Силовая электроника №2'2012

Проблемы надежности силовых систем и устройств в реалиях ХХI века
Часть 2

Ланцов Владимир

Эраносян Cаркис


В статье рассматривается уровень, достигнутый в развитии силовых электронных компонентов для преобразовательных устройств. Приведены основные термины и определения из теории надежности, а также информация о расчетах и видах испытаний на отказ. Даны рекомендации по созданию силовых систем и устройств с повышенной надежностью. Вместе с тем отмечается, что в России до настоящего времени нередки случаи проектирования силовых систем и устройств с невысокой надежностью. Приведены примеры такого рода из практики некоторых российских фирм.

В работе [1] приведены сведения о крупных авариях и катастрофах техногенного характера в электроэнергетических и силовых системах, произошедших в 2008–2011 гг. в России и за рубежом. Они стали еще масштабнее по проявлению и отрицательным последствиям, чем в 2001–2006 гг. По прогнозам специалистов, отмеченные тенденции будут еще более усугубляться. В целом, причины аварий остались практически теми же, что и отмеченные в [2], но в их характере
и значимости произошли существенные изменения. В частности, на первое место уверенно вышло негативное влияние человеческого фактора. Кроме того, авторы усматривают в происходящих авариях глубинные причины и системные дефекты, характерные для нынешнего века с точки зрения общих процессов, происходящих во всех индустриальных странах мира, где произошли серьезные экономические и социальные изменения.

В первой части статьи [1] авторы отмечали, что высокие параметры силовых электронных компонентов и изделий достигнуты в результате применения новых технологий и материалов, полученных как в результате значительного повышения качества и уровня параметров, так и в ходе работ по улучшению показателей их надежности. Были перечислены основные виды электронных приборов, в изготовлении которых был достигнут значительный прогресс после 2005 г. [36]. Для иллюстрации качественного улучшения их параметров в данной статье будут приведены наиболее весомые и значительные примеры для ряда характерных, часто применяемых электронных компонентов в силовых преобразовательных изделиях.

Достигнутый уровень развития силовых электронных компонентов

Приведем краткие сведения о развитии наиболее значимых силовых компонентов.

Дискретные полевые транзисторы

Дискретные полевые (МОПТ или MOSFET) транзисторы с изолированным затвором и их интегрированные сборки для использования в корректорах коэффициента мощности (PFC), для применения в полумостовых или мостовых структурах высокочастотных (ВЧ) инверторов и преобразователей продолжают совершенствоваться, несмотря на все возрастающую конкуренцию со стороны IGBT-модулей. Это связано с тем, что только на MOSFET можно реализовать системы и источники электропитания (ИВЭ) большой и сверхбольшой мощности, работающие на частотах преобразования 100–300 кГц и более, с удельной мощностью до 700–1000 Вт/дм3. В настоящее время для единичных MOSFET достигнуты в массовом производстве следующие параметры: рассеиваемая мощность PD = 500–900 Вт, напряжение UDSS = 600–1200 В, ток ID = 30–120 А, сопротивление RDS on = 0,035 Ом (600 В), повышенное быстродействие. Такие транзисторы выпускают, например, фирмы Advance Power Technology (APT), IR, Ixys, Infineon, ST и другие. Фирма APT является несомненным лидером по производству мощных высоковольтных MOSFET. Так, к примеру, транзистор типа APT14050JVFR [7] имеет следующие параметры: UDSS = 1400 В; ID = 23 А; PD = 694 Вт; RDS on = 0,5 Ом; быстродействие ton = 38 нc, toff = 130 нс.

Отметим также новейшие разработки компании Microsemi Power Products Group, которая до слияния с Microsemi в 2006 г. называлась Advanced Power Technology Inc. Эта американская компания занимается разработкой и производством высокоэффективных радиочастотных и коммутирующих силовых полупроводников. Радиочастотные транзисторы компании используются в усилителях мощности в радиоприемниках и передатчиках, радарах и авионике.

Например, можно указать силовой модуль в виде одиночного ключа APTM120U10SAG (Single Switch, Series&Parallel diodes) [8]. Модуль содержит последовательный и параллельный диоды и MOSFET, имеет следующие параметры: UDSS = 1200 В (1000 В при +125 °С); типовые данные при +25 °С: ID = 116 А; RDS on = 0,1 Ом. Последовательный диод: IF = 120 А при +80 °С; VF = 1,1 В при токе 120 А и 1,4 В при токе 240 А. Время восстановления диода trr = 31 нс при +25 °С и 60 нс при +125 °С.

Также обратим внимание на модуль, который выполнен в виде высоковольтного моста, в каждой стойке которого имеется два мощных MOSFET. Например, прибор APTM120H57FT3G (Fall-Bridge MOSFET Power Module) имеет такие параметры: UDSS = 1200 В; ID = 17 А при +25 °С; ID = 13 А при +80 °С; RDS on = 0,57 Ом при +25 °С.

Как положительное явление отметим появление новых высоковольтных MOSFET отечественного производства, например 2П7154АС разработки ОКБ «Искра» [9] с приемкой представителя заказчика. Транзистор имеет следующие параметры: PD = 875 Вт, UDSS = 1200 В, ток ID = 50 А, сопротивление RDS on = 0,35 Ом; корпус металлокерамический.

Силовые модули универсального применения

Силовые модули универсального применения различной степени интеграции на основе IGBT-структур:

  • силовые IGBT-модули с большими величинами рассеиваемой мощности (1–2,5 кВт), напряжения (1200, 1700, 2500 В) и тока (300–1200 А и более) фирм SEMIKRON, IR, Ixys, Infineon, Mitsubishi Electric, ОАО «Контур», ОАО «Электровыпрямитель» и др.;
  • интегрированные силовые модули (ИСМ или IPM) упомянутых фирм на основе IGBT, в том числе на очень большие величины рассеиваемой мощности (1–2,5 кВт), напряжения (600, 1200, 2200 В) и тока (300–2400 А).

