1 引言
在工業(yè)生產(chǎn)領(lǐng)域，生產(chǎn)過程的可靠性對于投資的獲利能力至關(guān)重要，比如對石油天然氣、石油化工產(chǎn)品、鋼材、水泥、礦產(chǎn)品、電力等的生產(chǎn)、運輸。上述生產(chǎn)過程通常使用電力來拖動像泵、壓縮機、壓力機、軋鋼機、破碎機和風(fēng)機這類生產(chǎn)機械，這些機械消耗的功率一般在兆瓦級。這些生產(chǎn)機械或其電力傳動裝置的故障通常會引起局部或整個生產(chǎn)的停頓，這會 帶來很大的經(jīng)濟損失。
采用電力電子變換器的調(diào)速傳動系統(tǒng)(vsds)越來越多的應(yīng)用在電氣傳動領(lǐng)域，應(yīng)用的功率范圍從0.5mw到大于10mw，本文的重點正是對這些傳動系統(tǒng)的可靠性進行研究。
圖1 變頻調(diào)速傳動系統(tǒng)各部分組成
調(diào)速傳動系統(tǒng)由電機、傳動用變頻器、變壓器和開關(guān)設(shè)備組成(見圖1)。其中，變頻器由功率變換部分、控制部分、散熱冷卻部分組成。因此，在討論研究變頻調(diào)速傳動系統(tǒng)的可靠性時，所有這些部分的故障失效可能都要加以考慮[1]。
在兆瓦級范圍內(nèi)，對于變頻調(diào)速傳動系統(tǒng)，制造商們推出了許多種不同電路拓?fù)涞淖儞Q器。所以從可靠性的角度去比較這些不同結(jié)構(gòu)的產(chǎn)品引起人們的重視。本文的重點主要集中在變頻調(diào)速傳動系統(tǒng)的變頻器部分。
2 幾兆瓦級的變頻傳動裝置
在幾兆瓦功率范圍，傳動系統(tǒng)采用中壓電機和相應(yīng)的傳動裝置，這時逆變器結(jié)構(gòu)方案的選擇主要取決于所應(yīng)用的功率范圍。目前在1~8mw范圍內(nèi)，優(yōu)先采用電壓型逆變器(vsi)。各種電壓型逆變器都有功率因數(shù)高的二極管整流橋(cosφ≈0.96)、中間直流容性儲能環(huán)節(jié)和采用類似igbt的自關(guān)斷器件，負(fù)載一般為感應(yīng)電機。本文比較的拓樸方案主要是:
(1) 中點箝位電壓型逆變器(npc-vsi)，所用器件為hv-igbt，如圖2所示;
圖2 中點箝位電壓型逆變器(npc-vsi)
(2) 多單元級聯(lián)的電壓型逆變器(cellular-vsi)，所用器件為低壓igbt，如圖3所示。
圖3 采用低壓功率單元級聯(lián)的電壓型逆變器(圖示為6kv級)
以下從可靠性的角度對上述不同功率等級的電路拓?fù)溥M行分析比較，假定應(yīng)用范圍為無再生制動的標(biāo)準(zhǔn)型傳動裝置，采用二極管橋整流:
(1) 4 mw級: hv-igbt的npc -vsi，和多單元級聯(lián)型vsi比較;
(2) 1.5 mw級: hv-igbt的npc -vsi，和多單元級聯(lián)型vsi比較。
3 可靠性建模
概括地講，可靠性與一個設(shè)備在一定時間內(nèi)無故障運行的概率相關(guān)。通常，故障會導(dǎo)致一個不可預(yù)料的停機時間，直到設(shè)備修復(fù)并再一次投入運行。
要評估某一復(fù)雜系統(tǒng)的可靠性，應(yīng)首先確定系統(tǒng)內(nèi)基本部件的可靠性，然后結(jié)合采用的冗余方案和維護保養(yǎng)方法來最終確定系統(tǒng)的可靠性。
鑒于可靠性涉及到一些統(tǒng)計學(xué)概念，下面給出一些相關(guān)術(shù)語的定義。
