CN109444739B - 一种开关磁阻电机系统功率变换器的可靠性评估方法 - Google Patents

Abstract

本发明提出了一种开关磁阻电机系统功率变换器可靠性评估方法，首先在功率变换器建造成本和功能需求的条件下，确定满足要求的拓扑集，然后依据系统实际运行的需求，制定失效判别准则，检查各故障下功率变换器的运行状态是否触发制定的失效判别准则，从而对各元器件依据功能进行分类，进而建立功率变换器的k‑out‑of‑n:G模型，定量求解拓扑集中功率变换器的可靠度和平均无故障时间，从而选定可靠性最高的功率变换器拓扑，有效的提高了开关磁阻电机系统功率变换器的寿命，具有良好的工程应用价值。

Description

一种开关磁阻电机系统功率变换器的可靠性评估方法

技术领域

本发明涉及一种开关磁阻电机功率变换器的可靠性定量评估方法，尤其适用于不同类型的开关磁阻电机功率变换器拓扑结构。

背景技术

开关磁阻电机功率变换器是开关磁阻电机驱动系统的重要组成部分，在电机系统成本中占有很大比重，其工作的可靠性将直接影响到电机的工作效率。然而，开关磁阻电机功率变换器一直是开关磁阻电机系统的薄弱环节，提高开关磁阻电机功率变换器的可靠性成为了亟待解决的问题。现有的研究主要都是对开关磁阻电机功率变换器的性能进行评价，没有针对其可靠性进行定量评估，本发明主要是采用k-out-of-n:G模型针对开关磁阻电机的功率变换器进行可靠性的定量评估，可靠性定量评估主要包含可靠性模型的建立和基于可靠性模型的定量求解两部分。本发明所采用的k-out-of-n:G模型以前是用于冗余系统，现在首次运用于开关磁阻电机功率变换器拓扑的可靠性建模，并且具有很强的普适性，针对不同的功率变换器拓扑，其建模方法是统一的。针对开关磁阻电机系统，通过建立不同的失效判定准则，可以得到不同情况下功率变换器的实际可靠性。同时，本发明所提出的可靠性定量评估方法还可以得到开关磁阻电机系统功率变换器的最大可靠性，在开关磁阻电机系统可靠性设计时，能够保证可靠性的提高空间，具有很高的应用价值和实际意义。

发明内容

本发明的目的是针对不同的开关磁阻电机系统功率变换器拓扑，采用k-out-of-n:G模型进行可靠性建模，定量分析开关磁阻电机系统功率变换器的可靠性。

本发明提出的一种开关磁阻电机系统功率变换器的可靠性评估方法：

在功率变换器建造成本和功能需求的条件下，确定满足要求的拓扑集，然后依据系统实际运行的需求，制定失效判别准则；对于四相开关磁阻电机，其可用的拓扑集有双极性直流电源功率变换器拓扑、四开关四相功率变换器拓扑、六开关四相功率变换器拓扑、不对称半桥功率变换器拓扑；针对开关磁阻电机系统实际运行的需求制定的失效判别准则为：只要有一相能够正常工作，就认为功率变换器没有失效，否则功率变换器失效；

确定失效判别准则之后，根据双极性直流电源功率变换器拓扑，若电容C1出现开路故障，则B相和D相无法正常工作，若电容C1出现短路故障，则A相和C相无法正常工作，若电容C2出现开路故障，则A相和C相无法正常工作，若电容C2出现短路故障，则B相和D相无法正常工作，故电容C1和C2任意一个出现故障，则有两相不能正常工作；当开关管S1或二极管D1出现短路故障或开路故障时，A相不能正常工作；当开关管S2或二极管D2出现短路故障或开路故障时，C相不能正常工作；当开关管S3或二极管D3出现短路故障或开路故障时，B相不能正常工作；当开关管S4或二极管D4出现短路故障或开路故障时，D相不能正常工作；故各元器件依据功能进行分块可得：电容C1组成DC1模块、电容C2组成DC2模块、开关管S1和二极管D1组成PA模块、开关管S3和二极管D3组成PB模块、开关管S2和二极管D2组成PC模块、开关管S4和二极管D4组成PD模块；由于DC1模块和DC2模块的功能具有等价性，可以合成一个模块DL，由于PA、PB、PC、PD模块的功能具有等价性，可以合成一个模块PL；当DL模块中存在一个及以上模块正常工作即至少1/2个模块工作正常，并且PL模块中存在一个及以上模块正常工作即至少1/4个模块工作正常，则存在一相或多相可以正常工作，进而说明功率变换器没有失效，故建立功率变换器的k-out-of-n:G模型中DL模块和PL模块是串联结构；