Такие IPM различной конфигурации предназначены, в частности, для применения в системах управления электроприводом в одно- или трехфазных электросетях. Они могут включать в себя: выпрямительные мосты по соответствующей схеме, которые содержат от двух до семи модулей IGBT, прерыватели (чопперы) на IGBT и мощные пусковые терморезисторы. Различаются структуры силовых модулей: 1-CBI — однофазный выпрямитель/чоппер/инвертор; 1-CI — однофазный выпрямитель/инвертор; 3-CI — трехфазный выпрямитель/инвертор; 3-CBI — трехфазный выпрямитель/чоппер/инвертор.

Например, модуль типа MUBW75-17T8 (Ixys) [10] по структуре 3-CBI имеет следующие параметры: для выпрямительного моста — URR = 2200 В; IVD = 155 Аэф; для транзисторов IGBT — UCE max = 1700 В; IC = 113 А; UCE sat = 2 В.

Специализированные модули очень большой мощности

Рассмотрим специализированные модули очень большой мощности, которые стали разрабатывать и выпускать многие известные фирмы для конкретных массовых потребителей. Так, фирма SEMIKRON анонсировала [11] выпуск трехфазного инвертора типа SKAITMIGBT POWER мощностью до 250 кВА в виде компактного IPM для электрического и гибридного электротранспорта с плотностью мощности 20 кВА/дм3. Модуль в специальном корпусе IP67 содержит:

  • силовую IGBT-секцию;
  • датчики напряжения, тока и температуры;
  • устройство управления и защиты;
  • запрограммированный цифровой сигнальный процессор;
  • фильтр электромагнитных помех;
  • звено постоянного тока;
  • радиатор жидкостного охлаждения.

Дополнительно необходимо подчеркнуть, что модуль может работать от аккумуляторной батареи напряжением 150–850 В.

Можно отметить и новые силовые модули фирмы Microsemi [8], которые содержат последовательное соединение приборов IGBT и MOSFET. Например, APTCV50H60T3G (Full-Bridge. Trench&Field IGBT Q1, Q3 и CoolMOS Q2, Q4), где Q1 и Q2 образуют одну вертикаль моста, а Q3 и Q4 — другую. Основные параметры силовых приборов модуля следующие: для IGBT-приборов UCES = 600 В; IC = 50 А при +80 °С; VCE(sat) = 1,5 В при +25 °С и 1,7 В при +150 °С; для CoolMOS-приборов UDSS = 600 В; IC = 49 А при +25 °С; IC = 38 А при +80 °С; RDS on = 0,04 Ом.

Также представляют интерес силовые модули, выполненные в виде последовательного соединения из двух IGBT. Они могут применяться в системах управления электроприводом, сверхмощных импульсных источниках вторичного электропитания (ИВЭ) и т. п. Например, APTLGF300A1208G (Phase Leg Intelligent Power Module) имеет следующие параметры: UCES = 1200 В; IC = 300 А при +80 °С; VCE(sat) = 3,2 В при +25 °С и 4,0 В при +125 °С; PD = 1780 Вт при +25 °С.

Запираемые тиристоры

Запираемые тиристоры (GTO) в основном используются в тяговых электроприводах очень большой мощности. Наибольшее применение находят GTO с принципиально улучшенной коммутацией по затвору (GCT), особенно со встроенными микросхемами управления (IGCT), на очень большие напряжения (4500, 5500, 6000 В) и токи (400–2700 А), например компаний Mitsubishi Electric, ABB.

В ряде областей применения серьезную конкуренцию GTO, GCT, IGCT могут составить мощные высоковольтные тиристоры с прямым управлением светом по оптокабелю (Light Tuiggered Thyristor, LTT).

Наиболее эффективно применение фототиристоров при соединении приборов, имеющих (в процессе коммутации) высокий уровень электромагнитных помех. Поэтому они нашли применение в энергосберегающих преобразователях для линий передачи постоянного тока высокого напряжения (HVDC), компенсаторах реактивной мощности (SVC) и т. д.

Из отечественных производителей фототиристоров отметим разработанные ОАО «Электровыпрямитель» [12] тиристоры типа ТФ353-630, ТФ173-1000, ТФ183-2000 на токи 630–2000 А, напряжение до 7000 В.

Силовые тиристорно-диодные модули

Продолжается совершенствование силовых тиристорно-диодных модулей. Среди них можно отметить серии модулей на напряжения 800–1600 В и токи до 90 А. Например, модуль MST90-16 (Thyristor/Diode/Modules) включает в себя последовательное соединение из двух мощных тиристоров, которые можно, в частности, объединить для встречно-параллельного включения. Модуль имеет параметры: URRM = 1600 В; URSM = 1700 В; ITAV = 90 А; ITSM = 2000 А при 10 ms sine и +45 °С; и ITSM = 1750 А при 10 ms sine и +125 °С; UTM = 1,65 В при ITM = 300 А и +25 °С.

SiC-диоды Шоттки

Произошло улучшение параметров SiC-диодов Шоттки. В частности, увеличилась номенклатура диодов, и появились новые типы сборок [8]. При этом достигнуты параметры максимальных токов IF (AV) = 30–40 А (IFSM = 500 А) при сохранении максимально допустимого обратного напряжения URRM = 1200 В. В дополнение к продукции фирмы Cree появились сборки SiC-диодов Шоттки фирм Infineon и др. Среди них отметим новые диодные сборки компании Microsemi. Например, мост диодов Шоттки APTDC40H1201G (SiC Schottky Diode) имеет такие параметры: URRM = 1200 В; IF = 40 А при +80 °С; UF = 1,6 В при +25 °С; UF = 2,3 В при +175 °С (речь идет о типовых значениях).

Кремниевые диоды Шоттки

Совершенствуются и кремниевые диоды Шоттки. Например, та же фирма освоила выпуск силовых сборок на напряжения 35–50 В типа CPT12035, CPT12050 (Schottky Power Module). Каждый модуль состоит из двух диодов при разных комбинациях их соединений. Ток диода IF(AV) = 120 А; импульсный ток IFSM = 1000 А при 8,3 ms half sine; TJ = +175 °C (температура перехода). Падение напряжения на диоде: UFM = 0,63 В при IFM = 120 А и TJ = +175 °C и UF = 0,8 В при TJ = +25 °C.

