开关磁阻直线电机功率变换器的可靠性评估方法技术

本发明专利技术提出了一种基于k‑out‑of‑n:G模型的开关磁阻直线电机功率变换器可靠性评估方法，首先依据开关磁阻直线电机系统实际运行的需求，制定失效判别准则，确定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，从而对功率变换器中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，之后求解出功率变换器的可靠度和平均无故障时间，快速实现开关磁阻直线电机功率变换器的可靠性定量评估，具有良好的工程应用价值。

Reliability Evaluation Method of Switched Reluctance Linear Motor Power Converter

This paper presents a reliability evaluation method of switched reluctance linear motor power converter based on k_out_of_n:G model. Firstly, according to the actual operation requirements of switched reluctance linear motor system, the failure criteria are formulated to determine whether the operation status of power converter triggers or not under various faults. The functions are classified, and then the k_out_of_n:G model of power converter is established. Then the reliability and average fault-free time of power converter are solved. The quantitative evaluation of the reliability of switched reluctance linear motor power converter is realized quickly, which has good engineering application value.

【技术实现步骤摘要】
开关磁阻直线电机功率变换器的可靠性评估方法
本专利技术涉及一种开关磁阻直线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、不同相数的开关磁阻直线电机功率变换器。
技术介绍
目前，针对开关磁阻直线电机功率变换器的可靠性定量评估方法主要有可靠性框图法、故障树建模法以及马尔科夫建模法，其中可靠性框图法和故障树建模法建模简单但无法得到功率变换器的最大可靠性，马尔科夫建模法建模复杂，尤其是二级和三级马尔科夫模型，状态数过多，影响了模型求解的快速性。本专利技术主要是采用k-out-of-n:G模型对开关磁阻直线电机的功率变换器进行可靠性的定量评估，其建模简单，可以快速的进行模型求解，适用于不同类型、不同相数的开关磁阻直线电机功率变换器，同时本专利技术提出的可靠性定量评估方法还可以得到开关磁阻直线电机功率变换器的最大可靠性，在开关磁阻直线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。
技术实现思路
本专利技术的目的是针对开关磁阻直线电机功率变换器可靠性评估所存在的问题，提出一种采用k-out-of-n:G模型来定量分析开关磁阻直线电机功率变换器的可靠性评估方法。本专利技术提出的可靠性评估方法：首先，针对开关磁阻直线电机系统实际运行的需求，制定的失效判别准则为：只要开关磁阻直线电机有一相能够正常工作，就认为其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，针对开关磁阻直线电机不对称半桥功率变换器拓扑，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；故各元器件依据功能进行分块可得：C1组成DC模块，S1、S2、D1和D2组成DP1模块，S3、S4、D3和D4组成DP2模块，S5、S6、D5和D6组成DP3模块；由于DP1、DP2、DP3模块的功能具有等价性，可以合成一个模块PZ，当DC模块正常工作，并且PZ模块中存在一个及以上模块正常工作，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DC模块和PZ模块是串联结构，因此可以建立开关磁阻直线电机功率变换器的k-out-of-n:G模型；其次，根据所建立的k-out-of-n:G模型来求解开关磁阻直线电机功率变换器拓扑的可靠度，各模块的失效率为：λDC＝λCSλC(1)λDP1,DP2,DP3＝2λMOλM+2(λDO+λDS)λD(2)由公式(1)可得：RDC(t)＝e-0.349t(3)RDP1,DP2,DP3(t)＝e-1.92t(4)当DP1、DP2、DP3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PZ模块的可靠度为：由于DC、PZ模块是串联结构，故开关磁阻直线电机功率变换器拓扑的可靠度函数为:最后，计算得出开关磁阻直线电机功率变换器拓扑的平均无故障时间(MTTF)：通过建立的k-out-of-n:G模型，快速地实现了开关磁阻直线电机功率变换器的可靠性定量评估。有益效果：采用k-out-of-n:G模型对开关磁阻直线电机功率变换器进行可靠性建模，该模型的建模方法更加简单，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功率变换器的最大可靠性，对开关磁阻直线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。附图说明图1是本专利技术开关磁阻直线电机不对称半桥功率变换器拓扑；图2是本专利技术开关磁阻直线电机功率变换器拓扑分块图；图3是本专利技术开关磁阻直线电机功率变换器的k-out-of-n:G模型；图4是本专利技术开关磁阻直线电机功率变换器的可靠度曲线。具体实施方式下面结合附图对本专利技术作进一步的描述：针对图1所示的开关磁阻直线电机不对称半桥功率变换器拓扑，依据系统实际运行的需求，制定失效判别准则为：只要开关磁阻直线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，根据开关磁阻直线电机不对称半桥功率变换器拓扑，图1中Us为直流电源，S1、S2、S3、S4、S5、S6为功率开关管MOSFET，D1、D2、D3、D4、D5、D6为二极管，C1为电容，La、Lb、Lc为A、B、C三相绕组，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；故各元器件依据功能进行分块如图2所示：C1组成DC模块，S1、S2、D1和D2组成DP1模块，S3、S4、D3和D4组成DP2模块，S5、S6、D5和D6组成DP3模块；由于DP1、DP2、DP3模块的功能具有等价性，可以合成一个模块PZ，当DC模块正常工作，并且PZ模块中存在一个及以上模块正常工作，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DC模块和PZ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。因此可以建立开关磁阻直线电机功率变换器的k-out-of-n:G模型如图3所示。之后，根据开关磁阻直线电机功率变换器的k-out-of-n:G模型来求解可靠度，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：λC＝0.19C0.18(2)式(2)中λC为电容的失效率、C为电容值，式(3)中λM为MOSFET的失效率、Tj为MOSFET的结点温度，λD为二极管的失效率、Tj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为：λDC＝λCSλC(5)λDP1,DP2,DP3＝2λMOλM+2(λDO+λDS)λD(6)由公式(1)可得：RDC(t)＝e-0.349t(7)RDP1,DP2,DP3(t)＝e-1.92t(8)当DP1、DP2、DP3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PZ模块的可靠度为：由于DC、PZ模块是串联结构，故开关磁阻直线电机功率变换器拓扑的可靠度函数为:计算得出开关磁阻直线电机功率变换器拓扑的平均无故障时间(MTTF)：由(10)得到的可靠度曲线如图4所示，由式(11)计算得到的功率变换器的平均无故障时间MTTF为87.8525年，实现了开关磁阻直线电机功率变换器的可靠性定量评估。本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种开关磁阻直线电机功率变换器可靠性定量评估方法，其特征在于：首先依据开关磁阻直线电机系统实际运行的需求，制定失效判别准则，其次，确定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，然后对功率变换器中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，最后求解出功率变换器的可靠度和平均无故障时间。

【技术特征摘要】
1.一种开关磁阻直线电机功率变换器可靠性定量评估方法，其特征在于：首先依据开关磁阻直线电机系统实际运行的需求，制定失效判别准则，其次，确定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，然后对功率变换器中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，最后求解出功率变换器的可靠度和平均无故障时间。2.如权利要求1所述的失效判定准则，其特征在于：只要开关磁阻直线电机有一相能够正常工作，就认为其功率变换器没有失效，否则功率变换器失效。3.如权利要求1所述的确定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，其特征在于：针对开关磁阻直线电机不对称半桥功率变换器拓扑，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。4.如权利要求1所述的对功率变换器中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，其特征在于：C1组成...

【专利技术属性】
技术研发人员：董锋，陈昊，徐帅，
申请(专利权)人：中国矿业大学，
类型：发明
国别省市：江苏,32