基于工程加權(quán)分配法的勵磁調(diào)節(jié)器可靠性設(shè)計

陳國玉

（青海民族大學(xué)交通與工程系，青海 西寧 810007）

引言

勵磁調(diào)節(jié)器是勵磁控制系統(tǒng)的控制中樞，性能優(yōu)良、運行穩(wěn)定的勵磁調(diào)節(jié)器對同步發(fā)電機乃至整個電力系統(tǒng)十分重要，可靠性也是勵磁調(diào)節(jié)器中最重要的指標［1］。目前，高科技技術(shù)的廣泛應(yīng)用，使得勵磁系統(tǒng)達到了前所未有的智能化程度。然而智能化水平的提高卻并不意味著產(chǎn)品可靠性的增長。因此，在提高產(chǎn)品智能化水平的同時，如何提高產(chǎn)品的可靠性，進行可靠性分配和預(yù)計顯得非常重要。

提高勵磁調(diào)節(jié)器的可靠性有兩個方面：提高裝置本身的抗干擾能力；增加冗余裝置［2］。系統(tǒng)可靠性分配是，將使用方在裝備設(shè)計任務(wù)書中提出的可靠性指標，并將指標自上而下、由大到小、由整體到局部逐步分解，分配到各系統(tǒng)、分系統(tǒng)及設(shè)備中［3］。可靠性分配的方法有很多，如比例分配法、最少工作法、AGREE分配法、評分分配法等。所有方法各有優(yōu)劣，工程加權(quán)分配法是王錫吉教授在AGREE分配法的基礎(chǔ)上提出來的［4］，在設(shè)計階段分析產(chǎn)品可能達到的可靠性水平，從定性到定量分析就是可靠性預(yù)計，是研究可靠性工程的基礎(chǔ)。

1 勵磁調(diào)節(jié)器的可靠性模型的建立

根據(jù)系統(tǒng)可靠性結(jié)構(gòu)模型，該勵磁調(diào)節(jié)器具體可分為：測量單元、勵磁調(diào)節(jié)單元、脈沖放大單元、通訊單元、電源單元共5大單元，該系統(tǒng)為混合結(jié)構(gòu)復(fù)雜串、并聯(lián)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖如圖1所示。

圖1 復(fù)雜串、并聯(lián)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

可靠度分解計算：

1）計算分系 統(tǒng)R1、R2－3、R4的 串聯(lián)可 靠度R1－4，得：

2）計算分系統(tǒng)R5、R6－7、R8的串聯(lián)可靠度R5－8，得：

3）計算R1－4、R5－8兩個分系統(tǒng)并聯(lián)的可靠度：

4）計算R10、R11兩個分系統(tǒng)并聯(lián)的可靠度：

5）整個系統(tǒng)的可靠度RS由R1－8、R9、R10－11串聯(lián)計算可得：

2 勵磁調(diào)節(jié)器的可靠性分配

根據(jù)勵磁系統(tǒng)在電站的使用要求，某大型火電機組一次不間斷運行的時間往往可達半年，按180d計算，即4 320h。根據(jù)可靠性要求，勵磁系統(tǒng)運行4 320h可靠度應(yīng)達0.9，計算可得勵磁系統(tǒng)的平均無故障時間要求為：

為留足夠余量，勵磁調(diào)節(jié)器的平均無故障時間（TMBF）往往按50 000h計算。產(chǎn)品的可靠性分配是指按產(chǎn)品總體可靠性的要求，把可靠性指標合理的分配到每個子系統(tǒng)，特別是對平均無故障時間的分配。以某型勵磁調(diào)節(jié)器為例，該系統(tǒng)是一個由測量、調(diào)節(jié)、通訊等多個分系統(tǒng)組成的復(fù)雜系統(tǒng)，為達到平均無故障時間（TMBF）50 000h的要求，需對各分系統(tǒng)進行可靠性分配。在系統(tǒng)可靠性分配時使用加權(quán)因子分配法，工程加權(quán)分配法通常需要考慮的加權(quán)因子有重要因子、復(fù)雜因子、環(huán)境因子、標準化因子、維修因子和元器件質(zhì)量因子等［5］。

