中心論題:
- 組合電源系統(tǒng)可靠性的數(shù)學模型
- 組合電源模塊的可靠性計算
- 組合電源多個模塊并聯(lián)后的可靠性計算
- 組合電源系統(tǒng)中串聯(lián)蓄電池組的可靠性計算
- 組合電源系統(tǒng)的可靠性計算
- 蓄電池對組合電源系統(tǒng)可靠性的影響
解決方案:
- 組合電源模塊的可靠性計算
- 組合電源多個模塊并聯(lián)后的可靠性計算
- 組合電源系統(tǒng)中串聯(lián)蓄電池組的可靠性計算
- 組合電源系統(tǒng)的可靠性計算
組合電源系統(tǒng)可靠性的數(shù)學模型
組合電源系統(tǒng)一般由若干個高頻開關(guān)電源模塊、電源監(jiān)控、系統(tǒng)的交直流配電及蓄電池等組合而成,如為電力系統(tǒng)繼電保護設備及電力操作機構(gòu)供電的直流操作電源系統(tǒng)、為通信設備供電的通信電源等。為使分析問題簡化,假設計算應滿足如下條件:①不考慮組合電源系統(tǒng)的可維性和產(chǎn)品生產(chǎn)工藝等對可靠性的影響;②組合電源系統(tǒng)運行于產(chǎn)品標準規(guī)定的環(huán)境條件和技術(shù)條件下;③電源模塊的任何故障均不影響其他電源模塊和電源監(jiān)控的正常運行,電源監(jiān)控故障不影響電源模塊的正常運行。在此條件下,組合電源系統(tǒng)的可靠性模型如圖1所示。
由圖1可以看出,組合電源系統(tǒng)正常輸出的可靠性表現(xiàn)為電源模塊并聯(lián),再與蓄電池組并聯(lián),然后與交流輸入配電和直流輸出配電相串聯(lián)的拓撲結(jié)構(gòu),與電源監(jiān)控的可靠性無關(guān)。
組合電源模塊的可靠性計算
組合電源模塊由多個電子元器件組成,設每個元器件的可靠度分別為Ri(t)(i=1,2…n),失效率為λi(i=1,2…n),其可靠性數(shù)學模型表現(xiàn)為各電子元器件串聯(lián)結(jié)構(gòu)中任何一個電子元器件故障,都會導致電源模塊故障。
電源模塊可靠度為:
從數(shù)學角度看,可靠度的概率均值,代表了平均壽命??删S修系統(tǒng)的平均壽命用MTBF,即模塊的平均故障間隔時間來表示。
模塊的平均故障間隔時間MTBFs為:
可靠度將隨時間的增加而減少,當t=MTBF時,可靠度只有36.8%。即一個系統(tǒng)無故障運行到t=MTBF的幾率為36.8%。
參照以上方法,可計算電源監(jiān)控、蓄電池組、電源交直流配電的可靠度和平均故障間隔時間。
組合電源多個模塊并聯(lián)后的可靠性計算
組合電源模塊并聯(lián)后的可靠性計算條件是電源模塊故障是相互獨立的,不相互影響。電源模塊的數(shù)量一般按N+1方式確定,N個模塊可滿足電源的容量要求,1個模塊備用;但在實際應用中選擇模塊的余量較大,表現(xiàn)為N+2,N+3,…N+k備份等等。
n個高頻開關(guān)電源模塊并聯(lián)后,模塊全部正常的概率(可靠度)為:R0/n(t)=Rs(t)n
n個高頻開關(guān)電源模塊并聯(lián)后,1個模塊故障,其余模塊正常的概率(可靠度)為R1/n(t)=nRs(t)n-1[1-Rs(t)]1
n個高頻開關(guān)電源模塊并聯(lián)后,2個模塊故障,其余模塊正常的概率(可靠度)為:
n個高頻開關(guān)電源模塊并聯(lián)后,k個模塊故障,其余模塊正常的概率(可靠度)為:
