1 引言
在工業生產領域，生產過程的可靠性對于投資的獲利能力至關重要，比如對石油天然氣、石油化工產品、鋼材、水泥、礦產品、電力等的生產、運輸。上述生產過程通常使用電力來拖動像泵、壓縮機、壓力機、軋鋼機、破碎機和風機這類生產機械，這些機械消耗的功率一般在兆瓦級。這些生產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的停頓，這會 帶來很大的經濟損失。
采用電力電子變換器的調速傳動系統(vsds)越來越多的應用在電氣傳動領域，應用的功率范圍從0.5mw到大于10mw，本文的重點正是對這些傳動系統的可靠性進行研究。
圖1 變頻調速傳動系統各部分組成
調速傳動系統由電機、傳動用變頻器、變壓器和開關設備組成(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，在討論研究變頻調速傳動系統的可靠性時，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，對于變頻調速傳動系統，制造商們推出了許多種不同電路拓撲的變換器。所以從可靠性的角度去比較這些不同結構的產品引起人們的重視。本文的重點主要集中在變頻調速傳動系統的變頻器部分。
2 幾兆瓦級的變頻傳動裝置
在幾兆瓦功率范圍，傳動系統采用中壓電機和相應的傳動裝置，這時逆變器結構方案的選擇主要取決于所應用的功率范圍。目前在1~8mw范圍內，優先采用電壓型逆變器(vsi)。各種電壓型逆變器都有功率因數高的二極管整流橋(cosφ≈0.96)、中間直流容性儲能環節和采用類似igbt的自關斷器件，負載一般為感應電機。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撲進行分析比較，假定應用范圍為無再生制動的標準型傳動裝置，采用二極管橋整流:
(1) 4 mw級: hv-igbt的npc -vsi，和多單元級聯型vsi比較;
(2) 1.5 mw級: hv-igbt的npc -vsi，和多單元級聯型vsi比較。
3 可靠性建模
概括地講，可靠性與一個設備在一定時間內無故障運行的概率相關。通常，故障會導致一個不可預料的停機時間，直到設備修復并再一次投入運行。
要評估某一復雜系統的可靠性，應首先確定系統內基本部件的可靠性，然后結合采用的冗余方案和維護保養方法來最終確定系統的可靠性。
鑒于可靠性涉及到一些統計學概念，下面給出一些相關術語的定義。
3.1 一些統計學術語和定義
(1) 基本元件的統計參數
l 元件的失效率λc
在運行時間內，假定每個基本元件的失效率λc為常數，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rc(t)
假定元件的失效率λc為常數，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。
l 元件的平均無故障運行時間mtbfc
假定失效率λc為常數, mtbf可以簡單的表示為λc的倒數。當故障率不是常數時，mtbf的一般化定義為:
(2) 系統的統計參數
假設一個包含m個部分的系統，每部分對應的失效率分別為λm。各個部分需正常工作時系統才能運行。假定各部分的失效率相互獨立，則這個無冗余系統的可靠度函數為各個部分可靠度函數的乘積，如下:
從式(3)可知，在無冗余的情況下，當基本元件的失效率(為常數)相互獨立時，系統失效率為各部分的和。作為一個特例，如果一個系統由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才工作，則系統失效率為n·λc。
當采取冗余措施后，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等于至多x個元件失效后的可靠度。其概率函數為二項分布:
其中，rc(t)由式(2)給出。
現在考慮一個含有n個功能模塊的子系統，每個模塊的含有和(4)式相同的冗余，當所有模塊工作時子系統才運行。則這個帶有冗余的子系統的可靠度為各模塊可靠度的乘積，公式如下:
根據式(3)和(5)的結果，一個由n個模塊加上許多沒有冗余的元件構成的系統，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為:
最后，給出一個完整系統的mtbf的計算方法:
3.2 維護保養方法
在關注系統可靠性的同時，也應考慮系統的維護保養方法。假設有一個系統，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。系統運行時，所有模塊和這些單獨的多個元件必須工作，根據公式(3)~(6)，可以得到系統的可靠度函數關系，見圖5。含有冗余的子系統(公式5)的二項分布可靠度函數不是一條指數曲線，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由公式(3)計算。由公式(6)可知，兩者的乘積為整個系統的可靠度函數，見圖5中最下面的曲線。
圖5 有部分冗余措施的系統可靠度函數
