某中壓變頻器系統可靠性模型及預計案例分析

余建宏

（維諦技術（西安）有限公司，西安 710075）

引言

隨著國內工業經濟的快速發展，為了響應國家節能減排的戰略，工業節能正成為產業發展的核心之一，而中壓變頻器可以大大提高電機轉速的控制精度，使電機在最節能的轉速下運行。作為節能應用與速度工藝控制中越來越重要的自動化設備，中壓變頻器在工業領域越來越受到青睞，廣泛應用于電力、石化、冶金、礦山、水泥、市政等領域。隨著用戶需求的多樣化以及為應對來自不同應用領域的挑戰， 除了具備出色的控制性能能夠達到節能降耗的目的，對于產品系統的穩定性、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轉速的一種控制裝置，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準對電壓等級的劃分，對供電電壓≥10 kV時稱高壓，1～10 kV時稱中壓，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，控制柜是整個變頻器的控制系統。

2 某中壓變頻器系統介紹

某中壓變頻器主要由移相變壓器、24個功率單元模塊（每組3個模塊共8組）及控制系統組成。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任一個功率單元模塊出現故障，系統停止輸出。為了提供系統的可靠性和可用性，帶模塊旁路功能是指在每一個功率單元模塊上增加了旁路功能電路。即當某個功率單元出現故障時，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行。帶模塊旁路功能的系統只要任一組模塊中至少一個出現故障，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。

為了進一步提高系統的可靠性和可用性，可以進行該變頻器冗余并聯方式，選擇兩臺變頻器系統1+1并機冗余方案如圖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故障均可自動退出，另一臺變頻器繼續降額帶載運行，不影響并機系統的任務可靠性。下面通過分析建立不帶模塊旁路系統和帶模塊旁路系統、以及兩種系統的1+1并機方案的可靠性模型，再分別計算系統的可靠性和可用性。

圖1 某中壓變頻器原理圖

圖2 變頻器系統1+1并機冗余方案

3 可靠性模型及預計分析

3.1 可靠性預計方法

可以采用Relex軟件進行計算，根據Telcordia SR-332中計數法開展[3]，模塊或單元的平均失效率計算公式如下。

式中：

λunit—模塊或單元的失效率；

πE—模塊或單元的環境因子，地面固定受控應用環境，環境因子選擇1；

Ni—模塊或單元中第i個器件的數量；

λGi—第i個器件的基本失效率；

πQi—為第i個器件的質量因子，質量因子根據器件選型規定為0.8；

πSi—第i個器件的電應力因子，計數法中電應力因子規定為1；

πTi—第i個器件的溫度因子，計數法中溫度因子規定為1。

根據上述公式可以計算出單個模塊或單元的失效率，再依據系統的可靠性框圖，識別出對應的可靠性模型，從而計算出對應的失效率λ。假設系統的失效率服從指數分布時，系統的平均故障間隔時間MTBF等于失效率λ的倒數。

3.2 不帶模塊旁路系統可靠性模型及預計

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

利用Relex軟件計算單個變壓器柜和控制的失效率，以及單個功率單元和整個功率的失效率。再建立系統的的可靠性框圖，即任一模塊失效則整機失效，整個系統是串聯模型。系統的壽命服從指數分布時，系統的失效率為串聯系統中所有器件的失效率之和，從而得到系統的MTBF。

根據上述公式利用Relex軟件計算不帶模塊旁路系統的可靠性框圖及計算結果如圖4，得到的可靠性預計結果見表1。

不帶模塊旁路系統進行1+1并機冗余的解決方案，即2個變頻器系統組成1+1熱冗余工作系統，任一整機失效則自動退出，另一整機繼續輸出，系統不算失效。整個并機系統為串聯加并聯模型[5]，可靠性模型如圖5。

整個系統的單機為串聯模型，并機為并聯模型。當系統的壽命服從指數分布時，對于常見的兩個單元并聯系統有：

圖3 不帶模塊旁路系統可靠性模型

圖4 不帶模塊旁路系統的可靠性框圖及計算結果

表1 不帶模塊旁路系統的可靠性預計結果

圖5 不帶模塊旁路1+1并機系統可靠性模型

圖6 不帶模塊旁路1+1并機系統的可靠性框圖及計算結果

若并聯系統中的兩個單元失效率相同，則有：

根據上述公式利用Relex軟件計算不帶模塊旁路1+1并機系統的可靠性框圖及計算結果見圖6，得到的可靠性預計結果見表2。

3.3 帶模塊旁路系統可靠性模型及預計

帶模塊旁路功能的系統也由變壓器柜、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送板來實現。在功率柜中只要任一組模塊中至少一個模塊出現故障，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和旁聯組合模型[5]，可靠性模型如圖7。

但是系統中的八組模塊最多允許兩組功率單元故障后切旁路。對于單個功率柜來說，八組模塊最多允許兩組模塊在旁路狀態，即屬于表決模型（8中取6）的可靠性模型，此時兩組模塊工作在旁路狀態時，僅有6個旁路部分處在工作狀態，而這6個旁路部分內部為串聯模型，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模型，整個功率柜既有串聯模型、又有表決模型、還有旁聯模型[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并機系統的可靠性預計結果

圖7 帶模塊旁路系統可靠性模型

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。假設表決器的可靠度為1，此時表決模型的平均故障間隔時間MTBF有：

功率柜中的6個旁路部分內部為串聯模型，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模型。旁聯模型為冷貯備或者非工作貯備系統。假設檢測和裝換裝置的可靠度為1，當系統單元的壽命服從指數分布時，則旁聯系統的MTBF等于各部分MTBF之和。

根據上述公式利用Relex軟件計算帶模塊旁路功能系統的可靠性框圖及計算結果如圖9。

帶模塊旁路系統再按照1+1并機解決方案，即2個系統組成1+1熱冗余工作系統，任一整機失效則自動退出，另一整機繼續輸出，系統不算失效。整個并機系統為串聯、旁聯、表決模型（n中取r）加并聯的復雜模型[5]。利用Relex軟件計算帶模塊旁路系統1+1并機的可靠性框圖及計算結果如圖10，得到的可靠性預計結果如表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的可靠性框圖及計算結果

圖10 帶模塊旁路系統1+1并機的可靠性框圖及計算結果

3.4 系統可靠性與可用性計算結果

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

MTTR為系統的平均修復時間，假設該變頻器系統的MTTR=3 h，則各種系統配置的變頻器系統可靠性與可用性計算結果見表4。

表3 帶模塊旁路系統的可靠性預計結果

4 總結

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

表4 系統可靠性與可用性計算結果