3.1 一些統(tǒng)計學(xué)術(shù)語和定義
(1) 基本元件的統(tǒng)計參數(shù)
l 元件的失效率λc
在運行時間內(nèi)，假定每個基本元件的失效率λc為常數(shù)，這里不考慮早期失效和老化失效(見圖4)。
圖4 失效率浴盆曲線
失效率的的度量單位是fit(失效時間), 1 fit=10-9/h，其含義是工作109小時失效一次。
l 元件的生存概率函數(shù)rc(t)
假定元件的失效率λc為常數(shù)，其從開始運行到t時刻的生存概率rc(t)為:
隨時間t的增加元件的生存概率降低，生存概率rc(t)也稱為可靠度函數(shù)。
l 元件的平均無故障運行時間mtbfc
假定失效率λc為常數(shù), mtbf可以簡單的表示為λc的倒數(shù)。當(dāng)故障率不是常數(shù)時，mtbf的一般化定義為:
(2) 系統(tǒng)的統(tǒng)計參數(shù)
假設(shè)一個包含m個部分的系統(tǒng)，每部分對應(yīng)的失效率分別為λm。各個部分需正常工作時系統(tǒng)才能運行。假定各部分的失效率相互獨立，則這個無冗余系統(tǒng)的可靠度函數(shù)為各個部分可靠度函數(shù)的乘積，如下:
從式(3)可知，在無冗余的情況下，當(dāng)基本元件的失效率(為常數(shù))相互獨立時，系統(tǒng)失效率為各部分的和。作為一個特例，如果一個系統(tǒng)由n個相同的元件組成，每個元件的失效率為λc，且所有元件工作時系統(tǒng)才工作，則系統(tǒng)失效率為n·λc。
當(dāng)采取冗余措施后，情況則會不同。假定一個功能模塊有n＋x個相同的元件，且只有n個元件同時工作時功能模塊才能運行;x個元件作為冗余備份，則此模塊的可靠度函數(shù)等于至多x個元件失效后的可靠度。其概率函數(shù)為二項分布:
其中，rc(t)由式(2)給出。
現(xiàn)在考慮一個含有n個功能模塊的子系統(tǒng)，每個模塊的含有和(4)式相同的冗余，當(dāng)所有模塊工作時子系統(tǒng)才運行。則這個帶有冗余的子系統(tǒng)的可靠度為各模塊可靠度的乘積，公式如下:
根據(jù)式(3)和(5)的結(jié)果，一個由n個模塊加上許多沒有冗余的元件構(gòu)成的系統(tǒng)，其中n個模塊中的每個都具有冗余元件，其完整的可靠度函數(shù)為:
最后，給出一個完整系統(tǒng)的mtbf的計算方法:
3.2 維護保養(yǎng)方法
在關(guān)注系統(tǒng)可靠性的同時，也應(yīng)考慮系統(tǒng)的維護保養(yǎng)方法。假設(shè)有一個系統(tǒng)，由幾個模塊和另外多個沒有冗余的單獨元件組成，其中每個模塊為n＋1個元件冗余。系統(tǒng)運行時，所有模塊和這些單獨的多個元件必須工作，根據(jù)公式(3)~(6)，可以得到系統(tǒng)的可靠度函數(shù)關(guān)系，見圖5。含有冗余的子系統(tǒng)(公式5)的二項分布可靠度函數(shù)不是一條指數(shù)曲線，不能用相等的失效率λ來描述。所有的無冗余元件的可靠度函數(shù)由公式(3)計算。由公式(6)可知，兩者的乘積為整個系統(tǒng)的可靠度函數(shù)，見圖5中最下面的曲線。
圖5 有部分冗余措施的系統(tǒng)可靠度函數(shù)
無元件更換時的情況:公式(6)的可靠度函數(shù)是在假定失效的冗余元件未被更換時系統(tǒng)的生存概率。這也是系統(tǒng)可靠性最差時的情況。