根据双极性直流电源功率变换器的k-out-of-n:G模型来求解拓扑的可靠度，根据可靠度函数R(t)：

R(t)＝e^-λt (1)

式(1)中λ表示模块的失效率，可得：

R_DC1，DC2(t)＝e^-0.766t (2)

R_PA,PB,PC,PD(t)＝e^-2.16t (3)

当DC1、DC2模块中存在一个及以上正常工作则功率变换器没有失效，可得DL模块的可靠度为：

当PA、PB、PC、PD模块中存在一个及以上正常工作则功率变换器没有失效，可得PL模块的可靠度为：

由于DL、PL模块是串联结构，故双极性直流电源功率变换器拓扑的可靠度函数为：

针对不对称半桥功率变换器拓扑，根据失效判别准则，当电容C1发生短路故障时，则功率变换器失效；当开关管S1发生开路故障或开关管S2发生开路故障或二级管D1、D2发生短路或开路故障时，A相不能正常工作；当开关管S3发生开路故障或开关管S4发生开路故障或二级管D3、D4发生短路或开路故障时，B相不能正常工作；当开关管S5发生开路故障或开关管S6发生开路故障或二级管D5、D6发生短路或开路故障时，C相不能正常工作；当开关管S7发生开路故障或开关管S8发生开路故障或二级管D7、D8发生短路或开路故障时，D相不能正常工作；故各元器件依据功能进行分块可得：电容C1组成DLC模块，开关管S1、开关管S2、二极管D1和二级管D2组成DL1模块，开关管S3、开关管S4、二极管D3和二级管D4组成DL2模块，开关管S5、开关管S6、二极管D5和二级管D6组成DL3模块，开关管S7、开关管S8、二极管D7和二级管D8组成DL4模块；由于DL1、DL2、DL3、DL4模块的功能具有等价性，可以合成一个模块PD，当DLC模块正常工作，并且PD模块中存在一个及以上模块正常工作即至少1/4个模块正常工作，则存在一相或多相可以正常工作，进而说明功率变换器没有失效，故建立功率变换器的k-out-of-n:G模型中DLC模块和PD模块是串联结构；

根据不对称半桥功率变换器的k-out-of-n:G模型来求解拓扑的可靠度，得到不对称半桥功率变换器的可靠度函数为：

计算得出功率变换器拓扑的平均无故障时间(MTTF)：

通过k-out-of-n:G模型对所确定拓扑集中不同功率变换器拓扑MTTF的计算，从而实现了从可靠性角度对拓扑的选取，保证了开关磁阻电机系统功率变换器的高可靠性运行。

有益效果：采用k-out-of-n:G模型对开关磁阻电机系统功率变换器进行可靠性建模，拓展了k-out-of-n:G模型的应用领域，摆脱了k-out-of-n:G模型仅用于冗余系统的局限性，并且该模型针对不同的功率变换器拓扑具有普适性，建模方法都是统一的，可以方便快速的进行可靠性建模，与布尔逻辑法、贝叶斯法和马尔科夫状态空间法相比，该模型的建模更加简单，模型求解也更加快速，大大提高了可靠性评估的效率和可靠性评估的精度，同时，该模型建模可以得到系统的最大可靠性，对开关磁阻电机系统可靠性设计具有非常重要的意义，保证了可靠性的提高空间，而且根据不同功率变换器拓扑的平均无故障时间可以进行最优拓扑的选取，有效的提高了开关磁阻电机系统的寿命。