無元件更換時的情況:公式(6)的可靠度函數是在假定失效的冗余元件未被更換時系統的生存概率。這也是系統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，能夠提高系統的生存概率，比如可以利用工廠每年的檢修來實現定期更換。冗余子系統第一年的可靠度函數 rs,red(t=1年)可以根據公式(5)得到，在經過保養后恢復到開始狀態。假設第一年系統運行無故障, 第二年的可靠度函數也是rs,red(t=1年)。這可以用第一年的可靠度函數值乘以第二個一年無故障運行的可靠度函數得到兩年的可靠度函數, 一般地, n年無故障運行的可靠度函數為(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可靠性，當每個失效的冗余元件能在最短時間內更換時具有最佳的可靠性。對于變頻器，一般要求按預定計劃性停機，如果在失效后幾周內恰好趕上計劃停機，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(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，只要一套元件實現要求功能(即采用hv-igbt的npc-vsi)，采用冗余設計改造后的系統增加的mtbf值不如那些同時需要幾套相同的元件實現基本功能的系統顯著(即采用lv-igbt的功率單元級聯的vsi)。
圖6 系統基本元件數與mtbf相對改善值關系圖
圖6所示為在引入x套冗余后，計算得到的系統mtbf相對改進值隨無冗余時系統所需的基本元件套數n的變化曲線。
如果考慮冗余部件的成本因素，可以發現只有在系統基本元件數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的功率單元級聯的vsi時)。
圖7 mtbf與成本比值隨基本元件數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所需基本元件數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可靠性。
3.4 系統的可利用率
系統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、再次起動在內所需時間。系統年平均停機小時數(mdtrep)為:包括全部元件在內的平均修理時間(mttri)的和的加權值。這里，元件故障率λi的單位是故障/年。
無冗余系統平均維修時間(mttrnored)為年平均停機小時數mdtrep與包括全部元件在內的失效率λi之和的比值:
對于系統的無冗余部分，可由mtbfnored和mttrnored計算得到可利用率anored:
對于系統的冗余部分，假定冗余器件已經全部用掉，所有的(1＋x)個失效元件必須順序修復時的情況為必須維修事件，這里x為冗余元件套數，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。但如果每年定期更換失效元件，能夠減少意外停機時間。整個系統的可利用率as為:
4 元件的故障率和維修時間
對于變頻調速傳動系統(vsds)和變頻器而言，可靠性研究的關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查后得出
l 傳動系統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、標準和使用經驗中查到。
l 對于印刷電路板(pcb)，包括主控制板、門極驅動電路板等，幾種常用電路板類型的典型值可以利用西門子標準資料計算得到。得到的計算結果一般都比較保守，可以根據現場經驗加入修正系數。
l 對于功率元件部分，如功率開關器件、直流側電解電容器，可以根據元件生產商的資料結合現場經驗加入修正系數。
為了便于分析，附表(見下頁)給出了各種失效率的假設值。根據這些失效率值和調速傳動系統的元件數，可以計算和比較不同調速傳動系統的可靠性。為了簡化分析，進一步假設所有的元件都在其設計的電氣和環境參數下使用。
(2) 修復時間主要取決于以下幾點
l 機械系統的設計情況，售后服務的周到性;
l 備件供應和本地庫存情況;
l 功能強大的故障診斷系統;
l 供應商的技術支持。
這里只對有代表性的情況加以分析。
5 幾種4兆瓦調速傳動系統計算示例
在幾兆瓦功率等級范圍，采用負載換相型逆變器(lci)和同步電動機(sm)的傳動系統仍具有優勢。但采用電壓型逆變器＋感應電機的組合也具有競爭力，既便不要求很高的動態性能，也有較佳的網側功率因數特性。因此，考慮分析比較以下幾種配置的4mw調速傳動系統:
l 功率單元級聯電壓型逆變器(cellular-vsi)，每相為五個單元串聯，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，負載感應電動機電壓等級為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串聯使用，如圖2所示。未采取冗余措施，負載感應電動機電壓等級為4.16kv。
這三種不同的變頻傳動系統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致臨時停機。落在實線上方的情況有冗余單元緩沖，不會導致直接停機，除非再一次損壞，但已損壞的單元要找適當的時間更換。在不采取更換措施時，調速傳動系統可靠度函數如圖9所示。圖10總結了當一個元件失效時不同系統和不同維護方案時的mtbf。