Выпрямительные кремниевые силовые диоды

Наконец, необходимо сказать об обычных выпрямительных кремниевых силовых диодах. В настоящее время Microsemi начала производство мощных диодных модулей (Silicon Power Rectifier) типа SMD300. Эти модули имеют следующие характеристики: напряжение 200–1600 В, ток диода 300 А. Например, SMD30016 имеет параметры URRM = 1600 В; IF (AV) = 300 А при +130 °C, максимальный импульсный ток IFSM = 5500 А при 8,3 ms half sine, TJ = +175 °C, падение напряжения на диоде UFM = 1,1 В при IFM = 300 А и TJ = +25 °C. Интересно отметить, что кривые зависимости UFM от температуры среды и прямого тока через диод пересекаются в точке IFM ≥2000 А. В этой точке UFM = 1,3 В. Применяя эти модули в сетевых выпрямителях для сверхмощных блоков питания, можно как значительно снизить потери мощности в самом выпрямительном узле, так и повысить КПД всего блока.

Для лучшего восприятия проблем обеспечения высокой надежности силовых систем и устройств, обеспечиваемой не только за счет выбора современных компонентов, приведем основные сведения и определения из теории надежности. Также будут даны общие рекомендации по созданию силовых устройств с повышенной надежностью, как в процессе разработки изделий, так и на этапе испытаний и гарантийного срока его эксплуатации.

Отметим, что в России до настоящего времени имеются многочисленные примеры проектирования конкретных силовых систем и устройств, известные авторам и поучительные с точки зрения того, как не надо делать.

Основные сведения и определения из теории надежности

Начнем с небольшого вступления. Один из авторов (В. Ланцов) отмечал в одной из статей, что в 2008 г. в процессе проведения занятий по электронике пришлось разъяснять термины надежности мастерам и инженерам-эксплуатационникам аппаратуры предприятия. Наибольшие трудности восприятия вызывал термин «наработка на отказ Tср или T0». Все они почему-то дружно считали, что это практически реальное время до первого отказа аппаратуры, и удивлялись, почему на самом деле отказы случаются раньше времени Tср. Используя формулу экспоненциального распределения потока отказов и традиционный пример со 100 работающими длительное время приборами, лектору удалось пояснить им сущность понятия Tср. При этом было обращено внимание слушателей на то, что этот показатель действителен только во время нормальной эксплуатации изделий.

История со слабым знанием теории надежности специалистами получила неожиданное продолжение на выставке «Радиоэлектроника. Автоматика. Приборостроение — 2011» в Санкт-Петербурге. Тот же автор статьи на стенде уважаемой фирмы по силовой электронике не смог даже у стендиста с бейджиком «Главный конструктор» получить пояснения, как обеспечивается высокое значение наработки на отказ, декларированное в каталоге на изделия фирмы.

Краткая история развития и основные задачи

Надежность как новая теория стала оформляться после Второй мировой войны прежде всего в США. Ее возникновение было связано с настоятельной необходимостью в решении практических задач по обеспечению приемлемых показателей работоспособности больших систем радиоэлектронной аппаратуры (РЭА): вычислительных машин, все более сложных систем вооружения и других, создаваемых в то время. При их эксплуатации выяснилось, в частности, что время нормального функционирования систем между отказами (неисправностями) недопустимо мало. Например, по американским данным 1949 г., аппаратура радиосвязи находилась в нерабочем состоянии примерно 14% времени. У гидроакустической и радиолокационной аппаратуры это время составило 48 и 84% (!) соответственно. Поэтому в США в 1950–1951 гг. к исследованиям надежности РЭА по заказам правительства приступил ряд частных фирм, а также специально созданные правительством группы и исследовательские центры. Первоначально все они занялись практической работой по значительному повышению безотказности и долговечности компонентов систем: электровакуумных приборов, электромеханических реле, переключателей, пассивных компонентов, а затем и полупроводниковых приборов. За 10 лет работы в этом направлении были достигнуты значительные успехи по обеспечению надежности аппаратуры. Так, в 1959 г. время нерабочего состояния корабельной радиопередающей, гидроакустической и радиолокационной аппаратуры составило соответственно 2,6; 2,8 и 0,2% (без учета времени профилактики) [13]. Несколько позднее стала оформляться теоретическая база надежности как научной дисциплины на основе теории вероятности, математической статистики, теории случайных процессов, а затем теории информации, теории массового обслуживания.

С некоторым отставанием от зарубежных исследователей теория надежности стала бурно развиваться и в СССР. Советские ученые Берг А. И., Гнеденко Б. В., Колмогоров А. Н. и другие внесли большой вклад в развитие теории надежности. Осенью 1957 г. в Москве была проведена первая Всесоюзная конференция по надежности. С этого момента во многих вузах начинается серьезная научная работа по изучению основ теории надежности и эксплуатации приборов и аппаратуры, прежде всего РЭА, а также преподавание основ теории студентам. Так, в КВИРТУ (Киев) под руководством Шишонка Н. А. создается первая в СССР кафедра “Основ надежности и эксплуатации радиотехнических систем”. В ведущих институтах и НПО оборонного профиля были созданы службы надежности значительного состава с задачами обеспечить выполнение работ по расчетно-аналитическому, экспериментальному и эксплуатационному обеспечению надежности РЭА. Позднее службы надежности, но меньшего состава, создаются и в ведущих НИИ и СКБ промышленного и научного профиля.

Основное назначение теории надежности — изучение закономерностей, которых следует придерживаться при проектировании, испытаниях, изготовлении, приемке и эксплуатации изделий для получения максимальной эффективности их использования [14]. То есть теория надежности должна была устанавливать закономерности возникновения отказов и восстановления работоспособности изделий. Кроме того, теория должна рассматривать влияние внешних и внутренних воздействий на процессы, происходящие в изделиях, создавать основы математического аппарата расчета надежности и прогнозирования отказов. При этом должны изыскиваться практические способы повышения надежности при разработке, конструировании и изготовлении изделий, создаваться методы проведения испытаний на надежность, методики обработки и оценки результатов испытаний, а также способы контроля и сохранения надежности изделий при эксплуатации. В теории надежности устанавливаются количественные характеристики (критерии) надежности, а также связь между количественными характеристиками и эффективностью (экономической эффективностью) изделия. Методы обоснования режимов профилактических (регламентных) работ при эксплуатации изделий и норм запасных частей (устройств, компонентов) также являются продуктом применения теории надежности на практике.

