CN111509957A - 一种电机逆变器可靠性计算方法 - Google Patents

Abstract

本发明提出的一种电机逆变器可靠性计算方法，包括：根据N相电机容错逆变器的主要零件的故障模式，获得逆变器的故障树；主要零件包括直流母线电容，功率器件和继电器；根据主要零件计算N相电机容错逆变器中的故障参考量，故障参考量包括：单个直流母线电容的失效率、单个功率器件的失效率和单个继电器的失效率；当N相电机容错逆变器健康相大于或等于第一阈值k时，结合故障树根据主要零件的数量和对应的故障参考量计算N相电机容错逆变器的可靠度。本发明中通过容错逆变器主要零件的故障率和三者之间的结构特点以及容错特性的分析来评估系统的可靠性，提高了逆变器的可靠性评估结果的准确性，大大缩短了逆变器的可靠性评估的时间。

Description

一种电机逆变器可靠性计算方法

技术领域

本发明涉及电机逆变器技术领域，尤其涉及一种电机逆变器可靠性计算方 法。

背景技术

逆变器是电机系统中重要的组成部分，它的可靠度及寿命是逆变器制造商 和使用者都希望知道的一个重要数据。多相容错逆变器能够通过容错方法来有 效的缓解故障对逆变器性能的影响，使逆变器能继续可靠运行，提高其可靠性。 容错逆变器主要由功率器件、直流母线电容和继电器组成。传统的逆变器可靠 度分析需要经过长时间的寿命测试及大量的样本检测，这种方法需要花费大量 的时间。

发明内容

基于背景技术存在的技术问题，本发明提出了一种电机逆变器可靠性计算 方法。

本发明提出的一种电机逆变器可靠性计算方法，包括：

S1、根据N相电机容错逆变器的主要零件的故障模式，获得逆变器的故障 树；主要零件包括直流母线电容，功率器件和继电器；

S2、根据主要零件计算N相电机容错逆变器中的故障参考量，故障参考量 包括：单个直流母线电容的失效率λ_cap、单个功率器件的失效率λ_pd和单个继电器 的失效率λ_re；

S3、当N相电机容错逆变器健康相大于或等于第一阈值k时，结合故障树 根据主要零件的数量和对应的故障参考量计算N相电机容错逆变器的可靠度 R_sys(t)。

优选的，步骤S3中，当N相电机容错逆变器健康相大于或等于第一阈值k 时，首先结合故障树根据主要零件的数量和对应的故障参考量计算N相电机容 错逆变器各个桥臂的可靠性，再结合各个桥臂的可靠性计算N相电机容错逆变 器的可靠度R_sys(t)。

优选的，步骤S3中，N相电机容错逆变器的可靠度的计算公式为：

其中，R_cap(t)为直流母线电容可靠性，R_br(t)为各桥臂的可靠性，n为N相电 机容错逆变器桥臂总数，k为第一阈值。

优选的，第一阈值k大于或者等于3。

优选的：λ_cap＝λ_{b_cap}π_{E_cap}π_{Q_cap}π_{CV_cap}π_{ch_cap}；

式中，λ_{b_cap}为直流母线电容基本故障率，π_{E_cap}为环境系数，π_{Q_cap}为质量系 数，π_{CV_cap}为电容量系数，π_{ch_cap}为表面装贴系数。

优选的，

其中，λ_br为单个桥臂的失效率，λ_br＝n_pdλ_pd+λ_re；n_pd为桥臂中功率器件个数，λ_pd为桥臂中单个功率器件的失效率，λ_re为桥臂中单个 继电器的失效率。

优选的：λ_pd＝λ_{b_pd}π_{E_pd}π_{Q_pd}π_{A_pd}π_{C_pd}π_{K_pd}π_{r_pd}；

式中，λ_{b_pd}为功率器件基本故障率，π_{E_pd}为环境系数，π_{Q_pd}为质量系数，π_{A_pd}为应用系数，π_{C_pd}为结构系数，π_{K_pd}为种类系数，π_{r_pd}为额定功率系数。

优选的：λ_re＝λ_{b_re}π_{E_re}π_{Q_re}π_{C1_re}π_{CYC_re}π_{r_re}π_{A_re}π_{C_re}；

式中，λ_{b_re}为基本故障率，π_{E_re}为环境系数，π_{Q_re}为质量系数，π_{C1_re}为触点 形式系数，π_{CYC_re}为动作频率系数，π_{r_re}为额定负载系数，π_{A_re}为应用系数，π_{C_re}为结构系数。

优选的，步骤S3中，当N相电机容错逆变器健康相小于第一阈值k时，判 断N相电机容错逆变器失效。

本发明提出的一种电机逆变器可靠性计算方法，首先分别考虑逆变器中直 流母线电容故障、功率器件故障和继电器来建立故障树；接下来分别计算这三 个主要零件的失效率，最后计算得到逆变器的可靠度。本发明中通过容错逆变 器主要零件的故障率和三者之间的结构特点以及容错特性的分析来评估系统的 可靠性，提高了逆变器的可靠性评估结果的准确性，大大缩短了逆变器的可靠 性评估的时间，具有良好的工程应用价值。

