Eingliederung der Zuverlässigkeit von Leistungselektronik-Wandlern in die moderne Zuverlässigkeitsanalyse von Stromsystemen
Dieser Artikel zielt darauf ab, das Zuverlässigkeitsmodell von Leistungselektronik-Wandlern in die Zuverlässigkeitsanalyse von Stromsystemen einzubeziehen. Die Zuverlässigkeit von Wandlern wurde weitgehend auf Bauteil- und Wandler-Ebene gemäß der Ausfallphysik analysiert. Optimal Entscheidungen für Planung, Betrieb und Wartung von Leistungselektronik-Wandlern erfordern jedoch eine systemebene Modellierung der Zuverlässigkeit von leistungselektronikbasierten Stromsystemen. Daher schlägt dieser Artikel ein Verfahren vor, um die Zuverlässigkeit von leistungselektronikbasierten Stromsystemen von der Bauteilebene bis zur Systemebene zu bewerten.
1.Einführung
Die Modernisierung des elektrischen Energieversorgungssystems ist entscheidend für eine zuverlässige und sichere Energieversorgung mit einem geringen bis null Kohlenstofffußabdruck. Sie erfordert die Bereitstellung neuer Technologien und Infrastrukturen sowie die Liberalisierung des Elektrizitätssektors. Einige etablierte Technologien spielen dabei eine bedeutende Rolle bei der Modernisierung von Stromsystemen, darunter erneuerbare Energieressourcen, Speichersysteme, elektronische Übertragungs- und Verteilersysteme und Elektromobilität. Insbesondere spielt die Leistungselektronik (PE) eine grundlegende Rolle im Energiewandlungsprozess der genannten Technologien. Besonders der Weg zu hundert Prozent erneuerbaren Energien hat die Bedeutung der PE in zukünftigen Stromsystemen verstärkt.
2.Zuverlässigkeitskonzept
Zuverlässigkeit wird definiert als die Fähigkeit eines Systems oder eines Gegenstands, unter gewünschten Bedingungen innerhalb eines bestimmten Zeitraums zu funktionieren. Gemäß dieser Definition muss die Leistung des Systems/Gegenstands innerhalb eines vorgegebenen Intervalls während des Zielzeitraums beibehalten werden. Abhängig vom System können die Zuverlässigkeitsmaße unterschiedlich sein. Zum Beispiel, in einem missionbasierten System, wie einem Raumschiff, wird die Zuverlässigkeit als die Wahrscheinlichkeit des Überlebens während des Zielmissionszeitraums definiert. Somit muss die erste Ausfallzeit mit einer gewünschten Wahrscheinlichkeit länger als der Zielmissionszeitraum sein. Darüber hinaus wird in einem wartbaren/reparierbaren System/Gegenstand mit Wartungsmöglichkeit die Leistung durch die Verfügbarkeit als Zuverlässigkeitsindikator gemessen. In diesen Systemen/Gegenständen ist es wichtig, dass sie jederzeit betriebsbereit sind, unabhängig von möglichen Ausfällen zuvor. Dies bedeutet, dass das System immer dann gewartet werden kann, wenn es ausfällt, und die einzigen Probleme sind die Ausfallhäufigkeit und die Ausfallzeiten.
3.Modellierung der Wandlerzuverlässigkeit
Die Ausfallcharakteristika eines Wandlers, wie bei anderen Systemen, bestehen aus drei Phasen: Säuglingssterblichkeit, nützliche Lebensdauer und Verschleißphase, wie in Abbildung bekannt als Badewannenkurve. Normalerweise sind die Säuglingssterblichkeitsausfälle mit den Debugging- und Fertigungsprozessen verbunden. Daher wird der Wandler während des Betriebs zufällige und Verschleißausfälle erleben. Zufällige Ausfälle haben in der Regel externe Ursachen, wie Überspannung und Überstrom. Daher werden sie in der Badewannenkurve als exponentiell verteilte Ausfälle innerhalb der nützlichen Lebensdauer betrachtet. Die entsprechende Ausfallrate wird in der Regel auf der Grundlage historischer Zuverlässigkeitsdaten und Betriebserfahrungen vorhergesagt.
4.Zuverlässigkeit des Stromsystems
Die Zuverlässigkeit des Stromsystems, auch bekannt als Angemessenheit, ist ein Maß für seine Fähigkeit, die elektrischen Energiebedürfnisse der Kunden innerhalb akzeptabler technischer Grenzen zu erfüllen, unter Berücksichtigung der Komponentenausfälle. Das Hauptmaß, das in der Zuverlässigkeitsbewertung von Stromsystemen verwendet wird, ist die Verfügbarkeit seiner Komponenten. Verfügbarkeit wird definiert als die Wahrscheinlichkeit, dass ein Gegenstand zu jedem beliebigen Zeitpunkt im Betriebszustand ist. Dieser Abschnitt präsentiert das allgemeine Konzept der Komponentenverfügbarkeit mit zeitkonstanten und zeitvariablen Ausfallraten. Darüber hinaus wird die Zuverlässigkeit von Stromsystemen und deren Untergruppen dargestellt.
5.Schlussfolgerung
Dieser Artikel hat ein Verfahren vorgeschlagen, um die Konzepte der Leistungselektronik und der Zuverlässigkeit von Stromsystemen zu verbinden. Die Zuverlässigkeit von Leistungselektronik-Wandlern wird in die Zuverlässigkeitsanalyse von Stromsystemen eingebunden, was für optimale Entscheidungen in Planung, Betrieb und Wartung moderner Stromsysteme nützlich sein kann. Die detaillierte Zuverlässigkeitsmodellierung von leistungselektronikbasierten Stromsystemen wurde von der Bauteilebene bis zur Systemebene vorgestellt. Der Einfluss der Wandlerausfallraten auf die Leistung von Stromsystemen wurde für verschiedene Anwendungen illustriert..
Quelle: IEEE Xplore
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