如果一個電源系統(tǒng)有n個電源模塊,這個電源系統(tǒng)按N+k方式設計(n=N+k,N為保證正常供電的必須模塊數(shù)量,k為熱備份模塊數(shù)量,n為模塊總數(shù)),根據(jù)以上計算公式可求出n個電源模塊組成的系統(tǒng)中,保證N個模塊正常運行的概率(可靠度)RN+k(t)。其為模塊全部正常、1個模塊故障、2個模塊故障、……k個模塊故障的概率(可靠度)之和為:
電源系統(tǒng)按N+K方式設計的平均故障間隔時間MTBFN+k為:
組合電源系統(tǒng)中串聯(lián)蓄電池組的可靠性計算
組合電源系統(tǒng)蓄電池組的可靠性計算條件是蓄電池的故障是相互影響的。任何一只蓄電池故障表現(xiàn)為蓄電池組故障。設蓄電池的數(shù)量為J,每只蓄電池的可靠度為Rx(t),平均故障間隔時間為MTBFx, J只蓄電池串聯(lián)后的可靠度為RX(t),則有
蓄電池串聯(lián)后的失效率λx為:λX=Jλx
蓄電池串聯(lián)后的平均故障間隔時間MTBFX為:
組合電源系統(tǒng)的可靠性計算
組合電源系統(tǒng)的可靠性在監(jiān)控單元故障不影響整流器正常輸出的前提下,表現(xiàn)為電源模塊并聯(lián)后,再與蓄電池組并聯(lián),然后再與電源系統(tǒng)的交直流配電串聯(lián)的可靠性模型。設系統(tǒng)交直流配電系統(tǒng)的可靠度為RP(t),則高頻開關(guān)電源系統(tǒng)的可靠性計算如下:
組合電源蓄電池組與電源模塊并聯(lián)后的可靠度R(t)為:R(t)=1-[1-RN+k(t)]•[1-RX(t)]
組合電源系統(tǒng)的平均故障間隔時間MTBF為:
蓄電池對組合電源系統(tǒng)可靠性的影響
從組合電源系統(tǒng)可靠性指標MTBF的計算可以看出,蓄電池對組合電源系統(tǒng)可靠性影響較大,主要表現(xiàn)在以下幾個方面:
a.在組合電源系統(tǒng)按N+k方式設計時,只要有N個電源模塊正常運行,或蓄電池組正常運行,組合電源系統(tǒng)就可以實現(xiàn)正常輸出。
b.組合電源系統(tǒng)電源模塊系統(tǒng)故障或系統(tǒng)交流停電以后,蓄電池組的容量決定電源系統(tǒng)維持正常輸出的時間,蓄電池容量的選擇由電源模塊系統(tǒng)的維修時間和系統(tǒng)交流的最大停電時間決定。
c.組合電源模塊系統(tǒng)的輸出電壓高低、輸出電壓的交流紋波大小、蓄電池的充放電管理等因素影響蓄電池組的使用壽命。
總之,在組合電源系統(tǒng)中,采用蓄電池可以保證組合電源系統(tǒng)在交流電停電和組合電源模塊系統(tǒng)故障時實現(xiàn)系統(tǒng)正常輸出,這將提高組合電源系統(tǒng)的可靠性和可用性。
通過組合電源系統(tǒng)可靠性指標MTBF的計算,可直觀反映組合電源中電源模塊、電源監(jiān)控、蓄電池等對電源系統(tǒng)可靠性的影響:要提高組合電源系統(tǒng)可靠性,必須實現(xiàn)各部件在出現(xiàn)故障時不互相影響,如果電源模塊中有一個出現(xiàn)故障,其余也會出現(xiàn)故障,則電源模塊的冗余備份就無任何意義;同樣,如果電源監(jiān)控單元的任何故障影響電源系統(tǒng)的正常輸出,則電源系統(tǒng)的可靠性會大大下降。電源系統(tǒng)電源模塊、電源監(jiān)控、蓄電池等的可靠性直接影響了電源系統(tǒng)的可靠性,采用高可靠的功能部件是提高系統(tǒng)可靠性的基本條件。