Основные понятия, термины и определения в теории надежности

Приведем основные понятия, термины и определения в теории надежности, придерживаясь действующего в России ГОСТ27.002-89 «Надежность в технике. Основные понятия. Термины и определения». Новый ГОСТ Р 53480-2009 «Надежность в технике. Термины и определения» базируется на материалах ГОСТ27.002-89.

Надежность — совокупность свойств изделия, определяющих его пригодность для использования по назначению и связанных с возможностью появления неисправностей при его эксплуатации. В обобщенном смысле под эксплуатацией изделия понимается совокупность всех фаз его существования: транспортировки, хранения, подготовки к использованию, использования по назначению, технического обслуживания и ремонтов. В более узком практическом смысле фазы транспортировки и подготовки к использованию не учитывают из-за их относительной кратковременности. Поэтому к основным фазам эксплуатации изделия можно отнести следующие: хранение и собственно эксплуатация с техническим обслуживанием и ремонтами.

Именно в последнем случае изделие длительно работает в основных режимах, для которых оно и предназначено. Надежность является одной из сторон качества, частью качества, причем его важнейшей частью в военной технике и промышленном оборудовании с непрерывным циклом эксплуатации. Надежность является комплексным свойством, которое, в зависимости от назначения объекта и условий его применения, может включать такие категории, как безотказность, долговечность, ремонтопригодность и сохраняемость в течение заданного времени в определенных условиях эксплуатации.

Безотказность — способность изделия сохранять работоспособность, то есть не иметь полной или частичной утраты работоспособности.

Работоспособность — это такое состояние изделия, при котором оно соответствует всем требованиям, установленным в отношении его параметров.

Отказ — событие, заключающееся в нарушении работоспособного состояния объекта. Если изделие не соответствует некоторым требованиям к его второстепенным параметрам, то такое состояние называется неисправностью (дефектом). При этом работоспособность изделия не нарушается и отказ не имеет места. Отказы разделяются на внезапные (катастрофические) и постепенные.

Постепенные отказы возникают, когда изменения параметров изделия (из-за старения, износа) и т. п. возникают после длительного времени. В результате этого эти параметры выходят за пределы установленных допусков. Поэтому постепенные отказы, как правило, можно предвидеть (прогнозировать), если регулярно следить за изменением определяющих параметров изделия.

Внезапные отказы характеризуются скачкообразным изменением значений одного или нескольких параметров объекта. Они не связаны с постепенным изменением параметров изделия, поэтому их практически невозможно прогнозировать.

Интенсивность отказов (индивидуальная долговечность) является одной из важнейших характеристик невосстанавливаемых изделий, например электронных компонентов. Интенсивность отказов λ(t) определяется количеством отказов изделий, зафиксированных в единицу времени (1/ч или ч-1). Обычно в справочниках ее значение приводится при температуре T = +25(±5) °С. Величина, равная обратной интенсивности отказов λ, для невосстанавливаемых изделий называется средним временем между отказами (наработкой на отказ) и обозначается tср. Принято, что для РЭА интенсивность отказов λ(t) можно считать величиной, не зависящей от времени (λ = const), если аппаратура находится в нормальном режиме работы, то есть прошла период приработки (период «выжигания» дефектных изделий). Продолжительность этого периода составляет, как правило, 100–120 ч, в зависимости от сложности изделия.

Для электронных элементов РЭА, у которых преобладают внезапные отказы, распределение отказов в основном является экспоненциальной функцией. Поэтому расчетная вероятность безотказной работы P невосстанавливаемого изделия за время t, то есть P(t), определяется следующими выражениями:

где tср 0 — среднее время между отказами.

Экспоненциальное распределение отказов не является единственно возможным для компонентов. Для некоторых видов компонентов действуют другие вероятностные распределения отказов: например, для электровакуумных приборов и некоторых деталей машин действует распределение Вейбулла, для электромеханических компонентов (например, реле) — распределение Пуассона и т. д. Для восстанавливаемых изделий параметр потока отказов — Λ(t), который определяет среднее число отказов в единицу времени вблизи момента времени t. К нему в принципе применимы те же соображения и формулы, что и для невосстанавливаемых изделий, то есть Λ(t) не зависит от времени в периоде нормальной эксплуатации после приработки (Λ = const). Расчетные соотношения:

где Tср 0 — среднее время между отказами (другие обозначения: T или T0) или наработка на отказ.

Такой расчет принято называть ориентировочным, поскольку он не учитывает реальных коэффициентов электрической нагрузки Kнi электронных компонентов (в общем случае по мощности, напряжению, току) и температуры T, при которых они работают. На эквивалентной схеме расчета надежности все компоненты располагаются последовательно (наихудший случай). Нетрудно заметить, что при такой методике расчета отказ одного из компонентов равнозначен отказу всего изделия.

Расчет надежности, при котором учитываются реальные условия эксплуатации компонентов, называется уточненным. Расчетные соотношения близки к ранее изложенным формулам:

В прошлом подобные расчеты были очень трудоемкими, поскольку производились в подавляющей степени вручную, в том числе с определением поправочных коэффициентов по таблицам или графикам. В настоящее время расчеты компьютеризированы, и основное время уходит на ввод данных, если разрабатывается принципиально новое изделие.

Расчет подсистем и систем изделия, устройства, комплекса и т. п. производится таким же образом, только вместо параметров компонентов используются данные по безотказности (Tср) отдельных модулей, блоков или других более крупных составных частей сложного устройства РЭА.

Долговечность — способность изделия к длительной эксплуатации при штатном техническом обслуживании (профилактике), в понятие которого могут входить и различные виды ремонта. В зависимости от вида объекта долговечность характеризуется:

  • временем эксплуатации (срок службы в годах или технический ресурс в часах);
  • числом циклов функционирования;
  • объемом произведенной работы.