元件每年進行更換的情況:如果對失效元件進行定期更換，能夠提高系統(tǒng)的生存概率，比如可以利用工廠每年的檢修來實現(xiàn)定期更換。冗余子系統(tǒng)第一年的可靠度函數(shù) rs,red(t=1年)可以根據(jù)公式(5)得到，在經(jīng)過保養(yǎng)后恢復(fù)到開始狀態(tài)。假設(shè)第一年系統(tǒng)運行無故障, 第二年的可靠度函數(shù)也是rs,red(t=1年)。這可以用第一年的可靠度函數(shù)值乘以第二個一年無故障運行的可靠度函數(shù)得到兩年的可靠度函數(shù), 一般地, n年無故障運行的可靠度函數(shù)為(見圖5):
從有冗余措施的可靠性曲線中可以看出，縮短檢修間隔可以進一步提高系統(tǒng)可靠性，當(dāng)每個失效的冗余元件能在最短時間內(nèi)更換時具有最佳的可靠性。對于變頻器，一般要求按預(yù)定計劃性停機，如果在失效后幾周內(nèi)恰好趕上計劃停機，則在下一次計劃停機之前，臨時停機的概率會很低。這樣，可靠度函數(shù)(直到時間t時沒有意外停機的概率)接近無元件冗余時的情況(見圖5)。但這種情況不能當(dāng)作實際的備選方案來考慮。
3.3 冗余的影響
冗余策略的效果有待爭議，一方面采用冗余的方法增加了系統(tǒng)的mtbf，另一方面也增加了所用元件的總失效率。對于有些系統(tǒng)，只要一套元件實現(xiàn)要求功能(即采用hv-igbt的npc-vsi)，采用冗余設(shè)計改造后的系統(tǒng)增加的mtbf值不如那些同時需要幾套相同的元件實現(xiàn)基本功能的系統(tǒng)顯著(即采用lv-igbt的功率單元級聯(lián)的vsi)。
圖6 系統(tǒng)基本元件數(shù)與mtbf相對改善值關(guān)系圖
圖6所示為在引入x套冗余后，計算得到的系統(tǒng)mtbf相對改進值隨無冗余時系統(tǒng)所需的基本元件套數(shù)n的變化曲線。
如果考慮冗余部件的成本因素，可以發(fā)現(xiàn)只有在系統(tǒng)基本元件數(shù)n大于等于3時，mtbf的改善程度的增加值才大于所需費用的增加值(例如在采用lv-igbt的功率單元級聯(lián)的vsi時)。
圖7 mtbf與成本比值隨基本元件數(shù)n的變化曲線
圖7所示為計算得到的mtbf提高程度與投資成本的比值隨組成系統(tǒng)所需基本元件數(shù)n的變化情況:
從上面的分析可以看出，對于只有一套基本元件的npc-vsi，采用冗余并不是一個經(jīng)濟可行的方法;而且使用較少且可靠性高的元件，即使不采用器件冗余的策略，npc-vsi也能保持極高的系統(tǒng)可靠性。
3.4 系統(tǒng)的可利用率
系統(tǒng)的可利用率取決于可靠性和停機維修時間。平均維修時間(mttr)的定義為:每個元件包括故障診斷、故障元件的更換、再次起動在內(nèi)所需時間。系統(tǒng)年平均停機小時數(shù)(mdtrep)為:包括全部元件在內(nèi)的平均修理時間(mttri)的和的加權(quán)值。這里，元件故障率λi的單位是故障/年。
無冗余系統(tǒng)平均維修時間(mttrnored)為年平均停機小時數(shù)mdtrep與包括全部元件在內(nèi)的失效率λi之和的比值:
對于系統(tǒng)的無冗余部分，可由mtbfnored和mttrnored計算得到可利用率anored:
