第10章電力電子系統(tǒng)可靠性概述

1、電氣工程系電氣工程系電氣工程教研室電氣工程教研室 重點和難點1、掌握可靠性的基本概念2、了解常用的可靠性指標(biāo)3、了解電磁兼容性的特點 元件、裝置及系統(tǒng)的可靠性是電力電子工程技術(shù)人員、元件、裝置及系統(tǒng)的可靠性是電力電子工程技術(shù)人員、生產(chǎn)廠家及用戶都極為關(guān)心的一個重要問題。對于重要生產(chǎn)廠家及用戶都極為關(guān)心的一個重要問題。對于重要用戶用戶, ,例如計算機網(wǎng)絡(luò)中心、控制中心及銀行結(jié)算中心等，例如計算機網(wǎng)絡(luò)中心、控制中心及銀行結(jié)算中心等，裝置或系統(tǒng)的可靠性指標(biāo)是首先需要考慮的問題。對于裝置或系統(tǒng)的可靠性指標(biāo)是首先需要考慮的問題。對于一個元件、一臺裝置或一個系統(tǒng)，我們不僅要求它能滿一個元件、一臺裝置或一個

2、系統(tǒng)，我們不僅要求它能滿足實際需要的技術(shù)指標(biāo)，而且還要求它能夠長期穩(wěn)定地足實際需要的技術(shù)指標(biāo)，而且還要求它能夠長期穩(wěn)定地工作。通常，在電力電子裝置或系統(tǒng)中并存著強弱電信工作。通常，在電力電子裝置或系統(tǒng)中并存著強弱電信號和高低壓環(huán)節(jié)，同時它還受到來自電網(wǎng)的電磁干擾的號和高低壓環(huán)節(jié)，同時它還受到來自電網(wǎng)的電磁干擾的威脅，因此裝置或系統(tǒng)的可靠性和電磁兼容性問題就顯威脅，因此裝置或系統(tǒng)的可靠性和電磁兼容性問題就顯得尤為突出。得尤為突出。元件或系統(tǒng)的可靠性定義元件或系統(tǒng)的可靠性定義: : 元件或系統(tǒng)在規(guī)定的條件下和規(guī)定的時間內(nèi)，完成規(guī)元件或系統(tǒng)在規(guī)定的條件下和規(guī)定的時間內(nèi)，完成規(guī)定功能的能力。定功能的能

3、力。 對于電力電子裝置或系統(tǒng)來說，其規(guī)定條件指的是環(huán)對于電力電子裝置或系統(tǒng)來說，其規(guī)定條件指的是環(huán)境溫度和濕度，海拔高度，電磁環(huán)境，電網(wǎng)狀況，儲存境溫度和濕度，海拔高度，電磁環(huán)境，電網(wǎng)狀況，儲存條件及其它要求等。顯然，如果這些條件改變了，則其條件及其它要求等。顯然，如果這些條件改變了，則其可靠性也隨之改變，即可靠性與規(guī)定條件是密切相關(guān)的?？煽啃砸搽S之改變，即可靠性與規(guī)定條件是密切相關(guān)的。同時，可靠性與技術(shù)指標(biāo)是分不開的，并且隨時間的推同時，可靠性與技術(shù)指標(biāo)是分不開的，并且隨時間的推移而變化。移而變化。 當(dāng)元件、裝置或系統(tǒng)不能完成規(guī)定的功能時，則稱當(dāng)元件、裝置或系統(tǒng)不能完成規(guī)定的功能時，則稱之為

4、失效。之為失效。 為了描述一個元件、裝置或系統(tǒng)的可靠程度，必須為了描述一個元件、裝置或系統(tǒng)的可靠程度，必須引入數(shù)量化的指標(biāo)引入數(shù)量化的指標(biāo)可靠性指標(biāo)?？煽啃灾笜?biāo)。 常用的可靠性指標(biāo)有可靠度、失效率和平均無故障常用的可靠性指標(biāo)有可靠度、失效率和平均無故障時間等。時間等。 1. 1. 可靠度可靠度 可靠度可靠度定義為元件或系統(tǒng)在規(guī)定時間內(nèi)和規(guī)定的使用定義為元件或系統(tǒng)在規(guī)定時間內(nèi)和規(guī)定的使用條件下，正常工作的概率。它是時間條件下，正常工作的概率。它是時間t t的函數(shù)，記作，也的函數(shù)，記作，也可稱之為可靠度函數(shù)。若以可稱之為可靠度函數(shù)。若以T T表示元件或系統(tǒng)的壽命，則表示元件或系統(tǒng)的壽命，則事件（事

5、件（TtTt）表示元件或系統(tǒng)在）表示元件或系統(tǒng)在00，tt時間內(nèi)能正常工作，時間內(nèi)能正常工作，則可靠度函數(shù)為則可靠度函數(shù)為（10-1） 若已知元件或系統(tǒng)的壽命T的概率密度函數(shù)，那么對于給定的t，則有 （10-2） 圖圖10-1 R(t)和和f(t)的圖形的圖形 可靠度函數(shù)和概率密度的圖形見圖10-1。圖中說明，隨著時間的推移，T大于t的可能性不斷降低。 通常元件或系統(tǒng)壽命的概率分布無法事先知道，所以值的計算是通過壽命試驗得到的。 2. 2. 失效率失效率 定義 元件或系統(tǒng)的失效率定義為在t時刻以前一直正常工作的條件下，在t時刻以后單位時間內(nèi)失效的概率，記作 ，表示為 其中， 是時間的函數(shù)。如果