Технический ресурс изделия определяется такой продолжительностью его эксплуатации, при котором в изделии еще не произошло необратимого усиленного износа, то есть с помощью мелких и средних ремонтов еще возможно восстановить приемлемое время нормальной эксплуатации.

Ремонтопригодность (восстанавливаемость) — приспособленность изделия к предупреждению, обнаружению и устранению отказов. Ремонтопригодность характеризуется затратами времени, труда и средств на указанные работы. Чаще всего указывается среднее время восстановления tв. С целью его уменьшения изделие должно обладать встроенной системой диагностики (сложное изделие) для обнаружения отказа/значительной неисправности, а также необходимым и достаточным комплектом узлов, элементов и других деталей, из которых состоит групповой или индивидуальный ЗИП. Более простые изделия должны иметь для обеспечения контролепригодности возможность подключения внешних штатных или специальных приборов и, конечно, деталей ЗИП.

В целом восстанавливаемые изделия характеризуются обобщенным показателем — коэффициентом готовности Kг, который определяется по формуле:

Так как время tв не может быть нулевым, то величина Kг всегда меньше 1.

Сохраняемость — свойство объекта сохранять в заданных пределах значения параметров, характеризующих способности объекта выполнять требуемые функции в течение и после хранения и/или транспортировки.

Резервирование — способ повышения надежности объекта за счет использования дополнительных средств и/или возможностей, избыточных по отношению к минимальнодостаточному количеству компонентов для выполнения требуемых функций.

Нагруженный (горячий) резерв характеризуется наличием одного или несколько резервных элементов, находящихся практически в режиме основного элемента. При этом расходуется ресурс резервных элементов. Простейший пример — параллельное включение двух однополярных выходов источников питания через разделительные диоды с целью обеспечения нормальной работы изделия при отказе одного.

Ненагруженный резерв — резерв, который содержит один или несколько резервных элементов, находящихся в ненагруженном режиме до начала выполнения ими функций основного элемента. При возникновении отказа резервные элементы включаются в работу быстродействующими переключателями, а основной канал отключается.

Испытания на надежность

Испытания на надежность разделяются на следующие типы:

  • определительные испытания на надежность (проводятся для определения показателей надежности с заданной точностью и достоверностью);
  • контрольные испытания на надежность;
  • эксплуатационные испытания на надежность, проводимые в условиях эксплуатации объекта;
  • ускоренные испытания на надежность, методы и условия проведения которых обеспечивают получение информации о надежности в более короткие сроки, чем при нормальных испытаниях, и др.

Ускоряющими факторами испытаний (УФИ) могут быть температура, солнечная радиация, большее количество колебаний напряжений от номинального значения электропитания в некотором интервале времени и т. д.

Ввиду того что определительные и контрольные испытания на надежность при высоком уровне надежности объектов на современном этапе являются дорогостоящими и трудоемкими (количество образцов, время испытаний несколько тысяч часов), то на практике по классической методике они проводятся очень редко. В основном применяют метод расчетно-экспериментального определения показателей надежности, при котором показатели безотказности всех или чаще менее надежных (априори) составных частей объекта определяют по результатам испытаний и/или эксплуатации. Возможно проведение ускоренных испытаний отдельных важных узлов и модулей. При этом показатели надежности объекта в целом рассчитывают по математической модели. В работе [15] описана одна из разновидностей этого метода, получившая название «Обследование на надежность» и применявшаяся во ВНИИНаучприборе, где работал один из авторов (В. Ланцов) в 1968–1975 гг.

Рекомендации по созданию силовых систем и устройств с повышенной надежностью

В общем случае при проектировании силовых систем и устройств высокого качества необходимо обеспечить выполнение следующих мероприятий.

Выбрать входной автомат включения защиты СУ соответственно питающему напряжению, разрывной мощности (току) со встроенными элементами искрогашения и с необходимым быстродействием. В электроэнергетической или силовой системе устанавливается несколько автоматов соответственно структуре системы. При этом обязательно наличие в СУ или системе узла контроля состояния первичной сети электропитания, которая обеспечивает выключение автомата при ненормальном состоянии сети или токовых перегрузках. Ненормальным (аномальным) состоянием сети электропитания считается, в частности, отклонение напряжения сети за установленные (по ТУ) допуски (например, более +10%, –15% или более ±20%), пропадание одной из фаз трехфазной сети и т. п.

Реализовать эффективное ограничение пусковых токов можно с помощью специальных узлов и компонентов, например включения мощных терморезисторов или мощного резистора, в том числе с применением параллельного его шунтирования тиристором и далее, после прохождения экстратока, с последующим автоматическим отключением после окончания пуска, специальных дросселей, и т. п., например, системы периодического включения тиристора в каждом полупериоде сети при минимальном напряжении на его аноде, как описано в [16]. Процесс нарастания выходного напряжения блока питания, скорости перемещения (вращения) исполнительного устройства или нагрева внутри объектов СУ должен осуществляться плавно, без скачков. Например, для ИВЭ это может обеспечиваться плавным нарастанием напряжения опорного элемента в устройстве управления (УУ) системы регулирования.

При выключении изделия необходимо автоматически разряжать («гасить») остаточную энергию силовых реактивных компонентов — конденсаторов (в выпрямителях ИВЭ, инверторах), индуктивностей (электродвигателей, устройств перемещения).

Выбор схемотехнического решения силовой части устройства следует делать на основе минимизации количества силовых электронных приборов с учетом рекомендаций фирм-изготовителей компонентов. Не рекомендуется использовать в изделиях большой мощности без особой необходимости новые, не проверенные на практике решения.

Также следует выбирать надежные силовые компоненты. По возможности использовать интегрированные силовые модули, которые комбинированы на основе диодов, MOSFET, IGBT.

Коэффициенты электрической нагрузки Кнi силовых компонентов по напряжению, току и мощности должны быть оптимальными с учетом максимальной температуры эксплуатации (наихудший случай).

