1引言

長(zhǎng)期以來(lái)，無(wú)論是制造廠還是用戶(hù)，單純追求性能的觀點(diǎn)占據(jù)主導(dǎo)地位，“產(chǎn)品性能好則說(shuō)明其質(zhì)量好”，對(duì)整流設(shè)備的效能及壽命周期費(fèi)用不夠重視。實(shí)踐表明，整流設(shè)備在化工行業(yè)、金屬冶煉、金屬加工等行業(yè)應(yīng)用，各項(xiàng)性能指標(biāo)已非主要矛盾。國(guó)產(chǎn)的整流設(shè)備在使用中因電氣元件損壞、印制板虛焊、接插件不牢靠等影響正常運(yùn)行的故障或事故較多，產(chǎn)品故障維修率較高，由于設(shè)備本身設(shè)計(jì)或制造缺陷或元部件質(zhì)量問(wèn)題所導(dǎo)致的事故時(shí)有發(fā)生，設(shè)備的可靠性已成為主要矛盾。因此，開(kāi)展整流設(shè)備可靠性設(shè)計(jì)，在此基礎(chǔ)上評(píng)估可靠性以及分析各種影響可靠性的因素具有重要的工程實(shí)用價(jià)值。

可靠性設(shè)計(jì)是根據(jù)可靠性指標(biāo)預(yù)計(jì)的結(jié)果，在設(shè)計(jì)過(guò)程中選用與系統(tǒng)可靠性匹配的器件及技術(shù)，以達(dá)到滿(mǎn)足產(chǎn)品可靠性的要求，同時(shí)使產(chǎn)品生命周期費(fèi)用最低。常采用的可靠性設(shè)計(jì)技術(shù)包括簡(jiǎn)化設(shè)計(jì)、降額設(shè)計(jì)、冗余設(shè)計(jì)、熱設(shè)計(jì)、電磁兼容設(shè)計(jì)、維修性設(shè)計(jì)、容錯(cuò)設(shè)計(jì)與故障弱化設(shè)計(jì)等，有些還包括軟件的可靠性設(shè)計(jì)。

研究表明，在產(chǎn)品設(shè)計(jì)的初期開(kāi)展可靠性工作，費(fèi)用支出最少^[1]。世界知名的大公司非常重視產(chǎn)品設(shè)計(jì)階段的可靠性分析，他們把對(duì)可靠性的樸素的經(jīng)驗(yàn)性的認(rèn)識(shí)提高到理論高度，其質(zhì)量手冊(cè)中有專(zhuān)門(mén)的可靠性分析章節(jié)，要求對(duì)設(shè)計(jì)方案的每一環(huán)節(jié)都進(jìn)行可靠性分析，并在此基礎(chǔ)上確定最終的技術(shù)路線。

2整流設(shè)備可靠性模型

2.1 整機(jī)可靠性模型

電控類(lèi)設(shè)備一般為可修復(fù)系統(tǒng)，單元壽命服從指數(shù)分布。

一般地，整流設(shè)備可以簡(jiǎn)單地分為控制系統(tǒng)和功率系統(tǒng)兩個(gè)單元。但在大功率整流設(shè)備中，水冷系統(tǒng)的重要性是不言而喻的，在進(jìn)行可靠性分析時(shí)，可將水冷系統(tǒng)單獨(dú)作為一個(gè)單元進(jìn)行分析。因此，整機(jī)可靠性模型如下:

控制單元的可靠性包括硬件可靠性和軟件可靠性。只有當(dāng)軟硬件都正常時(shí)，控制單元才能正常工作，因此，我們可將軟件和硬件看作是一個(gè)串聯(lián)系統(tǒng)，見(jiàn)圖2。