1）考慮到該系統(tǒng)為混合型結(jié)構(gòu)模式，先對R1－8、R9、R10－11三個串聯(lián)分系統(tǒng)進行可靠性分配，各加權(quán)因子取值（如表1）。

表1 勵磁調(diào)節(jié)器系統(tǒng)各子系統(tǒng)分配加權(quán)因子取值表

按加權(quán)因子分配法公式［4］：

式中：TMBFj為第j個單元平均故障時間間隔；TMTBFs為系統(tǒng)平均故障時間間隔；Kji為第j個單元第i個分配加權(quán)因子。

可得到分配結(jié)果為：

2）R1－4和R5－8的可靠性分配：

R1－8單元由R1－4和R5－8兩個單元并聯(lián)組成，R1－4和R5－8為結(jié)構(gòu)完全相同的冗余關(guān)系，所以R1－4＝R5－8，得：R1－8＝2×R1－4－

得：λ1－4≈10×λ1－8≈1.38×10－4

3）R1、R2－3、R4串聯(lián)及R5、R6－7、R8串聯(lián)的可靠性分配，各加權(quán)因子取值（如表2）。

表2 勵磁調(diào)節(jié)器系統(tǒng)各子系統(tǒng)分配加權(quán)因子取值表

計算各單元分配的可靠性指標：

4）和R11的可靠性分配R10和R11為并聯(lián)冗余結(jié)構(gòu)，同理：

通過以上計算，可得出為滿足產(chǎn)品可靠性要求各分系統(tǒng)的平均無故障時間

3 勵磁調(diào)節(jié)器的可靠性預(yù)計

可靠性預(yù)計是根據(jù)系統(tǒng)的可靠性模型、系統(tǒng)的工作環(huán)境、系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)構(gòu)成、元器件的質(zhì)量級別等因素來進行估計，是一個從小到大、由局部到整體、自下而上的一種系統(tǒng)綜合過程，它需要，主要用在產(chǎn)品的設(shè)計階段。

由可靠性框圖，假設(shè)勵磁調(diào)節(jié)器各單元產(chǎn)品均服從指數(shù)分布，工作時間均為4 320h，其故障率λ（如表3）。

表3 磁調(diào)節(jié)器各單元故障率λ

其任務(wù)可靠度預(yù)計如下：

可靠性框圖可以化分成三個大的單元。

1）R1、R2－3、R4串聯(lián)及R5、R6－7、R8串聯(lián)再并聯(lián)，其可靠度為：

2）R9的可靠度為：

3）R10與R11并聯(lián)的可靠度：

則勵磁調(diào)節(jié)器系統(tǒng)任務(wù)可靠度：

系統(tǒng)Rs大于0.9滿足規(guī)定的要求。

4 結(jié)語

勵磁調(diào)節(jié)器的設(shè)計大量采用高可靠性的大規(guī)模集成電路芯片替代分立元件，系統(tǒng)中重要的功能組件均采用冗余設(shè)計方案，建立了勵磁調(diào)節(jié)器的可靠性模型，簡化了硬件電路的設(shè)計，有效地進行了勵磁調(diào)節(jié)器的可靠性分配，并通過可靠性預(yù)計，系統(tǒng)可靠度滿足規(guī)定要求。

［1］ 陸繼明，毛承雄，范甜等.同步發(fā)電機徽機勵磁控制［M］.北京：中國電力出版社，2002.

［2］ 趙涌，楊波，王春燕.勵磁調(diào)節(jié)器的可靠性設(shè)計［J］.自動化技術(shù)與應(yīng)用，2007（2）：56－57.

［3］ 曾聲奎，趙廷弟.系統(tǒng)可靠性設(shè)計分析教程［M］.北京：北京航空航天大學(xué)出版社，2004.

［4］ 王蓬，王錫吉.可靠性指標工程加權(quán)分配法［J］.電子產(chǎn)品可靠性與環(huán)境試驗，2002（5）：18－21.

［5］ 呂修東，周建平，程志高.于工程加權(quán)分配法的某新型火箭炮可靠性分配［J］.四川兵工學(xué)報，2010（4）：45－46.