附图说明

图1为本发明提出的一种电机逆变器可靠性计算方法流程图；

图2为逆变器故障树；

图3为实施例中三相四桥臂容错逆变器结构示意图。

具体实施方式

参照图1，本发明提出的一种电机逆变器可靠性计算方法，包括以下步骤。

S1、根据N相电机容错逆变器的主要零件的故障模式，获得逆变器的故障 树；主要零件包括直流母线电容，功率器件和继电器。具体的，本实施方式中 的故障树如图2所示。

S2、根据主要零件计算N相电机容错逆变器中的故障参考量，故障参考量 包括：单个直流母线电容的失效率λ_cap、单个功率器件的失效率λ_pd和单个继电器 的失效率λ_re。

本实施方式中，单个直流母线电容的失效率λ_cap、单个功率器件的失效率λ_pd和单个继电器的失效率λ_re的计算参见《电子设备可靠性预计手册》。

具体的，本实施方式中，λ_cap＝λ_{b_cap}π_{E_cap}π_{Q_cap}π_{CV_cap}π_{ch_cap}；

式中，λ_{b_cap}为直流母线电容基本故障率，π_{E_cap}为环境系数，π_{Q_cap}为质量系 数，π_{CV_cap}为电容量系数，π_{ch_cap}为表面装贴系数。

λ_pd＝λ_{b_pd}π_{E_pd}π_{Q_pd}π_{A_pd}π_{C_pd}π_{K_pd}π_{r_pd}；

式中，λ_{b_pd}为功率器件基本故障率，π_{E_pd}为环境系数，π_{Q_pd}为质量系数，π_{A_pd}为应用系数，π_{C_pd}为结构系数，π_{K_pd}为种类系数，π_{r_pd}为额定功率系数。

λ_re＝λ_{b_re}π_{E_re}π_{Q_re}π_{C1_re}π_{CYC_re}π_{r_re}π_{A_re}π_{C_re}；

式中，λ_{b_re}为基本故障率，π_{E_re}为环境系数，π_{Q_re}为质量系数，π_{C1_re}为触点 形式系数，π_{CYC_re}为动作频率系数，π_{r_re}为额定负载系数，π_{A_re}为应用系数，π_{C_re}为结构系数。

S3、当N相电机容错逆变器健康相大于或等于第一阈值k时，结合故障树 根据主要零件的数量和对应的故障参考量计算N相电机容错逆变器的可靠度 R_sys(t)。

具体的，本步骤中，当N相电机容错逆变器健康相小于第一阈值k时，判 断N相电机容错逆变器失效；当N相电机容错逆变器健康相大于或等于第一阈 值k时，首先结合故障树根据主要零件的数量和对应的故障参考量计算N相电 机容错逆变器各个桥臂的可靠性，再结合各个桥臂的可靠性计算N相电机容错 逆变器的可靠度R_sys(t)。

其中，R_cap(t)为直流母线电容可靠性，n为N相电机容错逆变器桥臂总数， k为第一阈值，且第一阈值k大于或者等于3。

R_br(t)为各桥臂的可靠性，

其中，λ_br为单个桥臂的失效率， λ_br＝n_pdλ_pd+λ_re；n_pd为桥臂中功率器件个数，λ_pd为桥臂中单个功率器件的失效率， λ_re为桥臂中单个继电器的失效率。