圖2 控制單元軟硬件串聯(lián)模型

控制單元的可靠度：

軟件可靠性同樣是一個(gè)隨機(jī)過(guò)程，可用概率分布來(lái)描述。但軟件可靠性與硬件可靠性的分析有本質(zhì)的不同：首先，硬件失效的根源通常是老化引起的物理變質(zhì)，而軟件缺陷一旦被發(fā)現(xiàn)，通常能夠被永久性修復(fù)；其次，硬件可靠性理論通常依賴(lài)于對(duì)靜態(tài)過(guò)程的分析，軟件由于其復(fù)雜性和人為因素以及操作過(guò)程的影響，使得基于靜態(tài)過(guò)程的理論分析不適于軟件所表現(xiàn)出來(lái)的動(dòng)態(tài)現(xiàn)象^[2]。目前，關(guān)于軟件可靠性的模型有40多種，我們采用對(duì)數(shù)——指數(shù)模型來(lái)研究軟件可靠性^[3],其可靠性指標(biāo)的計(jì)算公式為：

控制單元使用的元器件較多，其硬件組成可以依據(jù)功能劃分為：電源模塊、信號(hào)調(diào)理模塊、數(shù)字IO模塊、調(diào)節(jié)模塊、現(xiàn)場(chǎng)總線模塊、脈沖放大模塊、人機(jī)接口等。其硬件可靠性模型如下：

圖3        控制單元硬件串聯(lián)模型

       控制單元的硬件可靠度：

2.3功率單元可靠性模型

    功率單元包括硅元件、散熱器、脈沖變壓器、過(guò)壓保護(hù)器件等，考慮存在冗余情況，其可靠性模型見(jiàn)圖4所示，我們可視其為k/n系統(tǒng)，即n個(gè)單元中有k個(gè)或k個(gè)以上單元正常時(shí)，系統(tǒng)正常。

其可靠度為：

式中，R_T為每套硅組件的可靠度。

圖4 功率單元可靠性模型（k/n系統(tǒng)）

       若不存在冗余支路，則可靠性模型見(jiàn)圖5所示。這種情況下，其可靠度為：

（n為硅組件數(shù)量）

圖5  功率單元可靠性模型（無(wú)冗余）

2.4 水冷單元可靠性模型

    水冷單元包括水管、純水裝置、水泵、壓力表、水溫表、變頻器（如果有）等，它屬于串聯(lián)模型。我們可用元件計(jì)數(shù)法來(lái)進(jìn)行可靠性預(yù)計(jì)，其失效率為：

3整流設(shè)備可靠性指標(biāo)及分配

    整流設(shè)備所服務(wù)的對(duì)象往往是不間斷生產(chǎn)模式，比如電解鋁行業(yè)和氯堿化工行業(yè)，一次不間斷運(yùn)行的時(shí)間往往可達(dá)半年之久，若按180天計(jì)算，即設(shè)備要連續(xù)運(yùn)行4320小時(shí)。

系統(tǒng)可靠度指標(biāo)Rs取0.9，計(jì)算可得整流設(shè)備的平均無(wú)故障時(shí)間為：

    在確定了設(shè)備的可靠性指標(biāo)后，我們可按照加權(quán)因子分配法將系統(tǒng)的可靠性指標(biāo)分配到設(shè)備的分系統(tǒng)，直到最小單元^[1]。

根據(jù)產(chǎn)品的組成和使用特點(diǎn)，可靠性指標(biāo)分配主要考慮以下問(wèn)題：

• 分系統(tǒng)的重要程度及分系統(tǒng)對(duì)系統(tǒng)失效的影響程度
• 分系統(tǒng)的復(fù)雜程度
• 分系統(tǒng)所處工作環(huán)境對(duì)系統(tǒng)的影響程度
• 維修性因素
• 元器件質(zhì)量因素
• 標(biāo)準(zhǔn)化因素

表1 加權(quán)因子分配法計(jì)算表

可靠性指標(biāo)分配公式為：

式中：θ_j——第j個(gè) 分系統(tǒng)平均無(wú)故障工作時(shí)間；

          θ_s——整機(jī)平均無(wú)故障工作時(shí)間；

          K_ji——第j個(gè)分系統(tǒng)的第i個(gè)加權(quán)因子；

          N——分系統(tǒng)數(shù)量

若要求整機(jī)平均無(wú)故障時(shí)間達(dá)到41000小時(shí)，則各單元分配的可靠性指標(biāo)為：

控制單元： 

功率單元： 

水冷單元： 

4整流設(shè)備可靠性設(shè)計(jì)要點(diǎn)

