第10章电力电子系统可靠性概述

教案编写：肖强晖廖无限授课教师：肖强晖电气工程系电气工程教研室现代电力电子技术ModernPowerElectronics第10章电力电子系统可靠性概述重点和难点1、掌握可靠性的基本概念2、了解常用的可靠性指标3、了解电磁兼容性的特点第10章电力电子系统可靠性概述10.1可靠性的基本概念10.2常用的可靠性指标10.3电磁兼容性概述10.1可靠性的基本概念元件、装置及系统的可靠性是电力电子工程技术人员、生产厂家及用户都极为关心的一个重要问题。对于重要用户,例如计算机网络中心、控制中心及银行结算中心等，装置或系统的可靠性指标是首先需要考虑的问题。对于一个元件、一台装置或一个系统，我们不仅要求它能满足实际需要的技术指标，而且还要求它能够长期稳定地工作。通常，在电力电子装置或系统中并存着强弱电信号和高低压环节，同时它还受到来自电网的电磁干扰的威胁，因此装置或系统的可靠性和电磁兼容性问题就显得尤为突出。10.1可靠性的基本概念元件或系统的可靠性定义:元件或系统在规定的条件下和规定的时间内，完成规定功能的能力。对于电力电子装置或系统来说，其规定条件指的是环境温度和湿度，海拔高度，电磁环境，电网状况，储存条件及其它要求等。显然，如果这些条件改变了，则其可靠性也随之改变，即可靠性与规定条件是密切相关的。同时，可靠性与技术指标是分不开的，并且随时间的推移而变化。10.1可靠性的基本概念当元件、装置或系统不能完成规定的功能时，则称之为失效。为了描述一个元件、装置或系统的可靠程度，必须引入数量化的指标——可靠性指标。第10章电力电子系统可靠性概述10.1可靠性的基本概念10.2常用的可靠性指标10.3电磁兼容性概述10.2常用的可靠性指标常用的可靠性指标有可靠度、失效率和平均无故障时间等。1.可靠度可靠度定义为元件或系统在规定时间内和规定的使用条件下，正常工作的概率。它是时间t的函数，记作，也可称之为可靠度函数。若以T表示元件或系统的寿命，则事件（Tt）表示元件或系统在[0，t]时间内能正常工作，则可靠度函数为（10-1）10.2常用的可靠性指标若已知元件或系统的寿命T的概率密度函数，那么对于给定的t，则有（10-2）图10-1R(t)和f(t)的图形可靠度函数和概率密度的图形见图10-1。图中说明，随着时间的推移，T大于t的可能性不断降低。通常元件或系统寿命的概率分布无法事先知道，所以值的计算是通过寿命试验得到的。10.2常用的可靠性指标2.失效率⑴定义元件或系统的失效率定义为在t时刻以前一直正常工作的条件下，在t时刻以后单位时间内失效的概率，记作，表示为其中，是时间的函数。如果T服从指数分布，则为常数。10.2常用的可靠性指标⑵与f(t)、R(t)的关系根据上述定义，可得到（10-4）失效率又称危险率或风险率，失效率的常用单位是10-9/h，记作1非特。国外生产的电力半导体器件的失效率在100非特以下。显然，失效率越低，可靠性越高。（10-5）（10-6）10.2常用的可靠性指标⑶失效类型和浴盆曲线失效率分为三种类型，反映了不同的特点和失效原因。①早期失效型（DFR）：这种失效类型的特点是开始时失效率高，随着时间的推移逐步减小，如图10-2所示。造成这种失效的主要原因是设计和制造上的缺陷；管理不当；检验疏忽等。图10-2早期失效曲线10.2常用的可靠性指标②偶然失效型（CFR）：这种失效的特点是，失效率与时间无关，为一个常数，如图10-3所示。这是在使用过程中因某种不可预测的随机因素产生的，例如电力电子系统突然遇到不可预测的外界强干扰而出现停机或跳闸现象，其发生时刻是随机出现的。图10-3偶然失效曲线10.2常用的可靠性指标③耗损失效型（IFR）：这种失效的特点是，失效率随着时间的推移而增大，如图10-4所示。元件的老化、疲劳、磨损等是造成这种失效的主要原因。在电力电子系统运行过程中，由于电力半导体器件的结面温度过高就会出现这种失效。图10-4耗损失效曲线10.2常用的可靠性指标④浴盆曲线：在实际中，电力电子装置或系统的失效曲线是形似浴盆的曲线，称为浴盆曲线，如图10-5所示。图10-5浴盆曲线10.2常用的可靠性指标④浴盆曲线：装置或系统在使用初期表现为早期失效型，这一点可以通过产品在出厂前进行动态或静态老化试验来让其渡过早期失效期。之后，装置或系统进入到偶然失效期，这是装置或系统的最佳工作时期。一般希望这段时间的失效率尽可能的小，运行时间尽可能的长。运行后期就必然进入耗损失效期。对于像电力电子系统这样可维护的装置，如果在耗损失效期的开始就对之进行事先维护与维修，就能降低耗损失效率。例如，对电力电子系统定期进行设备维护，定期更换散热用的风扇（其寿命约3～5年）、电力电解电容器（其寿命4～8年左右）以及及时更换报废的蓄电池等，均可以降低其失效率。10.2常用的可靠性指标3.平均无故障时间（MTBF）作为可修复的电力电子装置或系统的寿命T不是一个确定值，而是一个连续型随机变量。随机变量T的数学期望就是电力电子装置或系统的平均无故障时间（MeanTimeBetweenFailure——MTBF），即（10-7）其中，f(t)为寿命T的概率密度函数。