附图说明

图1是本发明开关磁阻电机双极性直流电源功率变换器拓扑。

图2是本发明双极性直流电源功率变换器拓扑分块图。

图3是本发明双极性直流电源功率变换器拓扑的k-out-of-n:G模型。

图4是本发明开关磁阻电机不对称半桥功率变换器拓扑。

图5是本发明不对称半桥功率变换器拓扑的k-out-of-n:G模型。

图6是本发明开关磁阻电机四开关四相功率变换器拓扑。

图7是本发明四开关四相功率变换器拓扑的k-out-of-n:G模型。

图8是本发明开关磁阻电机六开关四相功率变换器拓扑。

图9是本发明六开关四相功率变换器拓扑的k-out-of-n:G模型。

图10是本发明四种功率变换器拓扑的可靠度曲线。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步的描述：

针对图1所示的开关磁阻电机双极性直流电源功率变换器拓扑，依据系统实际运行的需求，制定失效判别准则为：只要开关磁阻电机功率变换器四相中有一相能够正常工作，那么就认为功率变换器没有失效，否则功率变换器失效。

确定失效判别准则之后，根据双极性直流电源功率变换器拓扑，图1中Us为直流电源，S1、S2、S3、S4为功率开关管MOSFET，D1、D2、D3、D4为二极管，C1、C2为电容，L_a、L_b、L_c、L_d为A、B、C、D四相绕组，若C1出现开路故障，则B相和D相无法正常工作，若C1出现短路故障，则A相和C相无法正常工作，若C2出现开路故障，则A相和C相无法正常工作，若C2出现短路故障，则B相和D相无法正常工作，故C1和C2任意一个出现故障，则有两相不能正常工作；当S1或D1出现短路故障或开路故障时，A相不能正常工作；当S2或D2出现短路故障或开路故障时，C相不能正常工作；当S3或D3出现短路故障或开路故障时，B相不能正常工作；当S4或D4出现短路故障或开路故障时，D相不能正常工作；

然后对各元器件依据功能进行分块如图2所示：C1组成DC1模块、C2组成DC2模块、S1和D1组成PA模块、S3和D3组成PB模块、S2和D2组成PC模块、S4和D4组成PD模块；由于DC1模块和DC2模块的功能具有等价性，可以合成一个模块DL，由于PA、PB、PC、PD模块的功能具有等价性，可以合成一个模块PL；当DL模块中存在一个及以上模块正常工作即至少1/2个模块工作正常，并且PL模块中存在一个及以上模块正常工作即至少1/4个模块工作正常，则存在一相或多相可以正常工作，进而说明功率变换器没有失效，故建立功率变换器的k-out-of-n:G模型中DL模块和PL模块是串联结构；系统的初始状态为完全正常工作状态，记为INS，最终状态为完全失效状态，记为FFS。双极性直流电源功率变换器的k-out-of-n:G模型如图3所示。

之后，根据双极性直流电源功率变换器的k-out-of-n:G模型来求解拓扑的可靠度，根据可靠度函数R(t)：

R(t)＝e^-λt (1)

式(1)中λ表示模块的失效率，各元器件的失效率分别由式(2)、式(3)、式(4)求得：

λ_C＝0.19C^0.18 (2)

式(2)中λ_C为电容的失效率、C为电容值，式(3)中λ_M为MOSFET的失效率、T_j为MOSFET的结点温度，λ_D为二极管的失效率、T_j为二极管的结点温度。

各元器件的故障率可由数据手册MIL-HDBK-217F查得如表1所示。

表1元器件故障率

各模块的失效率求解：

λ_DC1＝λ_DC2＝(λ_CO+λ_CS)λ_C (5)

λ_PA,PB,PC,PD＝(λ_MO+λ_MS)λ_M+(λ_DO+λ_DS)λ_D (6)

由公式(1)可得：

R_DC1，DC2(t)＝e^-0.766t (7)

R_PA,PB,PC,PD(t)＝e^-2.16t (8)