① 簡(jiǎn)化設(shè)計(jì)

可靠性設(shè)計(jì)的第一準(zhǔn)則是越簡(jiǎn)單越可靠。一臺(tái)大型的整流設(shè)備元件數(shù)量較多，每個(gè)元件都對(duì)設(shè)備的可靠性產(chǎn)生直接影響。以我們所設(shè)計(jì)的控制器為例，第一次的設(shè)計(jì)方案中，元件數(shù)量較多，預(yù)計(jì)的綜合失效率較高。在此基礎(chǔ)上，進(jìn)一步采用高可靠性的大規(guī)模集成電路芯片替代分立元件，減少不必要的A/D支路和I/O支路，并把所有調(diào)節(jié)功能軟件化，大大的簡(jiǎn)化了硬件電路的設(shè)計(jì)和組件單元間的串聯(lián)關(guān)系，有效的提高了控制單元的可靠性。相關(guān)數(shù)據(jù)見(jiàn)表二。

表二   兩種設(shè)計(jì)方案對(duì)比

② 冗余設(shè)計(jì)

    冗余設(shè)計(jì)是用一臺(tái)或多臺(tái)相同單元（系統(tǒng)）構(gòu)成并聯(lián)形式，當(dāng)其中一臺(tái)發(fā)生故障時(shí)，其它單元仍能使系統(tǒng)正常工作的設(shè)計(jì)技術(shù)。冗余按特點(diǎn)分為熱冗余儲(chǔ)備和冷冗余儲(chǔ)備；按冗余程度分，有兩重冗余、三重冗余、多重冗余；按冗余范圍分，有元器件冗余、部件冗余、子系統(tǒng)冗余和系統(tǒng)冗余。

在整流設(shè)備的控制單元中，若單通道控制器不能滿(mǎn)足系統(tǒng)可靠性要求，控制單元中重要的功能組件可采用冗余設(shè)計(jì)方案，如測(cè)量單元、調(diào)節(jié)單元、電源系統(tǒng)等?？刂茊卧娜哂嗄Ｐ鸵?jiàn)圖6所示。

圖6 控制單元的冗余模型

    需要指出的是，冗余設(shè)計(jì)增加了任務(wù)可靠性，但降低了基本可靠性。以現(xiàn)有的設(shè)計(jì)技術(shù)、計(jì)算機(jī)軟硬件技術(shù)和微電子技術(shù)，數(shù)字調(diào)節(jié)器單通道已能滿(mǎn)足設(shè)備可靠性要求。單通道可靠性越高，并聯(lián)冗余的效果越不明顯。

③電磁兼容性設(shè)計(jì)

    電磁兼容性是指設(shè)備在電磁環(huán)境中正常工作的能力。電磁干擾不僅影響設(shè)備的正常工作，甚至造成設(shè)備中的某些元器件損害。因此，對(duì)電磁兼容技術(shù)要給予充分的重視。電磁兼容性設(shè)計(jì)主要包括以下各項(xiàng)：

1）抑制騷擾源

——限制騷擾源的電壓、電流變化率；
——限制騷擾源的電壓、電流幅?；
——限制騷擾源的頻率；
——直流電源的去耦；
——交流電源變壓器的電磁屏蔽；
——對(duì)感性負(fù)載的騷擾源采取相應(yīng)措施；
——采用獨(dú)立電源。

2）切斷干擾的耦合通道

——完整的電磁屏蔽以切斷空間干擾的耦合通道；
——合適頻譜的濾波以切斷線路傳導(dǎo)干擾的耦合通道；
——適當(dāng)?shù)慕拥匾越档偷鼐€干擾的耦合通道；
——采用適當(dāng)?shù)膶?dǎo)線以傳輸不同性質(zhì)的信號(hào)；
——注意元器件的布局，以降低干擾耦合；
——應(yīng)用布線技術(shù)，以降低干擾耦合；
——采用電磁、光電、機(jī)械等隔離技術(shù)，切斷干擾的耦合通道。

