某中壓變頻器系統(tǒng)可靠性模型及預(yù)計(jì)案例分析

余建宏

（維諦技術(shù)（西安）有限公司，西安 710075）

引言

隨著國內(nèi)工業(yè)經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，為了響應(yīng)國家節(jié)能減排的戰(zhàn)略，工業(yè)節(jié)能正成為產(chǎn)業(yè)發(fā)展的核心之一，而中壓變頻器可以大大提高電機(jī)轉(zhuǎn)速的控制精度，使電機(jī)在最節(jié)能的轉(zhuǎn)速下運(yùn)行。作為節(jié)能應(yīng)用與速度工藝控制中越來越重要的自動化設(shè)備，中壓變頻器在工業(yè)領(lǐng)域越來越受到青睞，廣泛應(yīng)用于電力、石化、冶金、礦山、水泥、市政等領(lǐng)域。隨著用戶需求的多樣化以及為應(yīng)對來自不同應(yīng)用領(lǐng)域的挑戰(zhàn)， 除了具備出色的控制性能能夠達(dá)到節(jié)能降耗的目的，對于產(chǎn)品系統(tǒng)的穩(wěn)定性、可靠性、可用性性等也提出了更高的要求[1]。

1 變頻器概述

變頻器是能夠簡單、自由地改變交流電機(jī)轉(zhuǎn)速的一種控制裝置，把工頻電源（50 Hz或60 Hz）變換成各種頻率的交流電源。按照開關(guān)方式分類有PAM控制變頻器和PWM控制變頻器，按照工作原理分類有V/f控制變頻器、轉(zhuǎn)差頻率控制變頻器和矢量控制變頻器，按電壓等級分類有低壓變頻器、中壓變頻器和高壓變頻器等等。

按國際慣例和我國國家標(biāo)準(zhǔn)對電壓等級的劃分，對供電電壓≥10 kV時(shí)稱高壓，1～10 kV時(shí)稱中壓，所以中壓變頻器的電壓范圍是1～10 kV。中壓變頻器通常由變壓器柜、功率柜和控制柜組成。變壓器柜有隔離變壓器，功率柜有功率單元模塊，控制柜是整個(gè)變頻器的控制系統(tǒng)。

2 某中壓變頻器系統(tǒng)介紹

某中壓變頻器主要由移相變壓器、24個(gè)功率單元模塊（每組3個(gè)模塊共8組）及控制系統(tǒng)組成。該變頻器原理圖如圖1所示。該變頻器的功率單元模塊又分為不帶模塊旁路功能和帶模塊旁路功能兩種。

不帶模塊旁路功能的系統(tǒng)任一個(gè)功率單元模塊出現(xiàn)故障，系統(tǒng)停止輸出。為了提供系統(tǒng)的可靠性和可用性，帶模塊旁路功能是指在每一個(gè)功率單元模塊上增加了旁路功能電路。即當(dāng)某個(gè)功率單元出現(xiàn)故障時(shí)，可以自動檢測故障并啟動旁路電路，使得該單元不再投入運(yùn)行。帶模塊旁路功能的系統(tǒng)只要任一組模塊中至少一個(gè)出現(xiàn)故障，則這一組模塊全部切模塊旁路接觸器輸出[2]。但是系統(tǒng)中的八組模塊最多允許兩組功率單元模塊故障后切旁路輸出。

為了進(jìn)一步提高系統(tǒng)的可靠性和可用性，可以進(jìn)行該變頻器冗余并聯(lián)方式，選擇兩臺變頻器系統(tǒng)1+1并機(jī)冗余方案如圖2所示。即兩臺該變頻器熱冗余工作模式，若任意一臺變頻器出現(xiàn)故障均可自動退出，另一臺變頻器繼續(xù)降額帶載運(yùn)行，不影響并機(jī)系統(tǒng)的任務(wù)可靠性。下面通過分析建立不帶模塊旁路系統(tǒng)和帶模塊旁路系統(tǒng)、以及兩種系統(tǒng)的1+1并機(jī)方案的可靠性模型，再分別計(jì)算系統(tǒng)的可靠性和可用性。

圖1 某中壓變頻器原理圖

圖2 變頻器系統(tǒng)1+1并機(jī)冗余方案

3 可靠性模型及預(yù)計(jì)分析

3.1 可靠性預(yù)計(jì)方法

可以采用Relex軟件進(jìn)行計(jì)算，根據(jù)Telcordia SR-332中計(jì)數(shù)法開展[3]，模塊或單元的平均失效率計(jì)算公式如下。

