电梯专用变频驱动系统的可靠性研究

摘要

现在电梯、扶梯广泛应用于住宅、商业地产等领域，近期却不时出现被曝出电梯关人、下坠、急停等各种故障和事故，给电梯应用的安全性蒙上了一层阴影。由于电梯是涉及民生和公共安全的产业，近几年政府机构、行业委员会、企业单位等对于非常重视电梯的安全性;另外变频驱动系统作为电梯系统中核心部件，其对电梯稳定工作起着关键作用。本文在这样的背景下，参考国家军用产品、航空航天和汽车等领域的对于产品进行可靠性预计的成熟做法，引入可靠性理念。
　　本课题以电梯专用变频驱动系统为研究对象，该变频驱动系统通常分为五大子系统:主控板、驱动板、储能单元、速度及位置信号采集电路和IO输入/输出接口电路等组成。对系统进行可靠性研究工作分四步骤:第一步，了解变频系统上用的关键元器件的可靠性基础理论和电子类元件的可靠性预计参数定义以及电子类元件的可靠性标准。第二步，根据电梯专用驱动系统的驱动系统所要达到的各项指标，计算驱动系统的相关参数，搭建驱动系统平台设计和各子系统电路平台。第三步，在驱动系统平台的设计中引入可靠性理念，借鉴航空航天和军用品的电子设备可靠性预计标准，参考军标GJB/Z299B-2006和美军标MIL-HDBK217两份可靠性预计标准中对MCU芯片、MOS管、三极管、电阻、电容等电子类元器件的可靠性失效建模，根据驱动系统在电梯实际工况中的现场环境应力、选用的元器件质量系数、元器件结构系数和电路工作应力等相关参数预估出产品的失效率。再以串联模型进行计算，各元器件失效率的累加可以得到系统总失效率，同时也得到产品的MTBF(Mean Time Between Failures)平均无故障时间。第四步，再借助国内外广泛认可的可靠性分析手段之一FMEA(Failure Mode and EffectAnalysis)潜在失效及后果分析来确定驱动系统的潜在失效模式及失效后果，提出相关预防或者解决措施来降低潜在失效发生机率的措施，提高驱动系统产品的可靠性。
　　通过本文的研究可以发现，可靠性工作是个繁琐且持续性地工作，非一朝一夕就能完成。它需要设计者和维护者一起持续维护更新。可靠性预计和DFMEA(Design Failure Mode and Effect Analysis)设计潜在失效及后果分析工具可以在产品设计阶段的为其质量提供保驾护航的作用。

目录

声明

摘要

符号说明

第一章 绪论

1．1 课题的研究背景及意义

1．1．1 课题研究背景

1．1．2 课题研究目的和意义

1．2 可靠性相关基础知识

1．2．1 可靠性起源与发展概况

1．2．2 可靠性相关标准

1．3 本论文主要内容

第二章 可靠性基础研究和理论分析

2．1 可靠性基本定义及主要参数指标

2．1．1 可靠性基本定义

2．1．2 产品的失效规律

2．1．3 可靠性预计常用参数

2．1．4 可靠性预计模型种类

2．1．5 计数法预计方法

2．1．6 可靠性预估应力分析法

2．2 FMEA潜在失效模式及影响分析概念

2．2．1 FMEA定义和起源

2．2．2 FMEA分类

2．2．3 FMEA参数指标

2．3 可靠性预计软件Relex Reliability Studio

第三章 电梯专用变频驱动系统分析

3．1 变频驱动系统主回路拓扑设计

3．2 整流和逆变回路设计

3．2．1 驱动电路设计

3．2．2 整流与逆变IGBT选型

3．3 预充电回路设计

3．3．1 充电电阻设计选型

3．3．2 继电器选型

3．4 开关电源模块设计

3．5 母线电容设计

3．6 主控回路设计

3．7 输入／输出IO接口电路设计

3．8 速度及位置信号采集电路

3．9 本章小结

第四章 变频驱动系统可靠性预计和FMEA研究

4．1 系统可靠性预计分析

4．2 系统可靠性预计实现

4．2．1 各子系统电路组成

4．2．2 典型元器件可靠性预计模型

4．3 系统可靠性预计

4．3．1 子系统的失效率计算

4．3．2 整机的失效率预计

第五章 系统DFMEA的设计分析

5．1 DFMEA分析步骤流程图

5．2 DFMEA报告生成

5．2．1 制定DFNEA评价标准

5．2．2 电路和元器件DFMEA评级

5．2．3 变频驱动子系统DFMEA报告

5．2．4 变频驱动系统DFMEA报告

5．3 薄弱环节的纠正措施

第六章 结论

参考文献

致谢

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