励磁调节器的可靠分配与设计.doc

励磁调节器的可靠性分配与设计 摘要：介绍励磁调节器的可靠性设计。通过讨论励磁调节器的可靠性要求、可靠性分配与设计，给出提高励磁系统可靠性的定量设计、分析方法。关键词：可靠性 可靠性分配 可靠性设计 励磁调节器现代科学技术的飞速发展及用户需求的不断提高，促使各行业的产品都逐步向多功能，智能化，复杂化方向发展。一个系统往往由多个子系统组成，各子系统相互依赖、相互制约，任何一个子系统发生故障均有可能导致整个系统的崩溃。这种趋势在电力系统中表现得尤为明显，随着电站装机容量的不断提升，以计算机为代表的高科技设备大规模装备电站，往往使一套设备或系统的复杂程度就超过了以往整个电站电气设备的总和，以励磁系统为例，随着交流采样技术、计算机调节技术、现场总线技术、智能检测技术等一系列高科技技术的应用，使得励磁系统达到了前所未有的智能化程度。然而智能化水平的提高却并不意味着产品可靠性的增长。一个好的产品不仅要求具有良好的性能，而且要求产品具有“高可靠、长寿命、便于维修”等特性。因此，在提高产品智能化水平的同时，如何提高产品的可靠性就成为关注的焦点。本文基于可靠性设计的原理，讨论了励磁调节器的可靠性分配与设计。一、 励磁系统的可靠性要求 产品的可靠性是指产品在规定条件和规定的时间内完成规定功能的能力，所谓规定条件是指产品所处的环境条件、负荷条件及工作方式；规定时间是产品的工作时间，对于不同的产品和系统，工作时间有不同的要求；规定功能是产品能完成规定的操作。衡量产品的可靠性，其指标包括：可靠度、不可靠度、概率密度函数、失效率、平均无故障时间、平均维修时间、可用性等。其中最重要的指标就是平均无故障时间。 根据长期的工作实践发现，励磁系统的失效率分布基本服从指数分布，其可靠性指标可表示为：可靠度： R(t) = e-t 可靠度函数R(t)的曲线如图1所示： 不可靠度： F(t) = 1- e-t失效率： (t)= （常数）平均无故障时间： MTBF = 失效密度函数： f(t) =e-t平均维修时间： MTTR=MT/n 可用度： A= （式中：MDT平均延误时间）可靠寿命Tr是给定产品的可靠度r值时所对应的工作时间： R (t=Tr)= e-Tr = r Tr = -r 根据励磁系统在电站的使用要求，特别是大型火电机组一次不间断运行的时间往往可达半年，按180天计算，即4320小时。根据可靠性要求，励磁系统运行4320小时其可靠度应达0.9，计算可得励磁系统的平均无故障时间要求为： MTBF =-Tr/r=- = 41002h 为留足够余量，励磁调节器的平均无故障时间（MTBF）往往按5万小时计算。二、 励磁调节器的可靠性分配产品的可靠性分配是指按产品总体可靠性的要求，把可靠性指标合理的分配到每个子系统，特别是对平均无故障时间的分配。以某型励磁调节器为例，该系统是一个由测量、调节、通讯等多个分系统组成的复杂系统，为达到平均无故障时间（MTBF）5万小时的要求，需对各分系统进行可靠性分配。根据系统可靠性结构模型，该型励磁调节器具体可分为：测量单元、励磁调节单元、脉冲产生/放大单元、通讯单元、供电单元共5大单元，其可靠性框图如下： 该系统为混合结构，即系统中既有串联模式，也有并联模式，对其进行可靠度分解计算： 计算分系统R1、R2、R3的串联可靠度R1-3，得 R1-3=R1R2R3 计算分系统R4、R5、R6的串联可靠度R4-6，得： R4-6= R4R5R6 计算R1-3 、R4-6 两个分系统并联的可靠度：R1-6 = 1-（1 - R1-3 ）（1- R4-6 ）= R1-3 + R4-6 - R1-3R4-6 计算R8 、R9 两个分系统并联的可靠度： R8-9 = 1-（1 R8 ）（1- R9 ）= R8 + R9 R8R9 整个系统的可靠度RS由R1-6、R7 、R8-9 串联计算可得： RS = R1-6R7R8-9=（R1-3 + R4-6 - R1-3R4-6）R7（R8 + R9 R8R9）根据励磁调节器平均无故障时间5万小时的可靠性要求，按以上对系统可靠性结构模型的分析，把可靠性指标分配到每一个分系统。