式中：

λunit—模塊或單元的失效率；

πE—模塊或單元的環(huán)境因子，地面固定受控應(yīng)用環(huán)境，環(huán)境因子選擇1；

Ni—模塊或單元中第i個(gè)器件的數(shù)量；

λGi—第i個(gè)器件的基本失效率；

πQi—為第i個(gè)器件的質(zhì)量因子，質(zhì)量因子根據(jù)器件選型規(guī)定為0.8；

πSi—第i個(gè)器件的電應(yīng)力因子，計(jì)數(shù)法中電應(yīng)力因子規(guī)定為1；

πTi—第i個(gè)器件的溫度因子，計(jì)數(shù)法中溫度因子規(guī)定為1。

根據(jù)上述公式可以計(jì)算出單個(gè)模塊或單元的失效率，再依據(jù)系統(tǒng)的可靠性框圖，識別出對應(yīng)的可靠性模型，從而計(jì)算出對應(yīng)的失效率λ。假設(shè)系統(tǒng)的失效率服從指數(shù)分布時(shí)，系統(tǒng)的平均故障間隔時(shí)間MTBF等于失效率λ的倒數(shù)。

3.2 不帶模塊旁路系統(tǒng)可靠性模型及預(yù)計(jì)

由前面介紹可知變頻器系統(tǒng)由變壓器柜、功率柜和控制柜組成。不帶模塊旁路系統(tǒng)是指功率單元不帶模塊旁路功能，系統(tǒng)中的任一個(gè)模塊或器件失效，則系統(tǒng)停止輸出并失效。此時(shí)單個(gè)功率柜是24個(gè)功率單元的串聯(lián)模型，而整個(gè)系統(tǒng)也是變壓器柜、功率柜和控制柜的串聯(lián)模型[4]，可靠性模型如圖3。

利用Relex軟件計(jì)算單個(gè)變壓器柜和控制的失效率，以及單個(gè)功率單元和整個(gè)功率的失效率。再建立系統(tǒng)的的可靠性框圖，即任一模塊失效則整機(jī)失效，整個(gè)系統(tǒng)是串聯(lián)模型。系統(tǒng)的壽命服從指數(shù)分布時(shí)，系統(tǒng)的失效率為串聯(lián)系統(tǒng)中所有器件的失效率之和，從而得到系統(tǒng)的MTBF。

根據(jù)上述公式利用Relex軟件計(jì)算不帶模塊旁路系統(tǒng)的可靠性框圖及計(jì)算結(jié)果如圖4，得到的可靠性預(yù)計(jì)結(jié)果見表1。

不帶模塊旁路系統(tǒng)進(jìn)行1+1并機(jī)冗余的解決方案，即2個(gè)變頻器系統(tǒng)組成1+1熱冗余工作系統(tǒng)，任一整機(jī)失效則自動退出，另一整機(jī)繼續(xù)輸出，系統(tǒng)不算失效。整個(gè)并機(jī)系統(tǒng)為串聯(lián)加并聯(lián)模型[5]，可靠性模型如圖5。

整個(gè)系統(tǒng)的單機(jī)為串聯(lián)模型，并機(jī)為并聯(lián)模型。當(dāng)系統(tǒng)的壽命服從指數(shù)分布時(shí)，對于常見的兩個(gè)單元并聯(lián)系統(tǒng)有：

圖3 不帶模塊旁路系統(tǒng)可靠性模型

圖4 不帶模塊旁路系統(tǒng)的可靠性框圖及計(jì)算結(jié)果

表1 不帶模塊旁路系統(tǒng)的可靠性預(yù)計(jì)結(jié)果

圖5 不帶模塊旁路1+1并機(jī)系統(tǒng)可靠性模型

圖6 不帶模塊旁路1+1并機(jī)系統(tǒng)的可靠性框圖及計(jì)算結(jié)果

若并聯(lián)系統(tǒng)中的兩個(gè)單元失效率相同，則有：

根據(jù)上述公式利用Relex軟件計(jì)算不帶模塊旁路1+1并機(jī)系統(tǒng)的可靠性框圖及計(jì)算結(jié)果見圖6，得到的可靠性預(yù)計(jì)結(jié)果見表2。

3.3 帶模塊旁路系統(tǒng)可靠性模型及預(yù)計(jì)

帶模塊旁路功能的系統(tǒng)也由變壓器柜、功率柜和控制柜組成，只是功率柜中的功率單元帶有故障旁路功能。旁路功能由功率柜中的旁路接觸器、旁路控制板和旁路電源板，以及控制柜中的光纖發(fā)送板來實(shí)現(xiàn)。在功率柜中只要任一組模塊中至少一個(gè)模塊出現(xiàn)故障，則這一組模塊全部切模塊旁路接觸器輸出。帶模塊旁路功能的一組功率單元是一組串聯(lián)和旁聯(lián)組合模型[5]，可靠性模型如圖7。

