摘要：电力电子技术是20世纪后半叶诞生和发展的一门崭新的技术，是使用电力电子器件对电能进行变换和控制的技术。随着科技的发展和社会不断进步，电力电子技术也得到了极大发展。本文通过硬件的冗余配置和软件的容错编程，提高了整流系统的可靠性。
关键词：可靠性框图；可靠度；ＭTＢF；冗余
可靠性工程是赋予产品可靠性的一种综合技术：设计奠定可靠性，精细制造保证可靠性，用心维护保持和延续可靠性。可靠性设计就是要在构思、定义、研制阶段中考虑可靠性要求，以保证未来产品有较高的可靠性。
一、整流器概述
整流器的研究始于上世纪80年代，一经提出便成为了电力电子技术研究领域的一个热点，随着功率器件的不断发展和相关控制技术的日新月异，整流器技术得到了飞速的发展，对其研究也不断深入。首先提出了基于可关断器件的整流器拓扑结构及其网侧电流幅相控制策略，实现了电流型整流器网侧单位功率因数正弦波电流控制；基于整流器拓扑结构的无功补偿器控制策略，开创了电压型PWM整流器早期的设计思想；到20世纪80年代末，提出了基于坐标变换的整流器连续、离散动态数学模型及控制策略，PWM整流器的研究发展到了新的高度。从90年代以来，随着电力电子技术进一步发展，基于整流器的应用研究也发展起来，如电网中的有源滤波器、风力发电并网系统、太阳能光伏并网系统、交流传动、高压直流输电等方面。伴随着IGBT的普遍应用，整流器正朝着高频化方向发展，可以使交流侧波形的正弦度可以得到更大提高，同时也可以减少直流侧纹波，在减轻系统体积和重量的同时增强系统的整体性能。
二、几个常用的可靠性参数
系统可靠性是指产品在规定的条件下和规定的时间内，完成规定功能的能力。可靠性设计的目的是找出设计产品潜在的失效模式和薄弱环节，通过设计进行预防和改进，从而消除失效模式和薄弱环节。可靠性设计的任务是通过设计确定系统可靠性。系统可靠性定量衡量的几个参数为平均故障率λ（t）；可靠度R（t）；平均故障间隔时间MTBF。
1．平均故障率λ。平均故障率为在规定的条件下和规定的时间内，产品的故障总数与寿命单位总数之比。平均故障率公式：
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式中：rg—出现故障的次数，个；No—CPU数量，个；t—工作时间，h。如：一批CPU 1 000个，开始工作5 000 h，内有100个出现故障，工作5 000 h时的平均故障率：
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2.可靠度R（t）。可靠度是产品在规定的条件下和规定的时间内，完成规定功能的概率。
可靠度公式：
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式中：No表示t=0，开始时的产品总数；r（t）表示在0到t时刻的工作时间内，产品的累计故障数。CPU的可靠度为：
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实际上，可靠度随运行时间在变，因此R（t）是一函数，其与平均故障率λ的关系为：
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。
2．平均故障间隔时间MTBF。产品从开始工作直到出故障所经历的时间称为无故障时间。在一批产品中每个无故障时间的平均值称为平均无故障时间MTBF。依据定义可得：平均故障间隔时间MTBF与平均故障率λ的关系表达式为：
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三、可靠性框图技术及其应用分析
1.可靠性框图技术。可靠性框图是研究系统可靠性的重要工具，其最基本的类型是：串联系统；并联系统，在此基础上又派生出一些其他类型，整流系统的可靠性问题也仅与这基本的类型有关，故仅讨论串联与并联系统。
２．串联系统及其应用分析。组成系统的所有单元（子系统）中任一单元故障均会导致整个系统的故障称为串联系统。它有n个单元（子系统）串联而成，设各单元的可靠度分别为：R1，R2，R3，…，Rn，则整个系统的可靠度为：R=R1×R2×R3×…Rn。由于每个单元的可靠度Ri的取值范围在0～1之间，故从设计角度出发，为提高系统的可靠性，应从下面几方面考虑：（1）尽可能减少串联的单元数，而每一单元内部要多用集成电路，少用分立元件，减少元器件的种类与数量；（2）提高单元的可靠性，即降低其故障率λ；（3）系统中某一单元的可靠度比其他单元的低较多时，可适当采用高质量等级军用元器件或更改单元设计，以提高单元的可靠度。则整流系统的可靠度为：R=R变压器×R整流器×R冷却系统，由于变压器的使用年限为25年、MTBF为1.75×105 h，这相当于运行后20年内不会出故障；而冷却系统都是2台水泵，1开1备，其能在线维修，故其可靠性也很高，可靠度可近似是1。如此，决定整流系统可靠性的便是整流器了，为使其在15年的使用年限内可靠工作，整流器内部诸多单元设计需遵从以上三方面。
3.并联系统及其应用分析。组成系统的所有单元（子系统）都发生故障时，系统才发生故障称为并联系统。其可靠性框图模型见图1。
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图1冗余数与可靠度对比图 表2 R1随冗余数变化值对应表
由图1可看出如下趋势。（1）同一冗余系统，随单元自身可靠度的不同，其系统冗余后可靠度的增幅不同；（2）系统可靠度随冗余单元数的增加而增加；（3）在R1较小或较大时，1+n冗余与1+（n+1）冗余的可靠度R值越来越接近。为定量分析，再列出R1随冗余数变化值对应表，见表2。
依据表2中数据，从理论上有以下分析。（1）单元的可靠度在0.9以上时，1+1冗余的系统可靠度就相当高了，没必要再增加冗余单元；（2）单元的可靠度在0.8～0.9时，1+1或1+2冗余即可；（3）单元的可靠度在0.7～0.8时，1+2或1+3冗余即可；（4）单元的可靠度在0.7以下时，建议采用高质量等级军用元器件或更改单元设计，以便提高单元的可靠度。 以上仅是理论上提高系统可靠度的分析，实际中还要考虑投资、装配尺寸、冗余单元之间实现功能切换的难度、编程规模、系统自身功耗、是否能在线更换等实际问题。例如，某单元可靠度0.7，其尺寸较大，单元制造价格较便宜，可在线更换，那么其1+1冗余也是完全可以的。总之，单元的冗余数要根据投资情况确定，使产品具有高性价比。通常冗余技术不宜普遍采用，只能有选择地用于失效后非常严重的场合。离子膜电解对整流系统的可靠供电有较高的要求，故整流系统中采用了冗余技术。由于各整流器厂家的控制方式不同，在此，仅对共性的冗余单元列举如下。工作电源冗余：双交流电源，双电源模块的冗余；反馈信号冗余：交流与直流信号的冗余；同步信号冗余：由不同的采样点采来2个相互独立的同步信号；通讯系统冗余：上、下位机和通讯介质的冗余；控制触发单元（控制调节器）冗余：大多是同构1+1冗余，也有的是异构1+2冗余。以上单元多采用了1+1的冗余，从实际应用来看，能满足生产的可靠性要求，这些单元的冗余设置通常是经常出故障的环节，经过应用后，感到有必要冗余，在后来的设计就完善上了。
结语：
流器从开始出现便受到了人们的关注，由于其功率因数高、能够方便的实现四象限运行等优点，整流器的应用范围越来越广，逐渐向着频率更高、功率更大的应用场合发展。
参考文献：
[1]张建．基于空间电压矢量控制的整流系统的研究．北京：机械工业出版社，2019，P7～153
[2]董涛．三相PWM整流器及其控制方法的研究．博士学位论文，西安交通大学，2018，
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