對于系統(tǒng)的冗余部分，假定冗余器件已經(jīng)全部用掉，所有的(1＋x)個失效元件必須順序修復(fù)時的情況為必須維修事件，這里x為冗余元件套數(shù)，則通過下式，可利用率 可以簡單得到:
冗余部分的可利用率并不隨元件更換方案的變化而變化，因為無論在什么時間，失效元件最終都必須修復(fù)。但如果每年定期更換失效元件，能夠減少意外停機時間。整個系統(tǒng)的可利用率as為:
4 元件的故障率和維修時間
對于變頻調(diào)速傳動系統(tǒng)(vsds)和變頻器而言，可靠性研究的關(guān)鍵之一就是確定所有元件的失效率。
(1) 失效率是對不同來源的資料進行全面調(diào)查后得出
l 傳動系統(tǒng)中變頻器以外的其他部件, 如斷路器、變壓器、電機的失效率可以從文獻、標(biāo)準(zhǔn)和使用經(jīng)驗中查到。
l 對于印刷電路板(pcb)，包括主控制板、門極驅(qū)動電路板等，幾種常用電路板類型的典型值可以利用西門子標(biāo)準(zhǔn)資料計算得到。得到的計算結(jié)果一般都比較保守，可以根據(jù)現(xiàn)場經(jīng)驗加入修正系數(shù)。
l 對于功率元件部分，如功率開關(guān)器件、直流側(cè)電解電容器，可以根據(jù)元件生產(chǎn)商的資料結(jié)合現(xiàn)場經(jīng)驗加入修正系數(shù)。
為了便于分析，附表(見下頁)給出了各種失效率的假設(shè)值。根據(jù)這些失效率值和調(diào)速傳動系統(tǒng)的元件數(shù)，可以計算和比較不同調(diào)速傳動系統(tǒng)的可靠性。為了簡化分析，進一步假設(shè)所有的元件都在其設(shè)計的電氣和環(huán)境參數(shù)下使用。
(2) 修復(fù)時間主要取決于以下幾點
l 機械系統(tǒng)的設(shè)計情況，售后服務(wù)的周到性;
l 備件供應(yīng)和本地庫存情況;
l 功能強大的故障診斷系統(tǒng);
l 供應(yīng)商的技術(shù)支持。
這里只對有代表性的情況加以分析。
5 幾種4兆瓦調(diào)速傳動系統(tǒng)計算示例
在幾兆瓦功率等級范圍，采用負(fù)載換相型逆變器(lci)和同步電動機(sm)的傳動系統(tǒng)仍具有優(yōu)勢。但采用電壓型逆變器＋感應(yīng)電機的組合也具有競爭力，既便不要求很高的動態(tài)性能，也有較佳的網(wǎng)側(cè)功率因數(shù)特性。因此，考慮分析比較以下幾種配置的4mw調(diào)速傳動系統(tǒng):
l 功率單元級聯(lián)電壓型逆變器(cellular-vsi)，每相為五個單元串聯(lián)，正常運行時只需四個單元同時工作即可，見圖3。假定igbt不采用并聯(lián)形式，則這種變頻器可分為三個模塊(即每相一個模塊)，每個模塊為4+1個單元冗余，負(fù)載感應(yīng)電動機電壓等級為4.16kv。
l 無冗余，其他和上述第一種配置相同。
l 中點箝位電壓型逆變器，采用hv-igbt，且兩個igbt串聯(lián)使用，如圖2所示。未采取冗余措施，負(fù)載感應(yīng)電動機電壓等級為4.16kv。
這三種不同的變頻傳動系統(tǒng)的總失效率示意圖見 圖8。圖8中故障率落在實線下方的情形會直接導(dǎo)致臨時停機。落在實線上方的情況有冗余單元緩沖，不會導(dǎo)致直接停機，除非再一次損壞，但已損壞的單元要找適當(dāng)?shù)臅r間更換。在不采取更換措施時，調(diào)速傳動系統(tǒng)可靠度函數(shù)如圖9所示。圖10總結(jié)了當(dāng)一個元件失效時不同系統(tǒng)和不同維護方案時的mtbf。