但是系統(tǒng)中的八組模塊最多允許兩組功率單元故障后切旁路。對于單個(gè)功率柜來說，八組模塊最多允許兩組模塊在旁路狀態(tài)，即屬于表決模型（8中取6）的可靠性模型，此時(shí)兩組模塊工作在旁路狀態(tài)時(shí)，僅有6個(gè)旁路部分處在工作狀態(tài)，而這6個(gè)旁路部分內(nèi)部為串聯(lián)模型，又作為冷備份與表決模型（8中取6）的功率單元部分是旁聯(lián)模型，整個(gè)功率柜既有串聯(lián)模型、又有表決模型、還有旁聯(lián)模型[5]。帶旁路功能的功率柜可靠性模型如圖8。

表2 不帶模塊旁路1+1并機(jī)系統(tǒng)的可靠性預(yù)計(jì)結(jié)果

圖7 帶模塊旁路系統(tǒng)可靠性模型

表決模型r/n(G)又稱為n中取r模型，它是工作貯備模型的一種形式。假設(shè)表決器的可靠度為1，此時(shí)表決模型的平均故障間隔時(shí)間MTBF有：

功率柜中的6個(gè)旁路部分內(nèi)部為串聯(lián)模型，又作為冷備份與表決模型（8中取6）的功率單元部分組成旁聯(lián)模型。旁聯(lián)模型為冷貯備或者非工作貯備系統(tǒng)。假設(shè)檢測和裝換裝置的可靠度為1，當(dāng)系統(tǒng)單元的壽命服從指數(shù)分布時(shí)，則旁聯(lián)系統(tǒng)的MTBF等于各部分MTBF之和。

根據(jù)上述公式利用Relex軟件計(jì)算帶模塊旁路功能系統(tǒng)的可靠性框圖及計(jì)算結(jié)果如圖9。

帶模塊旁路系統(tǒng)再按照1+1并機(jī)解決方案，即2個(gè)系統(tǒng)組成1+1熱冗余工作系統(tǒng)，任一整機(jī)失效則自動退出，另一整機(jī)繼續(xù)輸出，系統(tǒng)不算失效。整個(gè)并機(jī)系統(tǒng)為串聯(lián)、旁聯(lián)、表決模型（n中取r）加并聯(lián)的復(fù)雜模型[5]。利用Relex軟件計(jì)算帶模塊旁路系統(tǒng)1+1并機(jī)的可靠性框圖及計(jì)算結(jié)果如圖10，得到的可靠性預(yù)計(jì)結(jié)果如表3。

圖8 帶旁路功能的功率柜可靠性模型

圖9 帶模塊旁路功能系統(tǒng)的可靠性框圖及計(jì)算結(jié)果

圖10 帶模塊旁路系統(tǒng)1+1并機(jī)的可靠性框圖及計(jì)算結(jié)果

3.4 系統(tǒng)可靠性與可用性計(jì)算結(jié)果

元件或系統(tǒng)在規(guī)定的條件下和規(guī)定的時(shí)刻處于能執(zhí)行規(guī)定功能狀態(tài)的概率，稱為可用度，也叫可用性(Availability)。它是產(chǎn)品可靠性、維修性和維修保障性的綜合反映。若不考慮產(chǎn)品的儲存和閑置時(shí)間，可用性A等于產(chǎn)品工作時(shí)間與總時(shí)間之比。

MTTR為系統(tǒng)的平均修復(fù)時(shí)間，假設(shè)該變頻器系統(tǒng)的MTTR=3 h，則各種系統(tǒng)配置的變頻器系統(tǒng)可靠性與可用性計(jì)算結(jié)果見表4。

表3 帶模塊旁路系統(tǒng)的可靠性預(yù)計(jì)結(jié)果

4 總結(jié)

通過對該變頻器不帶模塊旁路系統(tǒng)和帶模塊旁路系統(tǒng)進(jìn)行了可靠性模型分析，不帶模塊旁路系統(tǒng)是純串聯(lián)模型，可靠性較低。而功率單元帶模塊旁路系統(tǒng)是旁聯(lián)、表決模型（n中取r）和串聯(lián)模型的組合，可靠性是前者的4倍以上，系統(tǒng)的可用性也從3個(gè)9 提升至4個(gè)9。又分別對不帶模塊旁路系統(tǒng)和帶模塊旁路系統(tǒng)進(jìn)行1+1并機(jī)可靠性模型分析，帶模塊旁路1+1并機(jī)系統(tǒng)的可靠性模型是旁聯(lián)、表決模型（n中取r）、串聯(lián)和并聯(lián)模型的大組合，其可靠性和可用性也是最高的，但是整體成本偏高。本文結(jié)論可供中壓變頻器可靠性設(shè)計(jì)及市場應(yīng)用選型作為參考。

表4 系統(tǒng)可靠性與可用性計(jì)算結(jié)果