当DC1、DC2模块中存在一个及以上正常工作则功率变换器没有失效，可得DL模块的可靠度为：

当PA、PB、PC、PD模块中存在一个及以上正常工作则功率变换器没有失效，可得PL模块的可靠度为：

由于DL、PL模块是串联结构，故双极性直流电源功率变换器拓扑的可靠度函数为：

针对不对称半桥功率变换器拓扑如图4所示，S5、S6、S7、S8为功率开关管MOSFET，D5、D6、D7、D8为二极管，根据失效判别准则，当C1发生短路故障时，则功率变换器失效；当S1发生开路故障或S2发生开路故障或D1、D2发生短路或开路故障时，A相不能正常工作；当S3发生开路故障或S4发生开路故障或D3、D4发生短路或开路故障时，B相不能正常工作；当S5发生开路故障或S6发生开路故障或D5、D6发生短路或开路故障时，C相不能正常工作；当S7发生开路故障或S8发生开路故障或D7、D8发生短路或开路故障时，D相不能正常工作；故各元器件依据功能进行分块可得：C1组成DLC模块，S1、S2、D1和D2组成DL1模块，S3、S4、D3和D4组成DL2模块，S5、S6、D5和D6组成DL3模块，S7、S8、D7和D8组成DL4模块；由于DL1、DL2、DL3、DL4模块的功能具有等价性，可以合成一个模块PD，当DLC模块正常工作，并且PD模块中存在一个及以上模块正常工作即至少1/4个模块工作正常，则存在一相或多相可以正常工作，进而说明功率变换器没有失效，故DLC模块和PD模块是串联结构；不对称半桥功率变换器的k-out-of-n:G模型如图5所示。

根据不对称半桥功率变换器的k-out-of-n:G模型来求解拓扑的可靠度，各模块的失效率为：

λ_DLC＝λ_CSλ_C (12)

λ_{DL1,DL2,DL3,DL4}＝2λ_MOλ_M+2(λ_DO+λ_DS)λ_D (13)

由公式(1)可得：

R_DLC(t)＝e^-0.349t (14)

R_{DL1,DL2,DL3,DL4}(t)＝e^-1.92t (15)

当DL1、DL2、DL3、DL4模块中存在一个及以上正常工作则功率变换器没有失效，可得PD模块的可靠度为：

由于DL、PL模块是串联结构，故不对称半桥功率变换器拓扑的可靠度函数为:

同理，四开关四相功率变换器拓扑如图6所示，Da、Db、Dc、Dd为二极管，根据各元器件功能分块得到的k-out-of-n:G模型如图7所示，SD1模块由S1和D1组成，SD2模块由S3和D3组成，SLD1模块由S2和D2、Da、Db组成，SLD2模块由S4和D4、Dc、Dd组成，由于功能的等价性，SD1模块和SD2模块可合成一个模块PS1，SLD1模块和SLD2模块可合成一个模块PS2，通过模型求解得到四开关四相功率变换器拓扑的可靠度函数为：

同理，六开关四相功率变换器拓扑如图8所示，根据各元器件功能分块得到的k-out-of-n:G模型如图9所示，SL1模块由S2和D2组成，SL2模块由S1和D1组成，SL3模块由S3和D3组成，SL4模块由S5和D5组成，SL5模块由S4和D4组成，SL6模块由S6和D6组成，由于功能的等价性，可合成一个模块PS，通过模型求解得到六开关四相功率变换器拓扑的可靠度函数为：

由可靠度函数得到四种功率变换器拓扑的可靠度曲线如图10所示，最后，根据功率变换器的可靠度函数计算得出功率变换器拓扑的平均无故障时间(MTTF)：

由式(20)计算得到各功率变换器拓扑的平均无故障时间MTTF如表2所示。

表2功率变换器拓扑平均无故障时间

由表2可知，不对称半桥功率变换器拓扑对应的平均无故障时间最大，因此开关磁阻电机系统应选用不对称半桥功率变换器拓扑。

通过k-out-of-n:G模型对所确定拓扑集中不同功率变换器拓扑MTTF的计算，从而实现了从可靠性角度对拓扑的选取，保证了开关磁阻电机系统功率变换器的高可靠性运行。

Claims (1)