圖8 三種4mw系統(tǒng)單元件故障時的失效率示意圖
圖9 不采取更換措施時三種配置的可靠度函數(shù)
圖10 三種4mw系統(tǒng)不同情況時的mtbf
在無冗余時，采用npc-vsi方案的變頻傳動系統(tǒng)表現(xiàn)出比采用多單元級聯(lián)型vsi方案更高的可靠性。由分析可知，無冗余的多單元級聯(lián)型結(jié)構(gòu)可靠性較低，為了在可靠性方面有競爭力，必須采用單元n＋1冗余的方案。為了更換冗余失效單元，推薦采用每年的定期更換方案，在lcc評估中應(yīng)該考慮失效單元的影響。
圖11所示為三種系統(tǒng)配置的每年平均停機小時數(shù)的比較，圖中可以看出，有冗余時甚至增加了停機時間，但在計劃停機時也有機會修理。平均停機時間的主要部分是由系統(tǒng)其他無冗余的部件產(chǎn)生的，如電機和變壓器。多單元級聯(lián)型vsi的變壓器的高復(fù)雜性導(dǎo)致了更高的失效率和更多的停機時間，盡管修復(fù)時間假定很短。圖12所示為所研究的這幾個系統(tǒng)的可利用率，它主要由電機和變壓器所決定。與電機和變壓器的修復(fù)時間相比，由于有本地備件庫存使修復(fù)時間很短，不同的變頻器結(jié)構(gòu)對可利用率只有很小的影響。
圖11 三種4mw系統(tǒng)的平均停機時間
圖12 三種4mw系統(tǒng)的系統(tǒng)可利用率
6 幾種1.5mw調(diào)速傳動系統(tǒng)的計算示例
功率等級為1mw左右的傳動系統(tǒng)，主要采用電壓型逆變器加感應(yīng)電機的組合方式(vsi＋im)。下面對電壓等級為2.3kv，功率為1.5mw的三種不同配置的調(diào)速傳動系統(tǒng)進行比較:
l 中點箝位電壓型逆變器(npc-vsi)，采用igbt，沒有采用器件串并聯(lián)，如圖2所示，且未采取冗余措施。
l 多單元級聯(lián)電壓型逆變器(cellular-vsi)，每相三單元串聯(lián)，無冗余措施，如圖3所示。
l 多單元級聯(lián)電壓型逆變器，每相(3＋1)單元冗余，正常運行時只需三個單元同時工作即可。變頻器可分為三個模塊(即每相一個模塊)，每個模塊為3+1個單元冗余，其他與第二種配置相同。
這三種不同配置的系統(tǒng)的失效率和可靠度函數(shù)如圖13和14所示。當(dāng)一個元件失效時，不同系統(tǒng)和保養(yǎng)方法的mtbf曲線如圖15所示。
經(jīng)過比較可以看出，在未采取冗余措施時，采用中點電壓箝位型逆變器的傳動系統(tǒng)的可靠性仍然比采用多單元級聯(lián)型逆變器時高很多。同樣，采用多單元級聯(lián)結(jié)構(gòu)的系統(tǒng)，在引入n＋1單元冗余后的可靠性也具有競爭性。這里也注意到，失效冗余單元數(shù)對壽命周期成本會有影響，同時也增加了進行更換維護的需要。
對1.5mw系統(tǒng)的平均停機時間(mdt)和系統(tǒng)可利用率(as)的進行計算，所得到的結(jié)果和4mw系統(tǒng)時的情況相同，如圖11和圖12所示。
圖13 三種1.5mw系統(tǒng)在單元件故障時的失效率示意圖
圖14 不同配置的1.5mw系統(tǒng)可靠度曲線
圖15 不同配置的1.5mw系統(tǒng)mtbf
7 中點箝位型逆變器(npc-vsi)可靠性的現(xiàn)場數(shù)據(jù)