6、T服從指數(shù)分布，則 為常數(shù)。 與與f(t)f(t)、R(t)R(t)的關(guān)系的關(guān)系 根據(jù)上述定義，可得到 （10-4） 失效率又稱危險率或風(fēng)險率，失效率的常用單位是10-9/h，記作1非特。國外生產(chǎn)的電力半導(dǎo)體器件的失效率在100非特以下。顯然，失效率越低，可靠性越高。 （10-5） （10-6） 失效類型和浴盆曲線失效類型和浴盆曲線 失效率分為三種類型，反映了不同的特點和失效原因。 早期失效型（DFR）： 這種失效類型的特點是開始時失效率高，隨著時間的推移逐步減小，如圖10-2所示。造成這種失效的主要原因是設(shè)計和制造上的缺陷；管理不當(dāng)；檢驗疏忽等。圖10-2 早期失效曲線 偶然失效型（CFR）

7、： 這種失效的特點是，失效率與時間無關(guān)，為一個常數(shù)，如圖10-3所示。這是在使用過程中因某種不可預(yù)測的隨機因素產(chǎn)生的，例如電力電子系統(tǒng)突然遇到不可預(yù)測的外界強干擾而出現(xiàn)停機或跳閘現(xiàn)象，其發(fā)生時刻是隨機出現(xiàn)的。圖10-3 偶然失效曲線 耗損失效型（IFR）： 這種失效的特點是，失效率隨著時間的推移而增大，如圖10-4所示。元件的老化、疲勞、磨損等是造成這種失效的主要原因。在電力電子系統(tǒng)運行過程中，由于電力半導(dǎo)體器件的結(jié)面溫度過高就會出現(xiàn)這種失效。圖10-4 耗損失效曲線 浴盆曲線： 在實際中，電力電子裝置或系統(tǒng)的失效曲線是形似浴盆的曲線，稱為浴盆曲線，如圖10-5所示。圖10-5 浴盆曲線 浴盆

8、曲線： 裝置或系統(tǒng)在使用初期表現(xiàn)為早期失效型，這一點可以通過產(chǎn)品在出廠前進行動態(tài)或靜態(tài)老化試驗來讓其渡過早期失效期。之后，裝置或系統(tǒng)進入到偶然失效期，這是裝置或系統(tǒng)的最佳工作時期。一般希望這段時間的失效率盡可能的小，運行時間盡可能的長。運行后期就必然進入耗損失效期。 對于像電力電子系統(tǒng)這樣可維護的裝置，如果在耗損失效期的開始就對之進行事先維護與維修，就能降低耗損失效率。例如，對電力電子系統(tǒng)定期進行設(shè)備維護，定期更換散熱用的風(fēng)扇（其壽命約35年）、電力電解電容器（其壽命48年左右）以及及時更換報廢的蓄電池等，均可以降低其失效率。 3. 3. 平均無故障時間（平均無故障時間（MTBFMTBF） 作

9、為可修復(fù)的電力電子裝置或系統(tǒng)的壽命T不是一個確定值，而是一個連續(xù)型隨機變量。隨機變量T的數(shù)學(xué)期望就是電力電子裝置或系統(tǒng)的平均無故障時間（Mean Time Between FailureMTBF），即（10-7） 其中，f(t)為壽命T的概率密度函數(shù)。式（10-7）可變?yōu)椋?0-8） 目前，在電力電子裝置中，不間斷電源（UPS）的平均無故障時間可達到10萬24萬小時左右，功率越大，可靠性越高；而通用變頻器則只有1萬小時數(shù)量級。 長期以來，電磁兼容性EMCEMC（Electromagnetic Compatibility）設(shè)計問題在一般工業(yè)部門并沒有引起足夠的重視，在電力電子技術(shù)領(lǐng)域也不例外。不

10、少設(shè)計工程師曾誤認為EMC問題主要是軍事、通信及有關(guān)部門的事情，而事實證明并非如此。 隨著各種電力電子裝置或系統(tǒng)在家庭、工業(yè)、交通、國防等領(lǐng)域日益廣泛的應(yīng)用，電磁干擾EMIEMI（Electromagnetic Interference）和電磁敏感度EMSEMS（Electromagnetic Susceptibility）問題已經(jīng)迅速地擴展到與電子技術(shù)應(yīng)用相關(guān)的工業(yè)及民用的各個領(lǐng)域，已成為現(xiàn)代電力與電子工程設(shè)計及研究人員必須認真考慮的問題。 隨著電力電子裝置本身功率容量和功率密度的不斷增大以及工作頻率的不斷提高，供電系統(tǒng)中發(fā)電、輸配電設(shè)備、電氣傳動裝置、感應(yīng)爐、電弧爐等大功率電力電子裝置以及

