逆变器主电路的可靠性计算

逆变器主电路的可靠性计算邵戎 常越上海交通大学摘要：逆变器主电路的可靠性是变频器等功率转化装置安全合理使用的保证。以西门子 (上海 ) 电气传动设备有限公司 (原美国罗宾康公司 ) PH 系列的 630 V/100 A 功率单元为例 , 通过收集电力电子器件可靠性数据 , 建立逆变器主电路的可靠性数学模型 , 并选择其中主要器件之一铝电解电容进行重点分析 , 从而对逆变器主电路可靠性进行计算，并在此基础上提出改进设计来满足国产化过程中系统可靠性指标要求。关键词：逆变器 电力电子器件 可靠性Reliability Calculation of Main Circuit of Inverter Shao Rong Chang Yue Abstract: The reliability in power circuit of inverter is assurance for VFD and other power transfer application. In this paper, we select PH series 630V/100A power cell made by Siemens Electrical Drives (Shanghai) Ltd. (Robicon Shanghai) as sample. We collect its different power devices’ reliability data and set up reliability block diagrams for its power circuit. Through analyzing reliability of Aluminum electrolytic capacitors which affects power circuit reliability deeply, we calculate power circuit reliability on supposed conditions. Based on the results, we can balance reliability and cost and optimize power circuit design during localization. Keywords: inverter power circuit reliability 1 引言近年来 , 随着电力电子技术的发展 , 作为节能和过程工艺需要的逆变器在国内已发展到成熟阶段。其应用普遍 , 已成为工业自动化的重要环节。产品的寿命和可靠性越来越受到用户和生产厂家的关注。通过逆变器主电路可靠性的计算 , 不仅使得从其设计 , 工艺和可靠性管理上得以总结改善其可靠性的方法 , 而且为现场的维修间隔提供方案。另外 , 其可靠性指标的计算对拓扑机构相对复杂的高压变频器如单元串联多电平高压变频器 , 三电平高压变频器的可靠性研究具有指导意义。西门子 (上海 )电气传动设备有限公司 (原美国罗宾康公司 ,以下简称罗宾康 )主要生产单元串联多电平高压变频器 , 其核心部件功率单元其主要电路形式即为 H 桥逆变器。 我们选择其中一种 630 V/100 A 的功率单元作为研究对象。通过对逆变器主电路的可靠性计算 , 我们期望对功率单元的可靠性有进一步的认识 , 从而从技术上和质量管理上寻求提高国产化器件可靠性的方法。 另外研究逆变器主电路可靠性可以为日后的逆变器设计和生产提供指导性的意义 , 使得逆变器的单位成本在其构成基于性能和可靠性得到合理的分布。2 逆变器工作原理2.1 单元串联多电平高压变频器原理18 功率单元的单元串联多电平高压变频器（ AC 6 600 V ）的主电路原理图如图 1 所示。图 1 典型的单元串联多电平高压变频器主电路原理图图 1 下部是输入隔离变压器，其每一个次级仅供给一个功率单元（ A1-C6 ） 。每个功率单元通过光纤接收调制信息以产生负载所需要的输出电压和频率 , 即实现逆变。