電源設備可靠性的研討

2?4有效度（可用度）A

A的定義為：電子系統(tǒng)使用過程中（尤其在不間斷連續(xù)使用條件下）可以正常使用的時間和總時間的比例（通常以百分比來表示）。即：

A=MTBF/（MTBF＋MTTR）

A值越接近于100％，表示電子系統(tǒng)有效工作的程度越高。

實際上，設備MTBF受到系統(tǒng)復雜程度，成本等多方面因素的限制，不易達到很高的數值。盡量縮短MTTR也同樣可以達到增加A的目的。對于高失效率單元，采用快速由備份單元代替失效單元的冗余式設計，可以在MTBF不很高的情況，使MTTR接近于0，這樣，也可以使A近于100％。

2?5可靠度R（t）

可靠度R（t）是衡量電子系統(tǒng)可靠性的最基本的指標?？蓮目煽慷萊（t）的定義中導出故障概率F（t）。即：

F（t）=1－R（t），或R（t）=1－F（t）。

可以看出，對于R（t）和F（t）來講，其值均為時間量t的函數。極端來講，t=0時，任何系統(tǒng)的R（t）=1，〔F（t）=0〕。在t=∞時，任何系統(tǒng)的R（t）=0，〔F（t）=1〕。R（t）和F（t）只有在指定的時間范圍以內才有具體的意義。在實際使用中常用年可靠度P來表示。

年可靠度P的定義為：電子系統(tǒng)在規(guī)定的環(huán)境條件下，在1年的時間內，完成規(guī)定功能的概率。例如P=0.9，就說明系統(tǒng)在一年內有90％的可能不出現故障。（也即有10％的可能會出現故障）。如果在一個地點有10臺同類設備，則平均1年會有1臺設備可能需要進行維修。

國際通信衛(wèi)星系統(tǒng)有關可靠度R（t）的參考數據如表4所列。

2.6失效率λ，平均無故障工作時間MTBF和可靠度R（t），故障概率F（t）之間的數學關系

依據λ，MTBF，R（t），F（t）的定義和基本數學表達式，經數學運算以后，可得出以下的相互數學關系（運算過程從略）。

（1）MTBF=1/λ或λ=1/MTBF，

即λ和MTBF互為倒數關系。

（2）R（t）=e－λt或R（t）=e－t/MTBF=1/et/MTBF，

即R（t）和λ之間為指數關系。

（3）F（t）=1－R（t）或R（t）=1－F（t），

這樣，λ，MTBF，R（t）三個指標，可以通過上述換算，從一個量算出另兩個量的對應數值。在不同的場合，以上三個指標都可能在衡量電子系統(tǒng)可靠性時交替使用。

3提高系統(tǒng)可靠性的途徑

3?1認真從事系統(tǒng)可靠性的設計

電子系統(tǒng)的可靠性模型，大體上有以下三種形式：

（1）串聯系統(tǒng)的可靠性模型

串聯系統(tǒng)模型如圖1所示。串聯系統(tǒng)是指它的每一個元件對于系統(tǒng)的正常工作都是必須的，不可或缺的；任何一個元件的失效，將導致系統(tǒng)工作不正常。這是一種較常見和簡單的系統(tǒng)。

如果系統(tǒng)有N種元件，每種元件的失效率為λi(i=1～N)，則串聯系統(tǒng)的總失效率：

λ?=n1λ1＋n2λ2＋……nNλN

總的無故障工作時間：

MTBF?=1/λ?=1/[n1λ1＋n2λ2＋……nNλN]

年可靠度：P=1/e8760·λ?=1/e8760/MTBFN。(因每年共8760h)。

例（1）：優(yōu)質的交流參數穩(wěn)壓電源單元的MTBF0=20萬h，如果每臺鐵路信號屏用10只電源單元。則每屏交流電源部分的MTBF=MTBF0/10=2萬h。相當于年可靠度P=0.645=64.5％。即年故障概率F=1－P=35.5％。也就是每臺電源屏每年有35.5％的可能性需要維修。如果一個車站有10臺信號屏，則每年有3～4臺交流參數穩(wěn)壓電源單元有可能出故障，就是很正常的情況。這也和某部門有100臺電源單元，大都連續(xù)工作的故障概率相仿。