Особое внимание следует уделять выбору основного устройства управления СУ (ШИМ, ЧИМ, микроконтроллер) и драйверов управления силовыми ключами. При этом одним из основных качеств этих устройств должна быть помехоустойчивость в условиях коммутации больших уровней энергии. Для этого в ряде случаев полезно применять оптронную развязку для драйверов и слаботочных цепей контура обратной связи, а также для элементов измерения токов и напряжений. Оптимизировать разводку и монтаж силовых цепей необходимо таким образом, чтобы минимизировать электромагнитные наводки на проводники и элементы слаботочных чувствительных цепей УУ.

Необходимо предусмотреть эффективные меры по комплексной защите как самих СУ и входящих в них силовых электронных компонентов, так и потребителей преобразованной энергии от различных перегрузок (по току, от КЗ, перенапряжений, перегрева). Часть защитных функций может обеспечиваться выбранными управляющими контроллерами и драйверами. Для электроприводов дополнительно требуется защита от «заклинивания» движителя или нагрузки, от возникновения нежелательных вибраций в рабочем режиме. После разработки узлов защиты необходимо провести аналитическую и практическую проверку (моделирование) их работы при всех вариантах возникновения нештатных ситуаций: при включении СУ, при перегрузках, при несанкционированных включениях/отключениях сетевого напряжения и т. п. Моделирование можно проводить как на математической, компьютерной модели объекта, так и физически на его натурной (или уменьшенной по мощности) модели.

Мероприятия по обеспечению электромагнитной совместимости при проектировании СУ, в частности для мощных источников питания, приведены в [17]. В статье представлены основные структурные схемы входных помехоподавляющих фильтров, приведены расчетные формулы компонентов, а также некоторые данные однофазных сетевых зарубежных фильтров. Характеристики фильтров сетевых помех для устройств мощной силовой техники изложены также в работе [18]. Причем в этой статье приводятся основные характеристики фильтров помех отечественного и зарубежного производства, а также библиография отечественных фирм, которые поставляют сетевые фильтры для СУ. Одной из важнейших задач по обеспечению электромагнитной совместимости следует считать разработку и/или выбор из имеющихся на рынке продаж сетевых фильтров помех, обеспечивающих требуемый минимальный уровень кондуктивных и других электромагнитных помех. Такие помехи могут генерироваться электронными узлами СУ в процессе коммутаций больших мощностей в сеть электропитания и не должны превышать норм, которые определяются техническим заданием на проектируемое изделие.

При проектировании конструкции обращается внимание на необходимость выполнения следующих мероприятий:

  • Выполнение рациональной трассировки монтажа цепей управления силовыми ключами от приводящих драйверов и контроллеров (Lmin) и других мер по электромонтажу, которые снизят потери мощности в трассах и шинах. В свою очередь, это позволит минимизировать паразитные связи на чувствительные входы силовых электронных компонентов, а также на входы драйверов и контроллеров.
  • Обеспечение эффективного отвода тепла от мощных компонентов и узлов путем конвекции и/или обдува высокопроизводительными вентиляторами (при очень большой мощности следует использовать жидкие теплоносители).
  • Выполнение комплекса необходимых мер для обеспечения заданного качества всех параметров электроизоляции (электрическое сопротивление, электропрочность, минимальные и безопасные токи утечек и т. п.) для всех узлов, блоков и компонентов СУ, которые должны быть развязаны от выводов и монтажа питающей первичной сети.
  • Обеспечение оптимальности и достаточности технологии в процессе всего цикла изготовления силового устройства на серийных заводах. При этом необходимо выполнить ряд обязательных мер:
    – Обеспечить входной контроль всех покупных элементов и деталей, хотя бы выборочный (отбраковка по основным параметрам) — для изделий коммерческого применения.
    – Максимально автоматизировать, с учетом экономического обоснования, процессы изготовления всех деталей и узлов собственного изготовления (трансформаторы, дроссели, унифицированные платы и модули и т. п.), чтобы минимизировать негативное влияние человеческого фактора.
    – Применять удобные для технологического контроля методы составления планов, например применение сетевых графиков. Последние позволяют, кроме оперативного контроля процесса изготовления конечного объекта/изделия в случае опережения сроков изготовления отдельных узлов, производить переход на следующий шаг технологии, например начать досрочно цикл приемо-сдаточных испытаний этих узлов. При этом появляется возможность для выполнения других работ, запланированных на более поздние сроки. Именно такие методы управления производством обеспечивают сокращение сроков разработки/выпуска изделий.
  • Выполнение технологической тренировки (ТТ) после изготовления изделия. ТТ подвергается каждое изделие после его настройки. Цель этой процедуры — выявление и устранение дефектов, замена дефектных комплектующих, как покупных, так и собственного изготовления. Возникающие неисправности анализируют и устраняют сразу же после обнаружения (без накопления); время, затраченное на восстановление изделия, в длительность тренировки не входит. Учет времени наработки на отказ Tср производят в специальных документах, например протоколе, технологическом паспорте и т. п. При этом заполняется карта учета неисправностей, которую передают в подразделение надежности в течение суток после регистрации отказа. Продолжительность тренировки первых 100 образцов (как правило, для блоков питания) должна быть не менее 150 ч. Для последующих серийных образцов изделий длительность ТТ может быть изменена.

Виды воздействия, их последовательность, а также длительность и условия проведения испытаний могут быть, к примеру, следующие:

  • Начальная электрическая тренировка при нормальных условиях, указанных в ТУ. Длительность 8–10 ч.
  • Работа изделия на вибростенде, параметры вибрации приводятся в ТУ. Длительность 0,5 ч.
  • Работа изделия при минимальной рабочей температуре эксплуатации. Длительность 8–10 ч.
  • Работа изделия при максимальной рабочей температуре эксплуатации. Длительность 96–108 ч.
  • Завершающая электрическая тренировка при нормальных условиях эксплуатации. Длительность 37,5–40 ч.

Проверку соответствия электрических параметров нормам ТУ во время испытаний и после их проведения осуществляют по методикам и таблицам, которые приводятся в документе, входящем в комплект рабочей документации на изделие. Например, он может называться «Инструкция по тренировке».

