產品的可靠性指標是其質量屬性中極為重要的部分。產品的可靠性越高,所需維修保養的費用就越低,從而可盡量減少用戶的開支,并保證用戶設備的正常運行。同時,只有具有高可靠性的產品,才能在市場上具有真正的競爭力。
一、無觸點穩壓器產品可靠性的現狀
在現代電源領域,要保證電源裝置能做到精密地控制和可靠地運行,必須采用電力電子技術,在裝置中使用電力半導體器件(可控硅)。電力半導體器件具有效率高、控制性能好、體積小、重量輕、使用可靠等許多優點。因此,采用電力電子技術對電力穩壓器進行升級換代,已是大功率電力穩壓器的主要發展方向。
經中科院技術文獻情報中心確認,“潘登”無觸點穩壓器多項技術屬國內外首創,其整體技術達到了國際同類產品的先進水平。該產品整機無機械操作、無碳刷接觸、無噪聲調壓、無瞬間斷電、三相全部分調,響應速度極快,帶雷電浪涌防護及具備所有的保護功能,工作穩定可靠,使穩壓器實現了長期免維護。容量已做到2000KVA,補償范圍可達±50%,且效率高、運行可靠,系新一代綠色環保節能產品,經信息產業部產品質量監督檢驗中心對該產品進行檢驗,認定是目前國內最先進、容量最大的無觸點穩壓器。
隨著無觸點穩壓器逐步被市場和用戶認可,眾多穩壓器廠家隨后也陸續推出結構各不相同的無觸點穩壓器。由于主電路結構的不同,它們的性能差異往往比較大;加之某些廠家在技術上投入不夠,研究不深;對無觸點穩壓器的關鍵器件——可控硅模塊的性能、應用也缺乏足夠的試驗和了解;甚至極個別廠家還存在偷工減料,在元器件的選擇上以舊充新,以次充好的行為。凡此種種原因,最后集中反映在產品的可靠性上,造成很多廠家的無觸點穩壓器性能極不穩定,使用可靠性很差,時間一長,致使許多用戶形成一種誤解,認為目前市場上的無觸點穩壓器都不可靠,都不能用,最后都不敢買。
二、“潘登”無觸點穩壓器與其它無觸點穩壓器的比較
為澄清廣大用戶的一些誤解,我們將市場上的無觸點穩壓器給大家作一些分析。
不同主電路結構的無觸點穩壓器,主要區別在于補償電壓的調節方式上,它直接關系到穩壓器的工作可靠性、動態響應、穩壓精度、穩壓范圍、最大容量、波形失真等性能指標。
目前市場上的無觸點穩壓器的主電路大致可分為以下三種類型:
1、自耦調壓補償式(上海潘登新電源公司專利技術)
此種結構通過控制雙向可控硅的通斷,來切換自耦變壓器的抽頭,從而改變補償變壓器補償電壓的大小和極性,達到穩定輸出電壓的目的。
主要優點
(1)、由于采用自耦變壓器抽頭分級調壓,既降低了雙向可控硅的通斷電壓(由220V降至200V以下),又能抑制換檔時產生的浪涌電流(自耦變壓器自身就是一個大功率的電抗器),因而大大地提高了雙向可控硅的工作可靠性。
(2)、由于控制電路中采用了“互鎖隔離”技術(上海潘登新電源公司專利技術),徹底解決了外界干擾造成雙向可控硅誤動作而產生的環流問題,有效的避免了可控硅器件的損壞。
(3)、由于控制部分主要采用模擬集成電路,因而對惡劣電網環境的適應能力很強。
2、自耦式
此種結構的無觸點穩壓器,是通過控制雙向可控硅的通斷,來直接改變自耦變壓器的變比,從而達到穩定輸出電壓的目的。
主要缺點
由于可控硅直接串接在主電路中,負載電流全部從可控硅中流過,負載電流中的瞬變、波動極易損壞可控硅;而長期通過大電流產生很大熱量,也使可控硅工作在惡劣的工況下,性能劣化,可靠性變差。
另外,采用這種結構來做大容量的穩壓器,可控硅容量也需選得很大,這給可控硅余量系數的確定、可控硅散熱設計均造成很大的困難,極易引起可靠性變差。
相對于自耦式,“潘登”無觸點穩壓器的優點為:
由于“潘登”無觸點穩壓器的可控硅不在負載電流的主通路,只是接在調壓回路中,通過的電流不大,只有負載電流的幾分之一,甚至十幾分之一,二十幾分之一,所以器件的余量系數可從容選擇,工作時發熱也不厲害,可控硅能長期可靠工作;同時穩壓器的容量也可以做得很大(目前已能生產的最大容量為2000KVA)。
3、純補償式
此種結構是通過雙向可控硅的通斷, 控制補償變壓器組合的投入、退出或改變極性,從而達到穩定輸出電壓的目的。
主要缺點