1.一种定量分析开关磁阻电机系统功率变换器可靠性评估方法，其特征在于：

在功率变换器建造成本和功能需求的条件下，确定满足要求的拓扑集，然后依据系统实际运行的需求，制定失效判别准则；对于四相开关磁阻电机，其可用的拓扑集有双极性直流电源功率变换器拓扑、四开关四相功率变换器拓扑、六开关四相功率变换器拓扑、不对称半桥功率变换器拓扑；针对开关磁阻电机系统实际运行的需求制定的失效判别准则为：只要有一相能够正常工作，就认为功率变换器没有失效，否则功率变换器失效；所述双极性直流电源功率变换器结构为：包括直流电压源Us，直流电压源Us的正极分别与开关管S1、S2的集电极，电容C1的一端，二极管D3、D4的阴极相连，直流电压源Us的负极分别与开关管S3、S4的发射极，电容C2的一端，二极管D1、D2的阳极相连，电容C1的另一端与电容C2的另一端相连，开关管S1的发射极与二极管D1的阴极相连，开关管S2的发射极与二极管D2的阴极相连，开关管S3的集电极与二极管D3的阳极相连，开关管S4的集电极与二极管D4的阳极相连，绕组La一端连接开关管S1的发射极，另一端连接在电容C1、C2的共端点处，绕组Lb一端连接二极管D3的阳极，另一端连接在电容C1、C2的共端点处，绕组Lc一端连接开关管S2的发射极，另一端连接在电容C1、C2的共端点处，绕组Ld一端连接二极管D4的阳极，另一端连接在电容C1、C2的共端点处；确定失效判别准则之后，根据双极性直流电源功率变换器拓扑，若电容C1出现开路故障，则B相和D相无法正常工作，若电容C1出现短路故障，则A相和C相无法正常工作，若电容C2出现开路故障，则A相和C相无法正常工作，若电容C2出现短路故障，则B相和D相无法正常工作，故电容C1和C2任意一个出现故障，则有两相不能正常工作；当开关管S1或二极管D1出现短路故障或开路故障时，A相不能正常工作；当开关管S2或二极管D2出现短路故障或开路故障时，C相不能正常工作；当开关管S3或二极管D3出现短路故障或开路故障时，B相不能正常工作；当开关管S4或二极管D4出现短路故障或开路故障时，D相不能正常工作；故各元器件依据功能进行分块可得：电容C1组成DC1模块、电容C2组成DC2模块、开关管S1和二极管D1组成PA模块、开关管S3和二极管D3组成PB模块、开关管S2和二极管D2组成PC模块、开关管S4和二极管D4组成PD模块；由于DC1模块和DC2模块的功能具有等价性，可以合成一个模块DL，由于PA、PB、PC、PD模块的功能具有等价性，可以合成一个模块PL；当DL模块中存在一个及以上模块工作正常即至少1/2个模块工作正常，并且PL模块中存在一个及以上模块工作正常即至少1/4个模块工作正常，则存在一相或多相可以正常工作，进而说明功率变换器没有失效，故建立功率变换器的k-out-of-n:G模型中DL模块和PL模块是串联结构；

根据双极性直流电源功率变换器的k-out-of-n:G模型来求解拓扑的可靠度，根据可靠度函数R(t)：

R(t)＝e^-λt (1)

式(1)中λ表示模块的失效率，可得：

R_DC1，DC2(t)＝e^-0.766t (2)

R_PA,PB,PC,PD(t)＝e^-2.16t (3)

当DC1、DC2模块中存在一个及以上正常工作则功率变换器没有失效，可得DL模块的可靠度为：

当PA、PB、PC、PD模块中存在一个及以上正常工作则功率变换器没有失效，可得PL模块的可靠度为：

由于DL、PL模块是串联结构，故双极性直流电源功率变换器拓扑的可靠度函数为：

计算得出功率变换器拓扑的平均无故障时间MTTF：

通过k-out-of-n:G模型对所确定拓扑集中不同功率变换器拓扑MTTF的计算，从而实现了从可靠性角度对拓扑的选取，保证了开关磁阻电机系统功率变换器的高可靠性运行。

Images