与标准PWM 系统不一样，加在电机端子上的电压是由许多较小幅度电压叠加所产生的而不是采用较少的大幅度电压。这可明显减小对电机绝缘的电压应力同时提高电机电流的质量。因每个功率单元由变压器具有不同角度相位差的次级供电， 所以变频器输入电流失真明显减少，输入功率因数保持高于 0.95。2.2 逆变器 (功率单元 )主电路原理同台变频器上功率单元是完全相同的，不同功率和输出电流的变频器其功率单元规格可能是不同的。不同功率单元其尺寸或主电路功率二极管 (三相不控整流 )、滤波电容和IGBT(H 桥逆变 )是不一样的。 每个功率单元包含一块含 IGBT 栅极驱动的单元控制板。逆变器主电路根据驱动信号以 PWM 调制方式将固定电压 630 V 和固定频率 50 Hz 输入的正弦波转化为脉宽和频率可变的正弦波输出。此功能不能实现时逆变器主电路被判为失效。其原理图如图 2 所示。图 2 逆变器主电路原理图罗宾康第 3 代单元串联多电平变频器提供 5 种基本单元型号 （电流额定值） ， 组合起来提供 3 300 VAC （每相 3 单元串联） ,4 160 VAC （每相 4 单元串联） ， 4 800 VAC（每相 5单元串联）和 6 600 VAC（每相 6 单元串联）的输出工作电压。由此可见，逆变器作为高压变频器的一个主要部件，对整机的可靠性起到重要的作用，尤其是罗宾康单元串联多电平变频器是由众多逆变器组成。其生产的 6 kV 第三代单元串联多电平变频器由 18 个逆变器组成。3 逆变器主电路可靠性模型3.1 可靠性理论的基本概念平均故障时间 (Mean Time Between Failure) ：逆变器主电路属于可维修系统。一个可修系统在使用过程中发生了 N 次故障，每次故障修复后又重新投入使用，测得其每次工作持续时间为 t1， t2， .， tn。其平均故障时间（用符号 MTBF 表示）为NTtNMTBFNii11式中： T 为系统总的工作时间。失效率：指系统在规定的条件下和规定的时间内丧失功能的概率。失效率通常以 Fit（ Failure in time ）作单位， 1Fit=10 -9hour。失效曲线：通常电子元器件的典型的失效曲线如图 3，即通常称为的“浴盆曲线” 。它分为早期失效期 , 随机失效期和耗损失效期 3 个阶段。图 3 典型的失效曲线早期失效期， 一般发生在产品的初期， 即工厂的生产和测试阶段， 有时也会延伸到客户现场。 严格的产品检验控制和出厂测试有助于减少早期失效期内的失效率， 同时使早期失效期在出厂前结束 .随机失效期是在产品使用的中期， 由选型设计所决定 , 也是客户最为关心的阶段。 严格的设计控制和样品试验评估有助于延长随机失效期和减少随机失效期内规定的失效率。耗损失效期发生在产品的使用晚期。由于逆变器的主要元器件都属于电子元器件， 而且我们在描述逆变器主电路的可靠性模型时主要是针对其发生在早期失效期后情况，即逆变器的失效曲线类似指数分布。可靠度为其失效分布为其失效密度为失效率为其平均故障时间为由于指数分布的失效率在随机失效期内不随时间变化，因此对由指数分布的部件组成的系统， 不能采用提前更换经过工作考验的部件来提高系统的可靠性。 这种替换不仅干扰了系统，而且可能带来早期失效。逆变器主电路可靠性模型。在建 立逆 变器 主电 路可 靠性 模型前 ，做 以下 假设 ：当驱动电路可靠性没有纳入逆变器主电路可靠性模型时， 应假设整个驱动电路是完全可靠的；当软件可靠性没有纳入逆变器主电路可靠性模型时，应假设整个软件是完全可靠的；当人员可靠性没有纳入逆变器主电路可靠性模型时， 应假设人员完全可靠， 而且人员与逆变器主电路的之间没有相互作用问题；在分析逆变器主电路可靠性时必须考虑方框所代表的分电路的可靠性特征值；所有连接方框的线没有可靠性值， 不代表与逆变器主电路有关的母排。 当其没有纳入产品可靠性模型时，应假设整个母排是完全可靠的；逆变器主电路的所有输入在规定极限之内，即输入 Uin/ Iin=630 VAC/80 A 输出 Uout/Iout=630 V AC/100 A 就失效概率来说，用一个方框表示的每一分电路或功能的失效概率是相互独立的；因此可由逆变器主电路的电气原理图做出逆变器主电路的可靠性框图，见图 4。