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1、电力电子系统可靠性概述本讲稿第一页，共二十九页现代电力电子技术现代电力电子技术Modern Power Electronics第10章电力电子系统可靠性概述本讲稿第二页，共二十九页重点和难点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本讲稿第三页，共二十九页第10章 电力电子系统可靠性概述10.1 10.1 可靠性的基本概念可靠性的基本概念10.2 10.2 常用的可靠性指标常用的可靠性指标10.3 10.3 电磁兼容性概述电磁兼容性概述 本讲稿第四页，共二十九页10.1 10.1 可靠性的基本概念可靠性的基本概念 元元件件、装装置置及及系系统统的的可可靠靠性性是是
2、电电力力电电子子工工程程技技术术人人员员、生生产产厂厂家家及及用用户户都都极极为为关关心心的的一一个个重重要要问问题题。对对于于重重要要用用户户,例例如如计计算算机机网网络络中中心心、控控制制中中心心及及银银行行结结算算中中心心等等，装装置置或或系系统统的的可可靠靠性性指指标标是是首首先先需需要要考考虑虑的的问问题题。对对于于一一个个元元件件、一一台台装装置置或或一一个个系系统统，我我们们不不仅仅要要求求它它能能满满足足实实际际需需要要的的技技术术指指标标，而而且且还还要要求求它它能能够够长长期期稳稳定定地地工工作作。通通常常，在在电电力力电电子子装装置置或或系系统统中中并并存存着着强强弱弱电
3、电信信号号和和高高低低压压环环节节，同同时时它它还还受受到到来来自自电电网网的的电电磁磁干干扰扰的的威威胁胁，因因此此装装置置或或系系统统的的可可靠靠性性和和电电磁磁兼兼容容性性问题就显得尤为突出。问题就显得尤为突出。本讲稿第五页，共二十九页10.1 10.1 可靠性的基本概念可靠性的基本概念元件或系统的可靠性定义元件或系统的可靠性定义:元元件件或或系系统统在在规规定定的的条条件件下下和和规规定定的的时时间间内内，完完成成规规定定功功能能的的能力。能力。对对于于电电力力电电子子装装置置或或系系统统来来说说，其其规规定定条条件件指指的的是是环环境境温温度度和和湿湿度度，海海拔拔高高度度，电电磁磁
4、环环境境，电电网网状状况况，储储存存条条件件及及其其它它要要求求等等。显显然然，如如果果这这些些条条件件改改变变了了，则则其其可可靠靠性性也也随随之之改改变变，即即可可靠靠性性与与规规定定条条件件是是密密切切相相关关的的。同同时时，可可靠靠性性与与技技术术指指标标是是分分不不开开的的，并并且且随随时时间的推移而变化。间的推移而变化。本讲稿第六页，共二十九页10.1 10.1 可靠性的基本概念可靠性的基本概念 当当元元件件、装装置置或或系系统统不不能能完完成成规规定定的的功功能能时时，则则称称之之为为失失效。效。为为了了描描述述一一个个元元件件、装装置置或或系系统统的的可可靠靠程程度度，必必须须
5、引引入数量化的指标入数量化的指标可靠性指标。可靠性指标。本讲稿第七页，共二十九页第10章 电力电子系统可靠性概述10.1 10.1 可靠性的基本概念可靠性的基本概念10.2 10.2 常用的可靠性指标常用的可靠性指标10.3 10.3 电磁兼容性概述电磁兼容性概述 本讲稿第八页，共二十九页10.2 10.2 常用的可靠性指标常用的可靠性指标 常常用用的的可可靠靠性性指指标标有有可可靠靠度度、失失效效率率和和平平均均无无故故障障时时间间等。等。1.1.可靠度可靠度 可可靠靠度度定定义义为为元元件件或或系系统统在在规规定定时时间间内内和和规规定定的的使使用用条条件件下下，正正常常工工作作的的概概率
6、率。它它是是时时间间t t的的函函数数，记记作作，也也可可称称之之为为可可靠靠度度函函数数。若若以以T T表表示示元元件件或或系系统统的的寿寿命命，则则事事件件（TtTt）表表示示元元件或系统在件或系统在00，tt时间内能正常工作，则可靠度函数为时间内能正常工作，则可靠度函数为（10-1）本讲稿第九页，共二十九页10.2 10.2 常用的可靠性指标常用的可靠性指标 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）图图10-1 R(t)和和f(t)的图形的图形 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
7、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。本讲稿第十页，共二十九页10.2 10.2 常用的可靠性指标常用的可靠性指标2.2.失效率失效率 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。本讲稿第十一页，共二十九页10.2 10.2 常用的可靠性指标常用的可靠性指标 与与f(t)f(t)、R(t)R(t)的关系的关系 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
8、特以下。显然，失效率越低，可靠性越高。（10-5）（10-6）本讲稿第十二页，共二十九页10.2 10.2 常用的可靠性指标常用的可靠性指标 失效类型和浴盆曲线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。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 早期失效曲线本讲稿第十三页，共二十九页10.2 10.2 常用的可靠性指标常用的可靠性指标 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
