采用三相全桥变换器开关磁阻发电机的可靠性评估方法技术

本发明专利技术公开了一种新型采用三相全桥变换器开关磁阻发电机的可靠性评估方法，创建了功率变换器的cauer热模型，可以快速准确的获取功率变换器上不同位置处的器件结温，从而可以准确获取器件的失效率。为了提供系统的准确性并简化可靠性评估的复杂度，该方法采用1

【技术实现步骤摘要】
采用三相全桥变换器开关磁阻发电机的可靠性评估方法


[0001]本专利技术提出了一种对采用三相全桥功率变换器控制的开关磁阻发电机的可靠性评估方法，该种方法考虑了功率变换器不同的热应力和电机本身较强的容错能力，对开关磁阻电机驱动系统的可靠性精确度进一步提高，便于驱动系统的定时维护，提高了驱动系统的可靠性。

技术介绍

[0002]在第一次工业革命后，煤、石油、天然气等一次能源的大量开采和使用，在促进世界经济不断发展和生活水平不断提高的同时，也造成了全球范围内严重的环境污染问题和严峻的能源危机。因此，为了资源和环境的可持续发展，世界各国越来越加强对太阳能、风能、潮汐能等新能源的研究和开发，其中，风能具有储能丰富、清洁可再生等优点，风电技术发展迅速，风力发电机也越来越广泛的应用。开关磁阻电机由于其结构坚固，容错能力强，制造成本低等优点被广泛应用在航天系统、电动汽车以及风力发电机等方向。
[0003]在开关磁阻发电机控制系统中，不对称半桥功率变换器(AHBPC)因其可靠性高、控制方式灵活而得到广泛应用。此外，还可以根据具体应用情况和实际需要进行简化或改进，以实现实际需要控制策略。然而，不对称半桥功率变换器也有其缺点：通用性差，制造标准不一致，成本较高。与不对称半桥功率变换器相比，全桥功率变换器采用智能功率模块和更少的开关器件，这降低了开关磁阻发电机驱动系统的体积和成本。
[0004]可靠性评估是SRG系统高性能、安全运行的重要组成部分。常用的可靠性计算模型有零件数模型、可靠性框图(RBD)模型、故障树模型、kr/>‑
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n:G模型和动态马尔科夫模型。对于SRG驱动系统，由于其良好的容错性，动态可靠性分析更加必要，因此马尔可夫与k
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n:G模型的组合适用于开关磁阻发电机驱动系统的可靠性评估。