在系统可靠性分配时使用加权因子分配法，根据产品的使用特性，可靠性分配主要考虑以下问题 ： 分系统的重要程度及分系统对系统失效的影响程度； 分系统的复杂程度； 分系统所处工作环境对系统的影响程度； 维修性因素； 元器件质量因素 标准化因素1、考虑到该系统为混合型结构模式，先对R1-6、R7、R8-9三个串联分系统进行可靠性分配： 分系统j 因子i Kji R1-6R7R8-9复杂因子211重要因子10.71环境因子111标准化因子21.21维修因子0.711元器件质量因子1.81.515.041.2617.3 按加权因子分配法公式计算：R1-6： MTBF1-6 =7.3 / 5.04 * 50000=72420hR7： MTBF7 =7.3 / 1.26 * 50000=289682hR8-9： MTBF8-9 =7.3/ 1 * 50000=365000h 2、 R1-3与R4-6的可靠性分配： R1-6单元由R1-3与R4-6两个单元并联组成，R1-3与R4-6为结构完全相同的冗余关系，所以 R1-3=R4-6，得： R1-6 = 2R1-3 - R1-32 由： R1-6 =e-1t ； R1-3=e-2t ； 1 =1.3810-5得： 2101 1.3810-4 所以：MTBF1-3= MTBF4-6 =7246h 3、 R1、R2、R3串联及R4、R5、R6串联的可靠性分配： 因为 R1-3 由R1、R2、R3串联组成，R4-6由R4、R5、R6串联组成，对其进行可靠性分配： 分系统j 因子i Kji R1R2R3复杂因子1201重要因子111环境因子111标准化因子131维修因子10.51元器件质量因子10.71121124 计算各单元分配的可靠性指标：R1： MTBF1 =24 / 1 * 7246=173904hR2： MTBF2 =24 / 21 * 7246=8281hR3： MTBF3 =24 / 1 * 7246=173904h 同理： R4： MTBF4 =24 / 1 * 7246=173904hR5： MTBF5 =24 / 21 * 7246=8281hR6： MTBF6 =24 / 1 * 7246=173904h 4、 R8与R9的可靠性分配：R8与R9为并联冗余结构，参照R1-3与R4-6可靠性分配方法可得： 8-9 = 1/ MTBF8-9 = 2.7410-68=9108-9 2.7410-5 所以： MTBF9 = MTBF10 = 36496 h 通过以上计算，可得出为满足产品可靠性要求各分系统的平均无故障时间。三、 励磁调节器的可靠性设计可靠性设计是根据可靠度计算的结果，在设计过程中选用与系统可靠性匹配的器件及技术，以达到满足产品可靠性的要求。以广州电器科学研究院设计的EXC9000型励磁调节器为例，在设计过程中采用了大量提高产品可靠性的设计方法及设计理念： 简化设计 励磁调节器的设计大量采用高可靠性的大规模集成电路芯片替代分立元件，并把所有调节功能软件化及功能模块标准化，大大的简化了硬件电路的设计和组件单元间的串联关系，有效的提高了系统整体的可靠性和可用性； 冗余设计系统中重要的功能组件均采用冗余设计方案，如测量单元、调节单元、电源系统等，对提高系统的可靠性起到了关键作用； 电磁兼容性设计采用滤波、屏蔽、软件容错等多项电磁兼容性设计方法，有效的提高了电磁抗扰度。根据可靠性指标分配的结果，以下是 EXC9000型调节器在各具体功能单元设计过程中的可靠性设计方案：1、 测量单元系统中R1、R4为测量单元，根据可靠性分配指标MTBF1 = MTBF4 =173904h。每个单元共使用10个电量隔离传感器，所选用的电量隔离传感器的平均无故障时间达4106 小时，10个隔离传感器为串联结构的可靠性模型，其各项可靠性分配因子均处于相同水平，分配到每个传感器平均无故障时间为：MTBFc = 17390410 = 1.73904106MTBFc 小于传感器4106 小时的固有可靠性指标。2、 励磁调节单元 R2、R5为励磁调节单元，其可靠性分配指标MTBF2 = MTBF5=8281h，该单元使用的核心器件为APCI工业控制计算机，经测试，其平均无故障时间为10000小时，高于系统分配的8281h，满足设计要求。3、 脉冲发生单元R3、R6为脉冲发生单元，其可靠性分配指标MTBF2 = MTBF5=173904h，脉冲发生单元使用的核心器件为89C51单片机，其失效率等级为6级，即平均无故障时间达100万小时，远高于系统分配的173904小时的可靠性指标。4、 通讯单元R7 为通讯单元，系统分配给该单元的可靠性分配指标MTBF7 =289682小时，通讯单元使用的核心器件为C8051F040型单片机，其平均无故障时间为3.2107万小时，整个系统共有4个通讯结点，每个结点在通讯单元中所占的可靠性比重均处于相同水平，按加权因子分配法对各结点进行可靠性分配，每个结点所要求的平均无故障时间为1.16106小时，低于器件本身固有的可靠性指标，达到设计要求。5、 电源单元为提高系统可靠性，在电源单元的设计中使用了冗余设计，系统的电源单元由R8、R9两并联单元组成，每个单元分配的可靠性指标为MTBF8 = 36496小时，目前使用的电源系统平均无故障时间为2.7106小时，高于系统要求。6、 其他在系统的各单元设计及整个系统的组成中，还选用部分电阻、电容及连接件，选用这部分器件的失效率等级基本在六级以上，即平均无故障时间达100万小时，并通过冗余设计，降额使用等方法提高其可靠性，使该部分器件