圖1串聯系統(tǒng)模型

可見，雖然每單元交流參數穩(wěn)壓電源MTBF0=20萬h，已經比其他類型的交流電源高了許多倍（其它類型電源MTBF往往只有數千h）。但處于連續(xù)工作條件下的串聯系統(tǒng)模型的信號屏的可靠度并不十分令人滿意。

（2）并聯系統(tǒng)的可靠性模型

并聯系統(tǒng)模型如圖2所示。圖中：U1，U2均可單獨地實現系統(tǒng)的功能，而且U1，U2任何一個單元出現故障，將自動（或手動）和輸入、輸出端斷開，同時接入另一個互為備份的單元。

顯然，并聯系統(tǒng)的任何一個單元的失效，均不會影響系統(tǒng)的功能，只有在二個單元均失效時，系統(tǒng)才不能正常工作。同理也可以N個單元并聯構成一個系統(tǒng)。

其數學關系為：

故障概率：F（t）=F1（t）·F2（t）…FN（t）

若F1（t）=F2（t）…=FN（t）則可靠度：

R（t）=1－F（t）=1－[F1（t）]n

例（2）：優(yōu)質的交流參數穩(wěn)壓電源單元的MTBF0=20萬h，每臺鐵路信號屏用10只電源單元。若每個電源單元有2臺互為備份的電源構成并聯系統(tǒng)。則每臺電源的年可靠度：

P1=1/e8760/MTBF，P1=0.957

年故障概率F1=1－P1=0.043

所以，每個電源單元（2臺互為備份的電源構成）的年故障率為：

F11=[F1]2=1.85×·10－3

每個電源單元的年可靠度：

P11=1－F11=1－[1－P1]2

=1－1.85×10－3=0.998=99.8％

每臺鐵路信號屏有10只電源單元，則每臺信號屏的年可靠度：

P=（P11）10

=（0.998）10=0.98=98％，

即年故障概率F=1－P，為2％。

若一個車站有10臺信號屏，則每年只有2％的可能性，會進行一次維修。與例（1）串聯系統(tǒng)相比，故障概率降低了近18倍。

結論很明確，在每個單元的可靠性受各種限制不可能太高，而又要求系統(tǒng)具有很高的可靠度的情況下，采用并聯系統(tǒng)代替串聯系統(tǒng)是提高電子系統(tǒng)可靠性的根本方法。美國波音707飛機的發(fā)電機采用4臺并聯系統(tǒng)（用1備3），核電站的直流供電采用三臺并聯系統(tǒng)（用1備2），都是很好的例子。

并聯系統(tǒng)的成本將高于串聯系統(tǒng)，但為了保證必要的可靠性，花些代價是必須的也是值得的。

（3）混合系統(tǒng)可靠性模型

實際工程中，為了在成本和可靠性方面求得平衡，常常使用串聯和并聯混合系統(tǒng)。也就是對可靠度較低的單元采用并聯系統(tǒng)，可靠度高的單元保持串聯系統(tǒng)。模型如圖3所示。

混合系統(tǒng)的可靠度：

R（t）=R1（t）·R2（t）·R3－2（t）·R4（t）

如果R1=R2=R4=0.99，R3=0.9

則R3－2=1－[1－R3]2，R3－2=0.99

R=R1·R2·R3－2·R4

=0.96=96％。（F=4％）。

假使，U3不用并聯系統(tǒng)，則R=0.87=87％，（F=13％）?？梢?，兩者可靠度的差別還是很明顯的，故障率降低了3倍多。混合系統(tǒng)比串聯系統(tǒng)可靠性高，比并聯系統(tǒng)簡單。

3.2改善電子系統(tǒng)的使用環(huán)境降低元器件的環(huán)境溫度

電子系統(tǒng)的可靠性和使用環(huán)境如何有著極為密切的關系。元器件的失效率在不同的使用環(huán)境中和其基本失效率差別很大，通常應以環(huán)境系數進行修正。美國于上世紀70年代公布了不同元器件的環(huán)境系數數值。原有9種環(huán)境條件，現只列出較常用和有代表性的4種如下：

圖2并聯系統(tǒng)模型

圖3混合系統(tǒng)模型

——GB：良好地面環(huán)境。環(huán)境引力接近于“0”，工程操作和維護良好。

——GF：地面固定式的使用環(huán)境。裝在永久性機架上，有足夠的通風冷卻。由軍事人員維修，通常在不熱的建筑內安裝。

——NS：艦船艙內環(huán)境。水面艦船條件，類似于GF。但要受偶然劇烈的沖擊振動。