1 引言
隨著電子電力器件、計算機技術(shù)的發(fā)展，交流電動機變頻調(diào)速已取得了劃時代的進步。它已與節(jié)約能源、經(jīng)濟效益密切聯(lián)系，成為對國民經(jīng)濟發(fā)展產(chǎn)生影響的重要因素。在我國，方面的應(yīng)用僅10余年，正在處于大力推廣階段。下面就變頻改造后的可靠性問題進行分析計算。
2 串聯(lián)結(jié)構(gòu)的可靠性分析
一般情況下，電動機的系統(tǒng)是串聯(lián)結(jié)構(gòu)，是由開關(guān)、電纜、電動機組成。變頻改造只是串聯(lián)增加一臺變頻器，依然還是串聯(lián)系統(tǒng)。串聯(lián)系統(tǒng)中，任何一個失效就將使整個系統(tǒng)失效。若以x表示運行中的元件,s為工作著的系統(tǒng)，則由n個獨立元件構(gòu)成的串聯(lián)系統(tǒng)如圖1所示，應(yīng)符合以下邏輯關(guān)系:
s=x1∩x2∩x3∩……∩xn
s出現(xiàn)必須是所有元件均運行方才有效。即s為n元件x的交集(邏輯乘)，則系統(tǒng)可靠工作的概率為:
p(s)=p[x1∩x2∩x3∩……∩xn]
=p(x1)·p(x2)·p(x3)……p(xn)
系統(tǒng)故障的概率為:
p1(s)=1-p(s)
串聯(lián)系統(tǒng)中，串聯(lián)的元件越多，系統(tǒng)的可靠性越低。串聯(lián)系統(tǒng)的壽命取決于串聯(lián)元件中最弱的元件，并且比最弱元件的壽命還短。
3 電氣元件可靠性的分析方法
用上述方法來表示串聯(lián)系統(tǒng)的可靠性，不能直觀地反映電氣元件和電氣系統(tǒng)的可靠性，必須用其它的方法來表示[4][5]。下面是表示電氣元件可靠性的幾個概念:
故障率與修復(fù)率:因為電氣元件都是可修復(fù)系統(tǒng)，存在狀態(tài)轉(zhuǎn)移的特性，通常把設(shè)備由運行狀態(tài)向停運狀態(tài)轉(zhuǎn)移的概率稱為故障率，記作“λ”。相反，將設(shè)備從停運狀態(tài)經(jīng)過修理后，轉(zhuǎn)向運行狀態(tài)轉(zhuǎn)移的概率稱為修復(fù)率，也就是在單位時間內(nèi)完成修理的瞬時概率，通常記作“μ”。它是表示設(shè)備修復(fù)能力的指標。
可用度(有效度)和不可用度(失效度):可修復(fù)元件或系統(tǒng)在特定的瞬間t內(nèi)能保持正常工作的概率，稱為可用度，以a表示。而失效度則是指設(shè)備或系統(tǒng)在特定的瞬間t內(nèi)，失去規(guī)定的功能處于停運狀態(tài)的概率，記作【a】。當連續(xù)運行時間和停運時間都服從指數(shù)分布時，則可以寫成λ和μ的表示形式:
a=｛1/λ｝/〖｛1/λ｝+｛1/μ｝〗=μ/(λ+μ)
同理，【a】=λ/(λ+μ)
顯然: a+【a】=1
設(shè)元件的修復(fù)率為μi，故障率為λi ，則可用度為:
ai =μi/(λi+μi)
令 p(xi)=ai
故 as=a1×a2×a3×…×an
則可修率為μs=(as/【as】)×λs=λs×as/(1- as)
故障頻次為fs=1/ts=λs×μs/(λs+μs)=λs×as
4 某廠6kv高壓電動機故障統(tǒng)計分析
某廠共有149臺高壓電動機，99年9月至2002年11月間的故障統(tǒng)計如附表。
根據(jù)文獻[1]所提供的公式，設(shè)每臺電動機的年運行小時為7000小時，則每臺電動機的平均無故障運行小時為:
平均無故障運行小時=149×7000×3.167÷14＝235941.5(小時/次)
λ=故障率=8760÷平均無故障運行小時=8760÷235941.5
=0.03713(次/年)
μ=修復(fù)率=8760÷平均修復(fù)時間=8760÷12.28=713.35(次/年)
a=μ÷(λ+μ)=713.35÷(713.35＋0.03713)=0.9999
5 改造前電動機系統(tǒng)可靠性的分析計算
改造前電動機系統(tǒng)主要是由開關(guān)、電纜電機組成。其簡圖如圖2所示:
顯然，上述系統(tǒng)是由三個元件串聯(lián)而成，邏輯圖如圖3所示:
根據(jù)工作經(jīng)驗，與電動機相比，電纜的故障率較低，開關(guān)的的故障率相差不大，為了方便計算，本文假定三者的故障率和修復(fù)率相等:
故障率:λ1 =λ2 =λ3 =0.03713(次/年)
修復(fù)率:μ1 = μ2 =μ3 = 713.35(次/年)
則三者的可用度為:
a1=a2=a3=μ÷(λ+μ)=713.35÷(713.35+0.03713)
=0.9999
單元接線的可用度為:
as=a1×a2×a3=0.9999×0.9999×0.9999=0.9997
故障率為:λs=λ1+λ2+λ3= 3×0.03713=0.11139
維修率為:μs=λs×as÷(1- as)
=0.11139×0.9997÷(1-0.9997)=371.19
故障頻次:fs=λs×as=0.11139×0.9997=0.11136
平均運行周期為:ts=1/fs=8.98年
6 選用高壓變頻器后可靠性的分析計算
選用高壓變頻器后，系統(tǒng)如圖4所示:
根據(jù)工作經(jīng)驗，與電動機、電纜、開關(guān)相比，變頻器的故障率較高。為了方便計算，本文假定變頻器的故障率、修復(fù)率、可用度與前三者的故障率、修復(fù)率和可用度相等:
故障率:λ1=λ2=λ3=λ0=0.03713(次/年)
修復(fù)率:μ1=μ2=μ3=μ0=713.35(次/年)
單元接線的可用度為:
as=a1×a2×a3×a0
=0.9999×0.9999×0.9999×0.9999=0.9996
故障率為:λs=λ1+λ2+λ3+λ0=4×0.03713=0.14852
維修率為:μs=λs×as÷(1- as)
=0.14852×0.9996÷(1-0.9996)=371.15
故障頻次:fs=λs×as=0.14852×0.9996=0.14846
平均運行周期為:ts=1/fs=6.73年
7 選用配有并聯(lián)刀閘的高壓變頻器
可靠性的分析計算
為了提高系統(tǒng)的可靠性，通常，在變頻器的兩端并聯(lián)上刀閘。系統(tǒng)圖如圖5所示:
刀閘的可靠性在上述元件中最高，為了方便計算，依然假定其故障率、修復(fù)率、可用度與前者的故障率、修復(fù)率和可用度相等:
故障率:λ=λ1=λ2=λ3=λ0=0.03713(次/年)
修復(fù)率:μ=μ1=μ2=μ3=μ0=713.35(次/年)
刀閘與變頻器并聯(lián)后的可用度為:
ap=1-(1-a)×(1-a0)=1-(1-0.9999)×(1-0.9999)
=0.99999999
單元的可用度為:
as=a1×ap×a2×a3=0.9999×0.99999999×0.9999× 0.9999=0.9997
刀閘與變頻器并聯(lián)后的故障率為:
λp=μp×(1-ap)÷ap
=(713.35+713.35)×(1-0.99999999)÷0.99999999
=0.00001427
單元的故障率為:
λs=λ1+λ2+λ3+λp
=0.03713+0.03713+0.03713+0.00001427=0.11140427
μs=λs×as÷(1- as)
=0.11140427×0.9997÷(1-0.9997)=371.24
fs=λs×as=0.11140427×0.9997=0.11137085
平均運行周期為:ts=1/ fs=8.979年
8 結(jié)論
綜上所述，選用高壓變頻器后，平均運行周期由原來的8.98年降至6.73年，下降2.25年或25.06%。而選用帶有高壓刀閘的變頻器后，平均運行周期由原來的8.98年降至8.979年，下降0.001年。可見，選用帶有高壓刀閘的變頻器，系統(tǒng)的可靠性下降非常小，可以忽略不計。故優(yōu)先推薦選用帶有高壓刀閘的變頻改造。
參考文獻
[1] 電力部電力可靠性管理中心[j].可靠性管理資料匯編，1995.12.
[2] 徐州發(fā)電廠安全簡報匯編[j]. 1999.9-2002.11.
[3] 電力工業(yè)可靠性管理[m]. 電力工業(yè)可靠性管理編輯委員會，1983.
[4] 可靠性工程基礎(chǔ)[m].武漢水利電力大學(xué)出版社，2000.
作者簡介
韓盛林(1966-) 男 工程師 1989年畢業(yè)于成都科技大學(xué)電力系統(tǒng)自動化專業(yè)，現(xiàn)從事電氣設(shè)備的技術(shù)管理工作。
：鞏經(jīng)理
：13915946763
：南京塞姆泵業(yè)有限公司
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