图 4 逆变器主电路的可靠性框图因图 4 中一个方框表示的分电路或功能失效就会造成整个产品的失效， 并无其它代替的工作模式，可认为逆变器主电路属于串联系统。 而 串联系统的数学模型：niins RRRRRtR1321)(式中， n 为组成系统的单元数， Ri 为系统中的第 i 个分电路的可靠性； Rs为系统的可靠性。当各部件的寿命分布为指数分布时，即tnitssitR ee)(1式中：niins1321如果系统中的第 i 个分电路都由 Ki 个相同元器件组成， 而每种元器件都有一定的失效率i，并且都是串联的，则该系统第 i 个分电路的失效率为 Ki i。该系统的失效率为niiinnsKKKKK1332211系统的平均故障时间间隔：niiissKMTBF1113.2 主要分电路可靠性的计算由铝电解电容器构成的直流滤波分电路起平波储能的作用。它是逆变器主电路可靠性串联系统中可靠性相对较弱的分电路。我们单独将其列出分析。铝电解电容器失效机理和特征。 由于电容的等效串联感抗发生变化， 即有可能漂移过高，导致电容损耗发热 ,突然导致击穿或者冲开安全孔使得电解液开始挥发变干最后变成开路。另外一种情况 ,制造过程中环境的不干净或材质不纯，如含氯硫离子很容易破坏引出电极，该点也是电容器电压暂态过程中主要承受电压的地方。在经历反复送电后 , 这些地方如经污染过很容易过早击穿。铝电解电容器组串并联。 630 V/100 A 单元其直流母线电压为 850 VDC ，所需容量需承担 5 个周期的电网电压消失后的满载输出，即C=Q/U=100 A× 0.1 s/283 V=10/283=0.035 F=3500 μ F 基于目前电容器的制造水平，选择串并结合的方式获得所需要的容量和对电压的要求。本逆变器主电路选用 Vr=400 VDC ， 6 300 μ F 铝电解电容器， 3 串 4 并， 共计 12 个， 等效容量为 8 400 μ F。因采用串联方式连接电容，需注意铝电解电容器的分压问题。容值的误差可以使容值较小的电容分配到很高的电压。 使用均压电阻是在各电容之间正确分配电压的一种较好的方式，使用高品质和阻值差异小的均压电阻，否则电阻的失效会导致电容因分压不均而击穿。另外因采用并联方式连接， 就需确保分配到每个电容支路上的电流相等。 在高频应用时， 电感可以导致每个电容上的电流分配不均匀。铝电解电容器组可靠性指标计算如下：电容器寿命的终结，一般有如下标准：Th Core Temp > 105℃ (85℃ 产品 )或 ESR >2 x ESR 初始为计算电容工作寿命 LOP，必须知道：工作电压 Va，电容流过的电流的有效值 I RMS，环境温度 Ta和热阻 Rth。产品的 ESR 值和热阻 Rth可从电容器制造商获得。变频器制造商一般都会提供电容流过的电流的有效值 I RMS。得到正确的 Th 值后，就可利用上述公式很容易计算出电容工作寿命。由于并联支路的数量会影响并联支路的电流 ,在适合的条件下， 增加并联支路的数量会减少并联支路的电流，降低因电容损耗造成的温升，从而提高电容的工作寿命。对于铝电解电容器组的应用来说，使用多久和失效率是两个不同的问题 ,即我们不仅要知道电容什么时候进入耗损失效期，同时要知道在电容的使用过程中其失效的机率。根据制造商提供的计算书， 本文所述的逆变器主电路的直流滤波分电路的可靠性指标如下：平均寿命 Lop=87 600 h， fit<50 。其它分电路器件可靠性指标采用下列两种途径收集：制造商提供： IGBT 失效率 <100fit 现场收集：西门子（上海）电气传动设备有限公司从 2005 年四月开始功率单元组装，截至到 2007 年三月，共生产 630 V/100 A 功率单元 1 400 个。按平均时间出厂一年计算， 并计 85%的现场使用率 ,共计 10 000 000 h。