技术实现思路

[0005]针对现有技术的缺陷或改进需求，本专利技术提出了一种采用三相全桥功率变换器的开关磁阻发电机的可靠性评估方法。
[0006]本专利技术首先对开关磁阻发电机采用三相全桥功率变换器的控制规则进行了描述，采用这种控制规则可以有效地提高开关磁阻发电机的发电效率，并且减少了采用的元器件数量，从器件数量的角度来看提高了系统的可靠性。
[0007]同时本专利技术提出了一种适用于三相全桥功率变换器的cauer温度模型，可以在线准确的获取变换器不同器件的结温，相较于采用的ansys热模型以及热温仪器也更简便。
[0008]最终，建立了开关磁阻发电机系统的1
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1:G整体模型，以及对电机本体、检测单元以及功率变换器三部分同时考虑故障模式下的系统稳定运行的 markov模型，分层次的评估了系统的可靠性。
附图说明
[0009]图1是本专利技术的开关磁阻发电机驱动系统采用的功率变换器的拓扑图。
[0010]图2是本专利技术的开关磁阻发电机驱动系统相电感和励磁区间的位置关系图。
[0011]图3(a)是的封装图，图3(b)是本专利技术的功率变换器的cauer热模型图。
[0012]图4是本专利技术的可靠性评估的1
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1:G模型。
[0013]图5(a)是本专利技术的发电机本体可靠性评估markov转移图，图5(b)是本专利技术的检测单元可靠性评估markov转移图,图5(c)是本专利技术功率变换器的可靠性评估markov转移图。
具体实施方式
[0014]下面结合图例对本专利技术的实例进行进一步的描述。
[0015]本专利技术的开关磁阻发电机驱动系统采用的功率变换器的拓扑图如图1所示，由于控制方式的重复性，这里为了简化描述，只以A相为例。
[0016]励磁区间，当开关S
A1
和S
B2
都导通时，A相绕组被激励。电压方程为
[0017][0018]式中，R
A
,i
A
,ψ
A
分别为A相的内阻，电流和磁链，R
B
,i
B
,ψ
B
分别为B相的内阻，电流和磁链。
[0019]零电压续流区间，开关S
B2
导通，开关S
A1
多次导通或关断，限制励磁相的峰值相电流。电压方程为：
[0020][0021]这个阶段，SRG和直流电源之间没有能量交换，电流只在功率转换器和发电机内部形成一个回路，会产生额外的功率转换器损耗和电机损耗。
[0022]发电阶段，开关S
A1
和S
B2
都关断。在此阶段，SRG将磁储能转化为电能输出。电压方程为:
[0023][0024]在相邻励磁区换相过程中，连续工作绕组对应的开关保持开路状态，保证了在换相过程中相绕组两端的电压保持不变。图2是本专利技术的开关磁阻发电机驱动系统相电感和励磁区间的位置关系图。该驱动策略避免了电流反转和死区时间的产生，具有发电效率高、运行可靠的优点。
[0025]由于开关磁阻电机的容错能力较强，因此必须将开关磁阻电机驱动系统的故障模式一一列举(如表1所示)，从而方便之后采用markov状态转移图对其进行可靠性评估。
[0026]表1故障模式
[0027][0028]在正常情况下，当系统的某一部分处于故障模式时，可视为系统发生故障。但由于SRG具有很强的容错能力，因此对于SRG需要通过考虑稳定性和安全性能建立失效准则。失效判据需要考虑SRG系统的发电能力和稳定性。发电功率 P
SRG
被用来描述开关磁阻发电机的发电能力：
[0029][0030]式中，θ
e
是当发电电流减小到0时所对应的转子位置，θ
off
是关断角。
[0031]对于开关磁阻发电机而言，η
p
被用来描述在故障模式下的发电状态，当系统处于正常运行该模式时，η
p
为1，当故障逐渐发生后，η
p
逐渐变成0，当η
p
小于0.2时，认为系统的发电能力不足，系统处于失效状态。同样的，每相的相电流峰值用来描述系统的安全运行，当相电流峰值超过30A，认为系统处于失效状态。
[0032][0033]式中，P
SRG
‑
F
是系统在故障状态下的发电功率，P
SRG
‑
N
是系统在正常运行模式下的发电功率。
[0034]电气设备的故障标准可以通过预测手册MIL
‑
HDBK
‑
338B获取：
[0035][0036]式中，λ
p
是MOSFETS的故障率，T
j
是设备的壳温。因此只要获取正确的设备壳温就本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.针对现有技术的缺陷或改进需求，本发明提出了一种对采用三相全桥功率变换器的开关磁阻电机可靠性的评估方法，该种评估方法同时考虑热应力和容错能力，相较于其他的可靠性评估方法更快更精确。该设计方法包括以下步骤：步骤1、给定一个开关磁阻发电机驱动系统，该驱动系统包含三个部分：一个开关磁阻发电机，检测部分以及采用的功率变换器，对于这三部分分别分析它们会产生的故障类型；步骤2、计算功率变换器不同开关器件的损耗功率，建立采用的功率变换器的cauer热阻模型，获取功率变换器上不同器件的结温；其中器件的结温获取方式为：T
j_i
＝P
loss
*(Z
jc
+Z
ch
+Z
ha_i
)+T
rt
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(1)式中，T
j_i
是第i个器件的结温，P
loss
是第i个器件的损耗功率，Z
jc
、Z
ch
和Z
ha_i
分别为第i个器件的壳的热阻抗、热硅脂层热阻抗和散热器热阻抗，T
rt
为室温；步骤3、通过步骤2获取每个开关器件的结温，从而可以通过式(2)获取器件的失效率：式中，λ
p
为器件i的失效率；步骤4、分别建立开关磁阻发电机，检测部分以及采用的功率变换器的markov转移图，并分别计算其各自的可靠性；步骤5、采用1
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1:G模型对开关磁阻发电机，检测部分以及采用的功率变换器这三部分整合，计算整个驱动系统的可靠性分析：R
D
(t)＝R
SRG
(t)*R
PC

【专利技术属性】
技术研发人员：陈昊，杨帆，方正基，朱红军，王星，
申请(专利权)人：东方电子股份有限公司江苏金彭集团有限公司烟台仙崴机电有限公司，
类型：发明
国别省市：