我們對300多臺含有hv-igbt的npc-vsi傳動系統(tǒng)的現(xiàn)場數(shù)據(jù)進行收集，其中包含大約5×106h的運行數(shù)據(jù)，這些數(shù)據(jù)僅包括調(diào)速傳動系統(tǒng)的變頻器部分(圖16)。圖17的運行數(shù)據(jù)表明:在變頻器上大約出現(xiàn)了70次關(guān)聯(lián)失效故障，其中，大約50％的故障由igbt器件和門極驅(qū)動單元引起，另外50％的故障來源于變頻器的其他部件。
圖16 體現(xiàn)npc-vsi可靠性指標(biāo)的現(xiàn)場運行數(shù)據(jù)
圖17 由現(xiàn)場運行數(shù)據(jù)得到的npc-vsi的mtbf
另外，從現(xiàn)場數(shù)據(jù)計算得到的變頻器的mtbf穩(wěn)定在2×106h以上，運行7~8年之間，當(dāng)然這里不包括變壓器、斷路器和電機。這些結(jié)果1證實了前一節(jié)假設(shè)的失效率和相關(guān)計算結(jié)果。
8 結(jié)束語
在兆瓦級的功率范圍，采用hv-igbt的中點箝位型逆變器(npc-vsi)在諸多可靠性指標(biāo)方面具有固有優(yōu)勢;只有在采用n＋1冗余方案時，多單元級聯(lián)型逆變器(cellular-vsi)的可靠性才具有競爭力。
在整個1～10mw范圍內(nèi)，對于大多數(shù)具有最少元件和最簡單結(jié)構(gòu)的調(diào)速傳動系統(tǒng)，其可靠性也最高。除非采用模塊冗余, 由低壓模塊構(gòu)成的多單元級聯(lián)型逆變器的可靠性遜色于由高壓功率器件構(gòu)成的中點箝位型逆變器，在其他文獻中也發(fā)現(xiàn)類似的結(jié)果。采用冗余措施后, 只有在需要三組以上相同的元件實現(xiàn)其功能的系統(tǒng)中, 其經(jīng)濟效益方可體現(xiàn), 具體指標(biāo)可由mtbf值的增加與所需成本的比值中看出。
只有當(dāng)具有多單元級聯(lián)型逆變器的調(diào)速傳動系統(tǒng)采用適當(dāng)?shù)娜哂啻胧┖?通常每相一個冗余單元)，其可靠性方可達到其他采用更少元件的系統(tǒng)的水平;但比起其他結(jié)構(gòu)的逆變器，在多單元級聯(lián)型逆變器中，由于元件眾多必須預(yù)先考慮更多元件失效時的情況，而失效元件需要在工廠年檢中更換。因此，這類逆變器的維護次數(shù)預(yù)計要比結(jié)構(gòu)簡單的逆變器顯著增加，而達到同樣的可靠性，結(jié)構(gòu)簡單的逆變器卻不需要冗余措施。上述這些情況也應(yīng)在壽命周期成本的評估中加以考慮。采用現(xiàn)代的高壓igbt后，所用器件數(shù)變得更少，結(jié)果使整個系統(tǒng)變得更加緊湊、高效和可靠。
系統(tǒng)的可利用率取決于可靠性，而停機修復(fù)時間主要由變壓器和電機等其他系統(tǒng)部件決定，這一結(jié)論的前提是，假定除電機和變壓器外，變頻器具有當(dāng)?shù)貍浼齑妗４送?，整個調(diào)速傳動系統(tǒng)引入冗余措施后，系統(tǒng)可利用率可以進一步顯著改善，比如采用包括電機、變壓器和高壓斷路器在內(nèi)的多個整機系統(tǒng)并聯(lián)。
：鞏經(jīng)理
：13915946763
：南京塞姆泵業(yè)有限公司
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