圖8 三種4mw系統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
圖10 三種4mw系統不同情況時的mtbf
在無冗余時，采用npc-vsi方案的變頻傳動系統表現出比采用多單元級聯型vsi方案更高的可靠性。由分析可知，無冗余的多單元級聯型結構可靠性較低，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評估中應該考慮失效單元的影響。
圖11所示為三種系統配置的每年平均停機小時數的比較，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其他無冗余的部件產生的，如電機和變壓器。多單元級聯型vsi的變壓器的高復雜性導致了更高的失效率和更多的停機時間，盡管修復時間假定很短。圖12所示為所研究的這幾個系統的可利用率，它主要由電機和變壓器所決定。與電機和變壓器的修復時間相比，由于有本地備件庫存使修復時間很短，不同的變頻器結構對可利用率只有很小的影響。
圖11 三種4mw系統的平均停機時間
圖12 三種4mw系統的系統可利用率
6 幾種1.5mw調速傳動系統的計算示例
功率等級為1mw左右的傳動系統，主要采用電壓型逆變器加感應電機的組合方式(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速傳動系統進行比較:
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，如圖2所示，且未采取冗余措施。
l 多單元級聯電壓型逆變器(cellular-vsi)，每相三單元串聯，無冗余措施，如圖3所示。
l 多單元級聯電壓型逆變器，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的失效率和可靠度函數如圖13和14所示。當一個元件失效時，不同系統和保養方法的mtbf曲線如圖15所示。
經過比較可以看出，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的可靠性仍然比采用多單元級聯型逆變器時高很多。同樣，采用多單元級聯結構的系統，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系統的平均停機時間(mdt)和系統可利用率(as)的進行計算，所得到的結果和4mw系統時的情況相同，如圖11和圖12所示。
圖13 三種1.5mw系統在單元件故障時的失效率示意圖
圖14 不同配置的1.5mw系統可靠度曲線
圖15 不同配置的1.5mw系統mtbf
7 中點箝位型逆變器(npc-vsi)可靠性的現場數據
我們對300多臺含有hv-igbt的npc-vsi傳動系統的現場數據進行收集，其中包含大約5×106h的運行數據，這些數據僅包括調速傳動系統的變頻器部分(圖16)。圖17的運行數據表明:在變頻器上大約出現了70次關聯失效故障，其中，大約50％的故障由igbt器件和門極驅動單元引起，另外50％的故障來源于變頻器的其他部件。
圖16 體現npc-vsi可靠性指標的現場運行數據
圖17 由現場運行數據得到的npc-vsi的mtbf
另外，從現場數據計算得到的變頻器的mtbf穩定在2×106h以上，運行7~8年之間，當然這里不包括變壓器、斷路器和電機。這些結果1證實了前一節假設的失效率和相關計算結果。
8 結束語
在兆瓦級的功率范圍，采用hv-igbt的中點箝位型逆變器(npc-vsi)在諸多可靠性指標方面具有固有優勢;只有在采用n＋1冗余方案時，多單元級聯型逆變器(cellular-vsi)的可靠性才具有競爭力。
在整個1～10mw范圍內，對于大多數具有最少元件和最簡單結構的調速傳動系統，其可靠性也最高。除非采用模塊冗余, 由低壓模塊構成的多單元級聯型逆變器的可靠性遜色于由高壓功率器件構成的中點箝位型逆變器，在其他文獻中也發現類似的結果。采用冗余措施后, 只有在需要三組以上相同的元件實現其功能的系統中, 其經濟效益方可體現, 具體指標可由mtbf值的增加與所需成本的比值中看出。
只有當具有多單元級聯型逆變器的調速傳動系統采用適當的冗余措施后(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的水平;但比起其他結構的逆變器，在多單元級聯型逆變器中，由于元件眾多必須預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預計要比結構簡單的逆變器顯著增加，而達到同樣的可靠性，結構簡單的逆變器卻不需要冗余措施。上述這些情況也應在壽命周期成本的評估中加以考慮。采用現代的高壓igbt后，所用器件數變得更少，結果使整個系統變得更加緊湊、高效和可靠。
系統的可利用率取決于可靠性，而停機修復時間主要由變壓器和電機等其他系統部件決定，這一結論的前提是，假定除電機和變壓器外，變頻器具有當地備件庫存。此外，整個調速傳動系統引入冗余措施后，系統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的多個整機系統并聯。
：鞏經理
：13915946763
：南京塞姆泵業有限公司