以下结合一个具体的实施例，对本发明做进一步解释。

本实施例中，电机逆变器为三相四桥臂容错逆变器，其结构如图3所示。 本实施例中，在计算其可靠性时，具体步骤如下。

第一步，参考《电子设备可靠性预计手册》，分别计算直流母线电容的故障 率、单个功率器件的故障率和继电器的失效率。

<一>、计算直流母线电容的故障率

根据电容负荷率0.5和工作环境温度30℃确定λ_{b_cap}＝0.0565×10^-6(h^-1)；

环境为地面良好得到π_{E_cap}＝1；

质量等级为A₂得到π_{Q_cap}＝0.3；

电容量为2200μF得到π_{CV_cap}＝1.9；

有引线得到π_{ch_cap}＝1。

计算得到直流母线电容的故障率λ_cap＝0.032205×10^-6(h^-1)。有两个直流母线电容，即n_cap＝2。

<二>、计算单个功率器件的故障率

λ_pd＝λ_{b_pd}π_{E_pd}π_{Q_pd}π_{A_pd}π_{C_pd}π_{K_pd}π_{r_pd}；

选择硅场效应晶体管作为逆变器功率器件，根据负荷率0.5和工作环境温 度50℃得到λ_{b_pd}＝0.243×10^-6(h^-1)；

环境为地面良好得到π_{E_pd}＝1.0；

质量系数A₄得到π_{Q_pd}＝0.1；

应用系数π_{A_pd}＝0.7；

结构系数π_{C_pd}＝1.0；

种类系数π_{K_pd}＝1.0；

额定功率大于200W得到额定功率系数π_{r_pd}＝5.5；

计算得到功率器件的故障率λ_pd＝0.093555×10^-6(h^-1)。一个桥臂有两个功率器件，即n_pd＝2。

<三>、计算继电器的失效率

λ_re＝λ_{b_re}π_{E_re}π_{Q_re}π_{C1_re}π_{CYC_re}π_{r_re}π_{A_re}π_{C_re}；

根据负荷率0.5，工作环境温度30℃和额定工作温度为30℃确定基本故障 率λ_{b_re}＝0.099×10^-6(h^-1)；

环境地面良好得到π_{E_re}＝1.0；

质量等级A₂得到π_{Q_re}＝0.3；

继电器选用一刀双掷得到π_{C1_re}＝1.7；

只有当发生故障的时候继电器开通关断状态发生变化，所以动作频率系数 π_{CYC_re}＝0.1；

触点负载额定值大于10A，得到额定负载系数π_{r_re}＝2；

应用类别是大功率，得到应用系数π_{A_re}＝1.8；

结构形式为湿簧，得到结构系数是π_{C_re}＝1。

计算得到继电器的故障率λ_re＝0.0181764×10^-6(h^-1)。

第二步，计算三相四桥容错逆变器的可靠度函数

首先根据直流母线电容故障率计算直流母线电容可靠度函数；

再根据功率器件的故障率和继电器的故障率计算桥臂的可靠度函数；

再根据公式计算逆变器的可靠度函数，公式为：

逆变器的可靠度函数为：

以上所述，仅为本发明涉及的较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围 并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内， 根据本发明的技术方案及其发明构思加以等同替换或改变，都应涵盖在本发明 的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种电机逆变器可靠性计算方法，其特征在于，包括：

S1、根据N相电机容错逆变器的主要零件的故障模式，获得逆变器的故障树；主要零件包括直流母线电容，功率器件和继电器；

S2、根据主要零件计算N相电机容错逆变器中的故障参考量，故障参考量包括：单个直流母线电容的失效率λ_cap、单个功率器件的失效率λ_pd和单个继电器的失效率λ_re；

S3、当N相电机容错逆变器健康相大于或等于第一阈值k时，结合故障树根据主要零件的数量和对应的故障参考量计算N相电机容错逆变器的可靠度R_sys(t)。

2.如权利要求1所述的电机逆变器可靠性计算方法，其特征在于，步骤S3中，当N相电机容错逆变器健康相大于或等于第一阈值k时，首先结合故障树根据主要零件的数量和对应的故障参考量计算N相电机容错逆变器各个桥臂的可靠性，再结合各个桥臂的可靠性计算N相电机容错逆变器的可靠度R_sys(t)。

3.如权利要求2所述的电机逆变器可靠性计算方法，其特征在于，步骤S3中，N相电机容错逆变器的可靠度的计算公式为：

其中，R_cap(t)为直流母线电容可靠性，R_br(t)为各桥臂的可靠性，n为N相电机容错逆变器桥臂总数，k为第一阈值。

4.如权利要求3所述的电机逆变器可靠性计算方法，其特征在于，第一阈值k大于或者等于3。

5.如权利要求3所述的电机逆变器可靠性计算方法，其特征在于：

λ_cap＝λ_{b_cap}π_{E_cap}π_{Q_cap}π_{CV_cap}π_{ch_cap}；

式中，λ_{b_cap}为直流母线电容基本故障率，π_{E_cap}为环境系数，π_{Q_cap}为质量系数，π_{CV_cap}为电容量系数，π_{ch_cap}为表面装贴系数。

6.如权利要求3所述的电机逆变器可靠性计算方法，其特征在于，

其中，λ_br为单个桥臂的失效率，λ_br＝n_pdλ_pd+λ_re；n_pd为桥臂中功率器件个数，λ_pd为桥臂中单个功率器件的失效率，λ_re为桥臂中单个继电器的失效率。

7.如权利要求6所述的电机逆变器可靠性计算方法，其特征在于：

λ_pd＝λ_{b_pd}π_{E_pd}π_{Q_pd}π_{A_pd}π_{C_pd}π_{K_pd}π_{r_pd}；

式中，λ_{b_pd}为功率器件基本故障率，π_{E_pd}为环境系数，π_{Q_pd}为质量系数，π_{A_pd}为应用系数，π_{C_pd}为结构系数，π_{K_pd}为种类系数，π_{r_pd}为额定功率系数。

8.如权利要求6所述的电机逆变器可靠性计算方法，其特征在于：

λ_re＝λ_{b_re}π_{E_re}π_{Q_re}π_{C1_re}π_{CYC_re}π_{r_re}π_{A_re}π_{C_re}；

式中，λ_{b_re}为基本故障率，π_{E_re}为环境系数，π_{Q_re}为质量系数，π_{C1_re}为触点形式系数，π_{CYC_re}为动作频率系数，π_{r_re}为额定负载系数，π_{A_re}为应用系数，π_{C_re}为结构系数。

9.如权利要求1所述的电机逆变器可靠性计算方法，其特征在于，步骤S3中，当N相电机容错逆变器健康相小于第一阈值k时，判断N相电机容错逆变器失效。

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