可控硅通過橋臂形式,直接接在相線與零線之間(220V),因而工作電壓高,換檔時產生的浪涌電流大,極易損壞可控硅;同時,這種電路在可控硅誤導通時,很容易造成相線與零線之間短路,瞬間就會燒毀可控硅,故其可靠性很差。
相對于純補償式,“潘登”無觸點穩壓器的優點為:
由于“潘登”無觸點穩壓器的可控硅網絡位于補償變壓器的輸出側,且又經過自耦變壓器的降壓,則既降低了可控硅的通斷電壓(由220V降至200V或更低),又能抑制換檔時產生的浪涌電流(自耦變壓器自身就是一個大功率的電抗器),因而大大地提高了可控硅的工作可靠性和抗干擾能力。
三、“潘登”無觸點穩壓器在增強可靠性方面采取的措施
為保證產品具有高可靠性,上海潘登新電源公司采用了一整套科學的方法,下面僅就我們在“可靠性設計”、“可靠性增長”、“可靠性管理”等幾個主要方面采取的措施進行介紹。
1、 可靠性設計措施
(1)、降額設計
為降低失效率,提高產品可靠性,我們在主要元器件參數的選擇方面,有針對性的適當采用了“降額設計”的方法。如,對可控硅模塊容量,我們已按3~5倍通態平均電流ITAV來選擇,這相當于在通常使用的設計余量系數的基礎上,又增加了一倍。從而使影響無觸點穩壓器可靠性的關鍵環節得到加強,大大提高了產品的可靠性。
(2)、電磁兼容設計
為防止因穩壓器工作現場電磁環境影響而引起的錯誤或失效,我們采取了不少消除和減少干擾的措施。如,我們采用目前世界上最先進的美國JOSLYN公司的MOV矩陣技術,有效地抑制了可控硅工作期間產生的浪涌尖峰(我公司是美國JOSLYN公司浪涌防護產品在中國的總代理)。另外,我們還加強了電源濾波設計,提高了系統的抗干擾能力。
(3)、散熱設計
在散熱設計方面,我們經過數年的摸索改進,設計出一套合理的散熱措施和適用的散熱數據,有效的降低了可控硅器件及機箱內的溫升,大大減少了因過熱引起的可控硅器件性能劣化和失效。
2、 可靠性增長措施
對于無觸點穩壓器,我們十分重視不斷改正產品設計和制造中的缺陷,不斷提高產品可靠性。從1999年第一臺產品出廠至今,我們不斷跟蹤用戶的使用情況,結合售后服務的反饋信息,不斷分析研究故障來源以及潛在的故障隱患,及時加以改進,并確保在修正設計時不會引進新的故障源。
在產品設計和修正設計階段,我們做過大量的試驗,并一直堅持采用試驗的方法來檢查故障源,爭取在產品設計階段就將故障隱患予以解決。
3、 可靠性管理措施
上海潘登新電源公司嚴格按照ISO9000國際質量認證體系進行產品質量管理,對產品生產過程、使用過程中發生的故障和缺陷,建立了一整套完整的采集、整理、反饋、分析、處理系統,從制度上對提高產品的可靠性提供了十分有力的保障。
此外,我們在可控硅、變壓器等主要器件、部件的選用上,也都進行了嚴格的質量控制。如,對可控硅模塊,我們加強了對通態峰值電壓VTM的篩選,盡量將器件溫升控制在較低的范圍內;對可控硅門極工藝也提出了更高的要求。對主、副變壓器,我們也采用了損耗小、溫升低、效率高的環形變壓器結構。
通過幾年的努力,“潘登”無觸點穩壓器的可靠性不斷得到提高,至今,產品的平均無故障運行時間已可達10萬小時。
四、關于單片機控制的無觸點穩壓器
目前市場上的無觸點穩壓器,很多都采用單片機來構建控制系統。單片機技術固然優點不少,相對比較先進,但它也有弱點,即抗干擾處理比較復雜、困難。而對于大功率電力穩壓器,其工作環境尤其是電磁環境往往比較惡劣,所以電路結構和控制系統,應力求簡潔可靠,尤其抗干擾能力要強,才能保證一個較高的工作可靠性。如果為追求時尚,不分場合的盲目應用單片機技術,將是得不償失的。
因此,我們認為,如果對穩壓器的主要性能指標沒有多大的改進,還是要慎重對待單片機技術在無觸點穩壓器中的應用。
五、綜述
過去市場上的電力穩壓器大多是機械碳刷型的,而使用碳刷和機械傳動,必定會產生工作壽命短、響應速度慢、碳刷接觸面小而影響輸出電流、碳刷磨損快需要經常維護、更換等許多缺點和問題,因此,無觸點穩壓器,已是大多數用戶的必然選擇。隨著生產廠家技術、工藝水平的不斷改進,無觸點穩壓器的工作可靠性不斷提高,同時也隨著用戶對該產品認識的不斷深入,無觸點穩壓器一定會有一個更好的市場前景。
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