从现场反馈的失效报告数量如下：输入保护熔断器： 0，失效率 <100 fit ；三相整流桥功率二极管： 0，失效率 <100 fit ；均压绕线电阻： 2，失效率 200 fit ；浪涌保护薄膜电容： 0，失效率 <100 fit 。3.3 逆变器主电路可靠性计算我们将上述不同方式收集到的分电路器件可靠性指标填入表 1。表 1 逆变器主电路的可靠性表分电路名称器件名称图纸代号 型号规格 Ki i(FIT) Ki i(FIT) 输入保护 熔断器 F1~F3 80A,690V 3 100 300 三相整流桥功率二极管 D1~D6 Ifavm=171A 6 100 600 滤波电容铝电解电容 C1~C12 6300uf,400V 12 50 600 均压电阻绕线电阻 R1~R3 6K,300W 3 200 600 H逆变桥 IGBT Q1~Q4 150A,1400V 4 100 400 浪涌保护薄膜电容 S1~S2 0.68uf,1600V 2 100 200 逆变器主电路可靠性计算niiissKMTBF111200400600600600300101 9a42h0003707002 10194 逆变器主电路可靠性计算的意义4.1 成本最优设计在设计产品时 , 可能有两种设计方案 : 第一种是设计出低成本制造 ( 可靠性低 ), 但需要高成本的支持和保修开销的产品。第二种是设计出高成本制造 (可靠性高 ), 但无需过多支持成本和保修开销的产品。则可靠性的期望值就是产品综合成本最低的设计方案下的可靠性值。成本 /可靠性平衡图见图 5。图 5 成本 / 可靠性平衡图由于不同的设计方案牵涉到的材料成本水平和人工成本水平会由于地域和时间上的差异发生变化， 即可靠性期望水平会发生变化。 例如， 手机由于核心技术的更新， 会由一个可维修系统变成不可维修系统。 而一件原先人工修理成本很高的产品由于人工修理成本降低可由不可维修系统变成可维修系统。所以在跨国公司在做产品本土化时应充分考虑到制造地和市场等具体条件，灵活地调整设计方案，使得产品达到一个期望的可靠性水平。4.2 产品维护研究可维修系统产品的可靠性， 对其在使用的维护也有意义。 一般产品的维修通常都会有以下几种方式：事后维修，预防维修和状态维修事后维护一般用于故障时影响不大的产品的维护。但是针对故障会造成重大损失的产品，事后维护不能作为主要的维修方法。 而采取预防维护则是不错的选择。 其本质含义就是根据产品的 MTBF 制定维修计划，即先于产品的故障发生更换将要发生故障的器件。被更换的器件通常是根据其在产品可靠性模型中的重要性和其 MTBF 选择，这样就避免除器件材料成本外的维修成本的重复。由于 MTBF 是一个统计数字，它和产品的实际状态或多或少有些差异，这些差异会使维修计划的不准确造成维修成本的浪费。因此状态维修，应是在基于预防维护上的一种更加精确的维修，它是根据可靠性系统组成器件失效特征的先兆表现而拟定维护计划更加贴近产品的真实状态。4.3 可靠性和质量管理可靠性属于产品的性能指标， 不过它不象产品的其它性能指标， 如效率， 是可以在短时间内根据相应的标准可以测量出来的，它只能通过长期试验或者统计出来的。从产品的成本的考虑上 , 可以说是和质量管理的目的是一致的 , 即使产品的成本最低。但是产品的可靠性水平可能是会由于成本的构成发生变动会有一定的调整， 但质量的目的是保持一致性 , 是减少产品的不必要成本 , 或者说质量管理的目的是减少实际值和期望值的偏差。 任何偏离期望可靠性过大的可靠性是违背质量原则的 , 即在大规模生产时单独一个产品永远不失效是没有意义的。因此质量管理的目的是通过一系列活动 , 从人员 , 原料 , 方法，设备 , 环境上去除对产品影响的一些随机性的因素 , 使得产品的实际的可靠性水平接近于期望的可靠性水平。参考文献1 李海泉 , 李刚 .系统可靠性分析与设计 .科学出版社 , 2003 2 徐平，李全灿 . 电控及自动化设备可靠性工程技术 .北京：机械工业出版社 ,1997 3 Sam G Parler, Jr P E. 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