Выполнение ТТ позволяет обнаружить и устранить большинство дефектов, связанных с комплектующими элементами, нарушениями в технологии изготовления, некачественной настройке изделия, а также возможные ошибки разработчиков и конструкторов. Среди них могут быть: дефекты печатных плат; плохая металлизация; «ложные пайки» элементов, не обнаруженные при пооперационном контроле; плохое механическое крепление деталей; некачественные элементы электрической изоляции силовых электронных приборов от теплоотводов; неточности методики в инструкции по настройке изделия и др. Благодаря проведению ТТ значительно повышается надежность СУ, особенно на начальном этапе его эксплуатации, на объекте РЭА, где он будет работать.

Примеры из российской практики ненадлежащего обеспечения надежности силовых устройств

Приведем некоторые примеры неудачного обеспечения надежности, вызванные ошибками проектирования, известные авторам из практики некоторых российских фирм. Они поучительны с точки зрения «как не надо делать».

Наличие квалифицированных и опытных кадров — залог успеха

В конце 90-х гг. одно из петербургских предприятий по производству РЭА получило большой заказ на разработку и поставку своих изделий. Одним из его условий была существенная степень модернизации поставляемого изделия. Для этого необходимо было разработать новые импульсные ИВЭ с гораздо большей удельной мощностью и улучшением других параметров.

К сожалению, к этому моменту отдел источников питания предприятия практически распался. Его срочно укрепили специалистами по аналоговой и измерительной технике из других подразделений, и работа «закипела». Когда один ряд модификаций ИВЭ фактически был на выходе из производства, а по другому завершено конструирование, руководство предприятия решило все же произвести квалифицированную техническую экспертизу. Для этого были приглашены специалисты предприятия, специализирующегося на разработке и поставке современных импульсных ИВЭ различной мощности.

Их диагноз был ошеломляющим: первый ряд модифицированных ИВЭ работать устойчиво и надежно не будет ни при каких доделках: его надо снимать с производства и разрабатывать заново. А второй нуждается в доработках, после которых его можно будет запускать в производство. В итоге руководство предприятия заключило с этой фирмой постоянный договор о разработке и сопровождении в производстве упомянутых и всех вновь разрабатываемых и модернизируемых импульсных ИВЭ.

Важность разработки оптимального алгоритма функционирования мощного импульсного источника питания

В работе [19] показано, что в 2001–2002 гг. на НПП корабельно-проектного профиля «Аметист» (СПб), в частности, шел заказ на разработку и поставку большой партии мощных импульсных ИВЭ на современном уровне. Выходная мощность источников должна была составлять порядка 600 Вт, выходное напряжение 27 В, КПД не менее 0,84–0,86. Питание от трехфазной сети переменного тока 3×380 В (±20%) 50 Гц («треугольник»). Первоначально планировалось все функции управления, контроля и защиты возложить на микроконтроллер, что представлялось и рациональным, и современным решением.

Но при отсутствии квалифицированных опытных разработчиков, в условиях цейтнота, когда уже была потрачена большая часть времени, выяснилось, что не удается отработать все режимы работы, а также алгоритм и программу сопряжения мостового преобразователя на IGBT с микроконтроллером. В результате пришлось срочно отказаться «от услуг» микроконтроллера и просто использовать микросхему ШИМ-контроллера с двухтактным выходом (типа SG3525 или MC34025).

Как следствие, в новом варианте ИВЭ пришлось вести доработку схемы в авральном режиме уже непосредственно при производстве опытных образцов и далее на поставочных комплектах источников. Не подлежит сомнению, что все эти обстоятельства вряд ли способствовали достижению высоких показателей надежности при эксплуатации.

Внимание к выбору и исследованию силовых компонентов

Опытные разработчики всегда проверяют вновь используемые силовые компоненты, в том числе и импортные, на соответствие паспортным данным. Первоначальная эйфория по поводу высокой надежности всех импортных компонентов уже прошла. Да, в среднем они более качественные, чем отечественные, благодаря более совершенным исходным материалам, уровню производства и контролю качества. Вместе с тем выяснилось, что и они (при покупке не у «брендов») подвержены отказам, а в случае их замены аналогами нуждаются в обязательной экспериментальной проверке, желательно на реальном объекте.

Один из авторов (Ланцов В.) был свидетелем следующей ситуации [2]. В импульсном стабилизаторе тока накала мощной рентгеновской трубки БХВ-18 в качестве силового ключа использовался MOSFET-модуль типа STE53NA50 фирмы STMicroelectronics. Параметры стабилизатора накала: Uвх = 150±25 В; Uвых = 20–80 В (регулируемое); Iвых = 1–3 А (нагрузка — инвертор); частота коммутации 5–7 кГц. Модуль STE53NA50 имел следующие данные: UDSS = 500 В; ID = 53 А; PD max = 460 Вт; RDSon = 0,085 Ом. В течение нескольких лет работы выход из строя модулей STE53NA50 при настройке, испытаниях и эксплуатации в среднем составлял порядка 1–3% при партии в 100–150 образцов. После снятия STE53NA50 с поставки дистрибьютором была рекомендована замена на другой модуль STE53NC50 в том же корпусе (ISOTOP или SOT-227В) и с теми же паспортными значениями предельных параметров. Как положительное изменение, указывалось, что значение RDSon уменьшилось до 0,075 Ом. После прямой замены модулей STE53NA50 на STE53NC50 (без проверки и исследований) при выпуске новой партии аппаратуры во время настройки и испытаний вышло из строя суммарно 18 образцов STE53NC50 из 25. В результате этой замены пришлось срочно доработать схему стабилизатора в части установки дополнительных защитных компонентов, а также улучшения режима выключения. Из-за необходимости выполнения этих мероприятий задержка выпуска продукции составила 15–20 дней. Анализ постфактум показал, что, приобретя новые свойства (меньшее значение RDSon и меньшее значение заряда на затворе MOSFET для переключения), модуль STE53NC50 стал более «деликатным». По-видимому, он лишился запаса по величине UDSS и особенно UGSS.