3）提高敏感電路的抗干擾能力

——選用具有高抗干擾能力的元器件；
——采用完整的電磁屏蔽；
——采用合適的濾波技術(shù)；
——限制電路的帶寬；
——采用合理的去耦措施；
——采用合理的接地。

4）電磁兼容性試驗(yàn)驗(yàn)證

電磁兼容性試驗(yàn)驗(yàn)證可以參照相應(yīng)的國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行。

④降額設(shè)計(jì)

元器件在使用或貯存過(guò)程中，總存在著某種比較緩慢的物理化學(xué)變化。這種變化發(fā)展到一定程度時(shí)，會(huì)使元器件的特性退化、功能喪失，即失效了。而這種變化的快慢，與溫度和施加在元器件上的應(yīng)力大小直接相關(guān)。為此，應(yīng)當(dāng)對(duì)元器件實(shí)行降額設(shè)計(jì)。

圖7是晶閘管基本失效率曲線^[4]。由圖可見(jiàn)，晶閘管失效率隨著電壓應(yīng)力比的降低而減小，隨著溫度的升高而增大。一般情況下，我們?nèi)‰妷簯?yīng)力比S=0.4，若管殼溫度為60℃，其失效率為6×10^-7。

圖7 晶閘管基本失效率曲線

⑤ 熱設(shè)計(jì)

晶閘管的熱設(shè)計(jì)基于其額定工作電流、過(guò)負(fù)荷電流和暫態(tài)故障電流，目前晶閘管實(shí)際的制造水平是：導(dǎo)致永久性損壞的極限結(jié)溫為300~400℃，承受最嚴(yán)重故障電流下的最高短時(shí)允許結(jié)溫為190~250℃。研究表明：溫度每提高10℃，元器件失效率提高1倍，這就是有名的“10℃法則”。因此，一般推薦晶閘管正常工作范圍的允許結(jié)溫為125℃。需要指出的是，元件均流系數(shù)應(yīng)作為熱設(shè)計(jì)的主要輸入條件之一。

5結(jié)束語(yǔ)

對(duì)整流設(shè)備的可靠性進(jìn)行了探討，給出了分析整流設(shè)備可靠性的基本模型和可靠性指標(biāo)以及指標(biāo)分配的基本方法,簡(jiǎn)述了提高設(shè)備可靠性的設(shè)計(jì)要點(diǎn)。整流設(shè)備的可靠性是設(shè)計(jì)出來(lái)的、生產(chǎn)出來(lái)的，可靠性設(shè)計(jì)必須與功能設(shè)計(jì)同步進(jìn)行，因此，設(shè)計(jì)人員必須明確可靠性設(shè)計(jì)的目的并掌握可靠性設(shè)計(jì)的方法?？煽啃远炕顒?dòng)應(yīng)當(dāng)貫穿于產(chǎn)品研制的全過(guò)程，包括可靠性分析、預(yù)計(jì)、論證、指標(biāo)的確定和分配、設(shè)計(jì)、制造、調(diào)試檢測(cè)和維護(hù)使用等。在設(shè)計(jì)中，必須貫徹和執(zhí)行可靠性設(shè)計(jì)的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)和規(guī)范、產(chǎn)品可靠性要求事項(xiàng)、可靠性工作計(jì)劃和可靠性審查程序等管理措施。

應(yīng)強(qiáng)調(diào)的是，任何產(chǎn)品初期的可靠性不可能達(dá)到預(yù)期的水平，都需要一個(gè)經(jīng)過(guò)不斷地采取各種糾正措施的增長(zhǎng)過(guò)程?？煽啃栽鲩L(zhǎng)應(yīng)當(dāng)把握以下3個(gè)主要因素：產(chǎn)品的信息反饋，特別應(yīng)該重視用戶(hù)的意見(jiàn)；產(chǎn)品可靠性故障的檢測(cè)與分析；采取相應(yīng)的糾正措施并進(jìn)行試驗(yàn)驗(yàn)證。