9、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 本讲稿第十四页，共二十九页10.2 10.2 常用的可靠性指标常用的可靠性指标 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 本讲稿第十五页，共二十九页10.2 10.2 常用的可靠性指标常用的可靠性指标 浴盆曲线：在实际中，电力电子装置或系统的失效曲线是形
10、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 本讲稿第十六页，共二十九页10.2 10.2 常用的可靠性指标常用的可靠性指标 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35年）、电
11、力电解电容器（其寿命48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。本讲稿第十七页，共二十九页10.2 10.2 常用的可靠性指标常用的可靠性指标 3.3.平均无故障时间（平均无故障时间（MTBFMTBF）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（Mean Time Between FailureMTBF），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）本讲稿第十八页，共二十九页10.2 10.2 常用的可靠性指标常用的可靠性指标 目前，在电力电子装
12、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。本讲稿第十九页，共二十九页第10章 电力电子系统可靠性概述10.1 10.1 可靠性的基本概念可靠性的基本概念10.2 10.2 常用的可靠性指标常用的可靠性指标10.3 10.3 电磁兼容性概述电磁兼容性概述 本讲稿第二十页，共二十九页10.3 10.3 电磁兼容性概述电磁兼容性概述 长 期 以 来，电 磁 兼 容 性EMCEMC（Electromagnetic Compatibility）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
13、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EMIEMI（Electromagnetic Interference）和 电 磁 敏 感 度 EMSEMS（Electromagnetic Susceptibility）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。本讲稿第二十一页，共二十九页10.3 10.3 电磁兼容性概述电磁兼容性概述 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
14、，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，EMIEMI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。本讲稿第二十二页，共二十九页10.3 10.3 电磁兼容性概述电磁兼容性概述 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
15、欧共共体体成成员员国国关关于于电电磁磁兼兼容容法法律律性性指指令令。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。本讲稿第二十三页，共二十九页10.3 10.3 电磁兼容性概述电磁兼容性概述电磁兼容性（EMCEMC）包括两方面的含义：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
16、扰度；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。本讲稿第二十四页，共二十九页10.3 10.3 电磁兼容性概述电磁兼容性概述 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：固有的特点：在EMIEMI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。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
17、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；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。本讲稿第二十五页，共二十九页10.3 10.3 电磁兼容性概述电磁兼容性概述 在EMSEMS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。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；强电与弱电电路或部件之间以及不同装置之间的干扰耦
18、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。本讲稿第二十六页，共二十九页10.3 10.3 电磁兼容性概述电磁兼容性概述 在EMCEMC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EMCEMC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。本讲稿第二十七页，共二十九页10.3 10.3 电磁兼容性概述电磁兼容性概述表10-1
19、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本讲稿第二十八页，共二十九页作 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？本讲稿第二十九页，共二十九页