Обеспечение помехоустойчивости и помехозащищенности при разработке — непременное условие надежной работы изделия при эксплуатации

В середине 90-х гг. НПП «Буревестник», на котором работал один из авторов (Ланцов В.), получило заказ на разработку и поставку рентгеновских микродифрактометров (МИД-3). Аппараты предназначались для структурного анализа образцов различных материалов. (В те времена заказ 10 аппаратов был большой удачей.) К середине ноября 1994 г. все блоки и модули были изготовлены, автономно настроены и, казалось, готовы для проведения комплексной настройки и юстировки аппаратов.

Однако при первой же стыковке и попытках совместной настройки выяснились очень неприятные особенности: блок управления (БУ) работал нестабильно, с большими сбоями, то есть не обладал необходимой помехоустойчивостью и помехозащитой. Это выражалось в следующем:

  • двигатель перемещения образца после выхода в заданное положение мог самопроизвольно его поменять непредсказуемым образом;
  • шаговый двигатель перемещения детектора рентгеновского излучения мог «рыскать» в режиме стояния;
  • электромагнитная заслонка при срабатывании «давала помеху»;
  • измерительный сигнал с детектора был «зашумлен» и т. д.

Одна из причин этих проблем заключалась в том, что разработчиком блока управления был «чистый» специалист по маломощной аналого-цифровой технике. Срочно примененные меры, связанные главным образом с установкой различных фильтров, не дали устойчивых результатов. В этих условиях руководство вынуждено было минимизировать процедуры комплексной настройки аппаратов и дать разрешение на частичную модернизацию БУ.

Одному из авторов вместе с ведущим инженером Кирсановым А. Л., большим специалистом по отысканию неисправностей, довелось доводить блок управления «до ума». В результате пришлось выполнить следующие работы:

  • переделать монтаж блока с учетом рациональной трассировки измерительных, цифровых и силовых цепей, разводки соответствующих «земель» и частично цепей питания;
  • снабдить двигатель (постоянного тока) перемещения образца и электромагнитную заслонку эффективными LC-фильтрами и подавителями выбросов при их включении/выключении;
  • усовершенствовать схему рекуперации энергии шагового двигателя при выходе «в точку»;
  • на входах цифровых (логических) узлов установить пороговые элементы, а на выходах — более совершенные буферные формирователи;
  • значительно улучшить параметры подавления помех сетевым фильтром во встроенном источнике питания и т. д.

После успешного проведения комплексной настройки и испытаний одного из аппаратов МИД-3, в котором был применен модернизированный БУ, все остальные изделия (девять образцов) были успешно испытаны и сданы заказчику. В дальнейшем подобных проблем на предприятии не возникало.

Приведенные примеры поясняют важность учета следующих факторов, которые направлены на обеспечение высоких параметров надежности изделия в процессе его разработки и изготовления:

  • наличие квалифицированных и опытных кадров разработчиков и конструкторов;
  • необходимость перед проектированием силового изделия разработать оптимальный алгоритм его функционирования во всех режимах эксплуатации изделия, в том числе и нештатных;
  • тщательность подхода к выбору и исследованию силовых компонентов, входящих в изделие;
  • необходимость при разработке особого отношения к проблемам обеспечения помехоустойчивости и помехозащищенности, которые являются непременным условием надежной работы изделия при эксплуатации.

Литература

  1. Ланцов В., Эраносян С. Проблемы надежности силовых систем и устройств в реалиях XXI века. Часть 1 // Силовая электроника. 2012. № 1.
  2. Ланцов В., Эраносян С. Надежность силовых устройств в России: мифы и реалии, проблемы и пути их решения. Часть 1 // Силовая электроника. 2008. № 3.
  3. Ланцов В., Эраносян С. Интеллектуальная силовая электроника: от настоящего к будущему. // Силовая электроника. 2009. № 4.
  4. Эраносян С., Ланцов В. Эволюция импульсных источников вторичного электропитания: от прошлого к будущему. Часть 5.2 // Силовая электроника. 2009. № 5.
  5. Ланцов В., Эраносян С. Электронная компонентная база силовых устройств. Часть 2 // Силовая электроника. 2010. № 1.
  6. Ланцов В., Эраносян С. Электронная компонентная база силовых устройств. Часть 3 // Силовая электроника. 2010. № 2.
  7. http://www.advancedpower.com
  8. http://www.microsemi.com
  9. Дьяконов В. Мощные полевые транзисторы: история, развитие и перспективы. Аналитический обзор // Силовая электроника. 2011. № 3.
  10. Петропавловский Ю. Современные продукты компании Ixys. Обзор силовых IGBT-модулей // Силовая электроника. 2011. № 5.
  11. Рекламный блок на обложке журнала // Силовая электроника. 2011. № 5.
  12. Мартыненко В., Хапугин А. и др. Разработка мощных фототиристоров с функциями самозащиты // Cиловая электроника. 2009. № 5.
  13. Луцкий В. Расчет надежности и эффективности радиоэлектронной аппаратуры. Киев: Изд-во Академии наук УССР. 1963.
  14. Надежность / Энциклопедия современной техники. М.: Госиздат «Советская энциклопедия: энциклопедии, словари, справочники». 1963.
  15. Ланцов. В., Эраносян С. Надежность силовых устройств в России: мифы и реалии, проблемы и пути решения. Часть 2 // Силовая электроника. 2008. № 4.
  16. Эраносян С. А. Сетевые блоки питания с высокочастотными преобразователями. Л.: Энергоатомиздат. 1991.
  17. Ланцов В., Эраносян С. Электромагнитная совместимость импульсных источников питания: проблемы и пути их решения. Часть 2 // Силовая электроника. 2007. № 1.
  18. Ланцов В., Эраносян С. Электронная компонентная база силовых устройств. Часть 4.3 // Силовая электроника. 2010. № 5.
  19. Ланцов В., Эраносян С. Успехи, трудности и проблемы на пути развития силовой электроники в России // Силовая электроника. 2008. № 1.
*  *  *

Другие статьи по этой теме


Скачать статью в формате PDF

Скачать статью в формате PDF 2012_02_94.pdf  

 
ПОДПИСКА НА НОВОСТИ

Оцените, пожалуйста, удобство и практичность (usability) сайта:
Хорошо
Нормально
Плохо