式（10-7）可变为（10-8）10.2常用的可靠性指标目前，在电力电子装置中，不间断电源（UPS）的平均无故障时间可达到10万～24万小时左右，功率越大，可靠性越高；而通用变频器则只有1万小时数量级。第10章电力电子系统可靠性概述10.1可靠性的基本概念10.2常用的可靠性指标10.3电磁兼容性概述10.3电磁兼容性概述长期以来，电磁兼容性EMC（ElectromagneticCompatibility）设计问题在一般工业部门并没有引起足够的重视，在电力电子技术领域也不例外。不少设计工程师曾误认为EMC问题主要是军事、通信及有关部门的事情，而事实证明并非如此。随着各种电力电子装置或系统在家庭、工业、交通、国防等领域日益广泛的应用，电磁干扰EMI（ElectromagneticInterference）和电磁敏感度EMS（ElectromagneticSusceptibility）问题已经迅速地扩展到与电子技术应用相关的工业及民用的各个领域，已成为现代电力与电子工程设计及研究人员必须认真考虑的问题。10.3电磁兼容性概述随着电力电子装置本身功率容量和功率密度的不断增大以及工作频率的不断提高，供电系统中发电、输配电设备、电气传动装置、感应炉、电弧炉等大功率电力电子装置以及大量使用的电子镇流器和高频开关电源均可成为重要的干扰源，由此产生的传导和辐射干扰不仅会使电网电压波形畸变，使电网本身及装置周围的电磁环境遭受污染，而且还会在供电回路中产生过电压和大的谐波电流，导致供电电网中的设备性能变坏，甚至发生严重故障。所以，EMI已经成为许多电气与电子设备能否在应用现场正常可靠运行的主要障碍之一。10.3电磁兼容性概述有鉴于此，世界各国对电气设备的电磁兼容性EMC均制定了相应的标准，其中最有名的是欧洲经济共同体于1989年颁布的《欧共体成员国关于电磁兼容法律性指令》。该指令明确规定，从1996年1月1日起，所有投放欧洲市场的电气、电子产品均需按照指令的要求进行电磁兼容认证。欧洲电磁兼容指令也同样适用于电力电子装置或系统。现在可以说，没有经过电磁兼容认证的电力电子及机电产品、家用电器设备已经很难参与国内外激烈的市场竞争。10.3电磁兼容性概述电磁兼容性（EMC）包括两方面的含义：①电气、电子设备能够在它自己所产生的电磁环境以及它所处的复杂的外界电磁环境中按照原设计要求正常地工作，即它具有一定的电磁敏感度，以保证它对电磁干扰具有一定的抗扰度；②该设备或系统自己产生的电磁干扰必须限制在一定的水平，从而不致对它周围的电磁环境造成严重的污染和影响周围其它设备或系统的正常工作。10.3电磁兼容性概述就基本理论而言，电力电子系统中的电磁兼容问题与通信中的电磁兼容问题没有什么原则上的区别。但是，电力电子系统中的电磁兼容问题具有其固有的特点：⑴在EMI方面，电力电子系统中的电磁噪声对周围电磁环境所造成的电磁污染和电磁干扰要比通信系统严重得多。①与通信系统相比，虽然电力电子系统的工作频率不高，但是其工作电压高、电流和功率都较大，因此系统在开关器件的开关过程中会产生强大的瞬态噪声电压或瞬态噪声电流，成为强的电磁噪声源，它造成的干扰主要表现为近场辐射和传导性EMI；②电力电子系统中的非线性功率变换电路通常还会导致很大的谐波电流和谐波电压，造成谐波干扰，它不仅会污染电网，而且还可能危害设备和系统的运行安全。10.3电磁兼容性概述⑵在EMS方面，与通信系统相比，电力电子系统中的抗干扰问题要复杂得多。①噪声强度大（高达数十千伏每微秒，高达数千安每微秒）、频率较低（低至几赫兹）、干扰频谱较宽（到数十兆赫兹），而且常与有用信号频率混杂在一起，所以采用一般的滤波方法难以奏效；②强电与弱电电路或部件之间以及不同装置之间的干扰耦合常属于传导耦合和近场辐射耦合，加之电力电子装置的体积通常较为庞大、干扰频率较低，采用一般常用的屏蔽措施也存在诸多困难。10.3电磁兼容性概述在EMC测量方面，由于电力电子系统体积庞大、功率容量高，无论进行EMI或EMS测量，都存在很多实际困难。近年来，与EMC有关的电力电子技术领域本身的工作，例如软开关技术、功率因数校正技术、谐波抑制技术等，已经取得了新的进展和举世瞩目的成就。目前，在电力电子产品中常用的国际电磁兼容标准如表10-1所示。10.3电磁兼容性概述表10-1在电力电子产品中常用的电磁兼容标准标准标准号1安全规范标准EN609502传导、辐射干扰EN55022A3静电放电EN61000-4-2Level34辐射电磁场EN61000-4-3Level25脉冲群EN61000-4-4Level26冲击EN61000-4-5Level37对射频场感应的传导干扰EN61000-4-6Level28工频磁场EN61000-4-8Level29电压暂降、短时中断和电压变化EN61000-4-1110电压波动和闪变EN61000-3-3作业1、试说明可靠性的概念。2、试说明常用的可靠性指标有哪几个？各代表什么含义？3、试说明电磁兼容的含义。4、试说明在电力电子系统中的电磁兼容具有什么固有的特点？