11、大量使用的電子鎮(zhèn)流器和高頻開關(guān)電源均可成為重要的干擾源，由此產(chǎn)生的傳導(dǎo)和輻射干擾不僅會使電網(wǎng)電壓波形畸變，使電網(wǎng)本身及裝置周圍的電磁環(huán)境遭受污染，而且還會在供電回路中產(chǎn)生過電壓和大的諧波電流，導(dǎo)致供電電網(wǎng)中的設(shè)備性能變壞，甚至發(fā)生嚴重故障。 所以，EMIEMI已經(jīng)成為許多電氣與電子設(shè)備能否在應(yīng)用現(xiàn)場正?？煽窟\行的主要障礙之一。 有鑒于此，世界各國對電氣設(shè)備的電磁兼容性EMC均制定了相應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)，其中最有名的是歐洲經(jīng)濟共同體于1989年頒布的歐共體成員國關(guān)于電磁兼容法律性歐共體成員國關(guān)于電磁兼容法律性指令指令。該指令明確規(guī)定，從1996年1月1日起，所有投放歐洲市場的電氣、電子產(chǎn)品均需按照指令的要

12、求進行電磁兼容認證。歐洲電磁兼容指令也同樣適用于電力電子裝置或系統(tǒng)。 現(xiàn)在可以說，沒有經(jīng)過電磁兼容認證的電力電子及機電產(chǎn)品、家用電器設(shè)備已經(jīng)很難參與國內(nèi)外激烈的市場競爭。 電磁兼容性（EMCEMC）包括兩方面的含義： 電氣、電子設(shè)備能夠在它自己所產(chǎn)生的電磁環(huán)境以及它所處的復(fù)雜的外界電磁環(huán)境中按照原設(shè)計要求正常地工作，即它具有一定的電磁敏感度，以保證它對電磁干擾具有一定的抗擾度； 該設(shè)備或系統(tǒng)自己產(chǎn)生的電磁干擾必須限制在一定的水平，從而不致對它周圍的電磁環(huán)境造成嚴重的污染和影響周圍其它設(shè)備或系統(tǒng)的正常工作。 就基本理論而言，電力電子系統(tǒng)中的電磁兼容問題與通信中的電磁兼容問題沒有什么原則上的區(qū)別。

13、 但是，電力電子系統(tǒng)中的電磁兼容問題具有其固有的特點：固有的特點： 在EMIEMI方面，電力電子系統(tǒng)中的電磁噪聲對周圍電磁環(huán)境所造成的電磁污染和電磁干擾要比通信系統(tǒng)嚴重得多。 與通信系統(tǒng)相比，雖然電力電子系統(tǒng)的工作頻率不高，但是其工作電壓高、電流和功率都較大，因此系統(tǒng)在開關(guān)器件的開關(guān)過程中會產(chǎn)生強大的瞬態(tài)噪聲電壓或瞬態(tài)噪聲電流，成為強的電磁噪聲源，它造成的干擾主要表現(xiàn)為近場輻射和傳導(dǎo)性EMI； 電力電子系統(tǒng)中的非線性功率變換電路通常還會導(dǎo)致很大的諧波電流和諧波電壓，造成諧波干擾，它不僅會污染電網(wǎng)，而且還可能危害設(shè)備和系統(tǒng)的運行安全。 在EMSEMS方面，與通信系統(tǒng)相比，電力電子系統(tǒng)中的抗干擾問

14、題要復(fù)雜得多。 噪聲強度大（高達數(shù)十千伏每微秒，高達數(shù)千安每微秒）、頻率較低（低至幾赫茲）、干擾頻譜較寬（到數(shù)十兆赫茲），而且常與有用信號頻率混雜在一起，所以采用一般的濾波方法難以奏效； 強電與弱電電路或部件之間以及不同裝置之間的干擾耦合常屬于傳導(dǎo)耦合和近場輻射耦合，加之電力電子裝置的體積通常較為龐大、干擾頻率較低，采用一般常用的屏蔽措施也存在諸多困難。 在EMCEMC測量方面，由于電力電子系統(tǒng)體積龐大、功率容量高，無論進行EMI或EMS測量，都存在很多實際困難。近年來，與EMCEMC有關(guān)的電力電子技術(shù)領(lǐng)域本身的工作，例如軟開關(guān)技術(shù)、功率因數(shù)校正技術(shù)、諧波抑制技術(shù)等，已經(jīng)取得了新的進展和舉世矚目的成就。 目前，在電力電子產(chǎn)品中常用的國際電磁兼容標(biāo)準(zhǔn)如表10-1所示。表10-1 在電力電子產(chǎn)品中常用的電磁兼容標(biāo)準(zhǔn) 標(biāo) 準(zhǔn)標(biāo)準(zhǔn)號1安全規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)EN 609502傳導(dǎo)、輻射干擾EN 55022 A3靜電放電EN 61000-4-2 Level 34輻射電磁場EN 61000-4-3 Level 25脈沖群EN