی، کروز و .... می رود.
توان لحظه ای تلف شده در کل پل یکسو کننده در حالت کاری شارژ باتریها، بر اساس جریان کشیده شده از دیودها متفاوت است. با توجه به قرار گیری دیزل ژنراتورها در محیط بسته موتورخانه در زیر دریایی و گرمای زیاد ایجاد شده توسط دیزل ها هنگام روشن بودن، خنک سازی پل دیودی یکسو کننده از طریق گردش آب، پیش بینی شده است.
آب لازم جهت خنک سازی یکسو کننده، از آب شور سیستم خنک سازی دیزل ژنراتور گرفته می شود. محل ورودی برق متناوب به تابلو یکسو کننده، پایین تابلو و از روی ترمینالهای خروجی دیزل ژنراتور بوده و کابلهای برق خروجی یکسو کننده از بالای تابلو می باشد. برای حفاظت پل دیودی در مقابل جریانهای اتصال کوتاه، از دو فیوز نیمه هادی فوق سریع استفاده می شود. این دو فیوز در خروجی پل دیودی و روی شینهای مثبت و منفی قرار می گیرد.
در هنگام شارژ دسته باطریها لازم است سناریو شارژ بر اساس منحنی ارائه شده توسط سازنده باطری به اجرا درآید. برای نظارت بر جریان شارژ از دو سنسور جریان DC استفاده می شود. از آنجایی که برق DC خروجی یکسو کننده به تابلو شارژ می رود، سنسورها در این تابلو چیدمان می شود. لازم به ذکر است که اجرای سناریو شارژ باطریها بر اساس تغییر ولتاژ ژنراتور، در تابلو شارژ انجام می شود.
هنگامی که به هر دلیلی اینورترها از سرویس خارج شوند، جهت تغذیه سیستم توزیع الکتریکی مصارف فرعی از استابلایزر 130 کیلو ولت آمپر استفاده می شود. وظیفه این استابلایزر تغییر سطح ولتاژ برق سه فاز خروج دیزل ژنراتور - در حدود 210 ولت - به سطح ولتاژ 380 ولت است. با تغییر سطح ولتاژ توسط استابلایزر، سیستم توزیع الکتریکی مصارف فرعی را می توان از طریق دیزل ژنراتورها تغذیه نمود. برق سه فاز AC خروجی از ترمینالهای یکسو کننده ابتدا وارد کلید اتوماتیک شده و سپس به تابلوی تثبیت کننده یک می رود. در این تابلو استابلایزر 130 کیلو ولت آمپر قرار گرفته است. وظیفه این کلید اتوماتیک قطع و وصل جریان به استابلایزر و همچنین حفاظت آن در مقابل اتصال کوتاه می باشد.
-5 پل یکسو کننده تمام موج سه فاز
وظیفه این پل گرفتن برق سه فاز AC در ورودی و تحویل برق یکسو شده در خروجی می باشد. در شکل زیر نحوه قرار گرفتن دیودها و چگونگی اتصال آنها به یکدیگر مشخص شده است.
شکل -3-3 شمای یک پل دیودی
با شبیه سازی این یکسو کننده در نرم افزار MATLAB می توان نمودارهای جریان و ولتاژ را رسم نمود. نمودارهای جریان و ولتاژ بصورت زیر است:
شکل -4-3 نتایج شبیه سازی در نرم افزار MATLAB
در نمودار اول ولتاژ ورودی و اختلاف فاز بین آنها و در نمودار دوم ولتاژ خروجی یکسو شده مشخص شده است. نمودار سوم جریان بار و در نمودار چهارم جریان عبوری از دیود شماره یک رسم شده است."
-6 ترسیم درخت خطا سیستم
پائین ترین سطح در این سیستم، دیودهای یکسو کنندهی جریان می-باشند که با تشکیل زوج دیودها، جریان متناوب ورودی از منبع تولید نیروی متناوب را به یک جریان مستقیم تبدیل میکنند. با توجه به اینکه با از کار افتادن یکی از دیودها جریان قطع میشود، هر دو دیود با یکدیگر با گیت » یا« متصل میباشند. همچنین با توجه به سه فاز بودن جریان ، به زوج دیودها نیز با گیت »یا« با یکدیگر متصل میباشند.
پس از آن، جریان وارد ژنراتور میشود. ژنراتور با یک کوپل به دیزل متصل است و با توجه به اینکه در صورت از کارافتادن هر کدام از ژنراتور یا کوپل یا دیزل، کل سیستم از کار میافتد، این اجزاء نیز با با گیت » یا« به یکدیگر متصل شدهاند. شکل 2 ، نمای کلی درخت خطا را نشان میدهد.
شکل -2 نمای کلی درخت خطا
-7 ترسیم بلوک دیاگرم قابلیت اطمینان در حالت اولیه
با توجه به درخت خطای سیستمی مرحله قبل و بر اساس قواعد ترسیم بلوک دیاگرم قابلیت اطمینان و همچنین روابط گیت های منطقی OR و AND بلوک دیاگرام یکسوکننده به صورت معادل زیر آورده شده است:
شکل --3بلوک دیگرام قابلیت اطمینان یکسو کننده در حالت اولیه
