礦用電機驅動系統提高可靠性研究

逯文強

0 引言

電機驅動系統可靠性技術在航天工業、自動化生產線、公共供電設施、智能電網和礦井運輸線等可靠性要求嚴格的場合中[1]得到廣泛應用。礦用電機牽引等驅動系統常工作在較惡劣的環境中，濕度高、空間相對狹小、設備啟動頻繁、負荷變化大以及現場維修困難，而且礦用電機驅動設備出現故障可能造成嚴重的人生財產損失。為保證礦用電機驅動設備長期安全可靠運行，利用礦用電氣設備可靠性管理記錄，對礦用電機驅動設備進行可靠性評估并確定相應指標十分必要。

電機驅動系統可靠性研究是在電力電子器件可靠性指標和可靠性預估模型基礎上，將器件級和系統級不同層次的可靠性模型應用于電機驅動系統的研究[2][3]?？煽啃灶A估模型已經廣泛應用于整個系統的設計和可靠性評估過程中。傳統的電機驅動系統設計并不能滿足對可靠性的要求，但是可以通過功率變換器的冗余設計[4]、電機結構優化[5]和控制器的容錯控制[6]等方法來滿足可靠性較高的需求。同時，傳感器集成技術[7]和無位置傳感器控制技術解決了傳感器檢測可靠性低的問題。本文以礦用電氣設備為背景，提出可靠性評估指標，并對常用的幾種可靠性定量評估的模型進行分類；進而從功率變換器、電機本體結構、控制器和檢測環節四個方面對電機驅動系統可靠性研究進行闡述和討論；最后根據當前研究中存在的問題對礦用電機驅動系統可靠性研究方向進行展望。

1 可靠性評估指標和模型

1.1 可靠性指標

評估系統可靠性首先需要明確用于分析可靠性的指標，通常公共認可的指標主要是可靠度(Reliability)、失效率(Failure rate)、平均無失效時間(Mean time to fail?ure,MTTF)、平均恢復時間(Mean time to repair,MTTR)和可用度(Availability)。

（1）可靠度是指在給定外界環境和運行條件情況下，一個器件或系統能夠在預期壽命內保持正常功能的可能性，通常隨時間推移而衰減，用函數R(t)表示。

（2）失效率是指一個器件或系統經過一定時間后趨于故障的概率，用函數λ(t)表示

失效率與使用時間的關系可以用失效率浴盆曲線表示，如圖1所示。

（3）平均無故障時間MTTF可以用R(t)的函數表示

（4）平均恢復時間MTTR是指系統故障后恢復到原狀態所需要的平均時間。

（5）可用度用MTTF和MTTR表示，提高可用度可通過增大平均無故障時間和減小平均恢復時間來實現。

在進行可靠性評估過程中，首先要確定器件的可靠度和失效率，從而可以計算出MTTF，最終通過(3)中的計算得到可用度，為系統可靠性評估提供定量指標。

1.2 可靠性模型

可靠性模型是指為了定量預估系統可靠性而建立的數學模型。進行可靠性分析的模型有很多種，通常將模型分為器件級模型和系統級模型[7][12]。

1.2.1 器件級可靠性模型

在器件級層次可靠性分析模型可以分為經驗模型和物理失效模型這兩大類。

（1）經驗模型

可靠性經驗手冊MIL-217被廣泛應用，它依據大量的數據為各類具體電力電子器件的可靠性預估提供了一個統一標準，但具有三點局限性[3]：失效率是固定不變；計算得到結果可能過于保守；未考慮器件停機模式和熱循環對器件的影響。而RDF2000溫度循環對失效率的影響，彌補了MIL-217的缺點，是可靠性分析經驗模型的一個更佳選擇[8]。經驗模型雖然建模速度快，能夠滿足大多數工業場合，但是可靠性預計手冊數據更新速度慢，無法滿足實時性要求。

（2）物理失效模型

不同于經驗模型基于大量有效數據計算所得的經驗取值的原理，物理失效模型致力于研究電力電子器件內在工作機理，考慮電氣和機械應力、外界環境溫度變化和空間溫度梯度等對器件的影響[9]，探究失效的根本原因，因此得到的可靠性模型準確有效。但物理失效模型的局限在過于復雜，需要對電力電子器件材料特性、制造工藝流程和故障機理等方面有所了解。

1.2.2 系統級可靠性模型

在系統級層次可靠性模型反應的是系統內各器件之間的相互影響，主要可以分為三類：元器件計數模型、組合模型和馬爾科夫模型。

（1）元器件計數模型假設將被評估系統視為串聯系統，系統的器件或子系統的故障將導致整個系統的故障，同時各器件的失效率是固定不變的。

（2）組合模型是器件計數模型的擴展，雖然能夠滿足對具有一定冗余結構系統可靠性分析的要求，但是沒有考慮到容錯系統的恢復過程、器件失效率排序和依賴失效率等細節問題。

（3）馬爾科夫模型基于對系統中器件失效后狀態轉移的圖解，具有吸收和非吸收兩種狀態[10]。不同于以上兩種模型，馬爾科夫模型考慮了容錯系統的失效覆蓋范圍、依賴失效率等特性，因此能夠有效對容錯系統進行定量的可靠性分析。但馬爾科夫模型也有具有一定的局限性。但馬爾科夫模型中狀態轉移過程只與當前狀態有關，而不依賴于前一時刻狀態，因此它不能夠應用于器件失效率時變系統的可靠性分析。并且狀態數會隨著器件數以指數增長，利用馬爾科夫模型來分析較大系統的可靠性就比較困難。

2 電機驅動系統可靠性

針對電機驅動系統可靠性評估問題，利用可靠性分析模型分別從功率變換器、電機本體結構、控制策略和傳感器檢測四個方面進行闡述和討論。

2.1 功率變換器

功率變換器可靠性器件級模型的研究主要集中在功率變換電路中關鍵功率器件的失效率模型，包括電力電子功率開關器件、直流母線電解電容、續流二極管等。

對于功率變換器系統級可靠性分析模型的建立取決于是否具有一定的容錯能力，在非容錯系統中常使用元器件計數模型，而在容錯系統中使用組合模型或馬爾科夫模型更適合。

在一個應用于光伏發電系統的兩相交錯并聯Boost變換器中，如圖2所示。當某一相發生故障時另一相仍可正常工作，沒有因一相發生故障而導致整體失效，即這種Boost變換器具有一定的帶故障運行能力，因此利用元器件技術模型計算的MTTF將低于實際值，其可靠性分析結果也將不具有說服性。

圖3 兩相交錯并聯Boost變換器原理

此時可以使用馬爾科夫模型進行分析，狀態轉移圖如圖4所示。兩相交錯并聯Boost變換器電路可分為輸入部分和輸出部分；狀態kmn(k=1，2，…，7；m=1，2；n=1，2)表示輸入為m級故障，輸出為n級故障時的狀態；λTm和λDm表示功率開關和二極管在m級故障下的失效率；表示輸入端m級故障、輸出端n級故障情況下電容的失效率。利用Chapman-Kolmogorov方程對馬爾科夫卡靠性模型進行分析，用pk(t)表示系統從狀態kmn向下一狀態轉移的概率，對狀態000和311進行計算可得

同理，對四個非吸收態000、101、311、410分別計算得出p0(t)、p1(t)、p3(t)、p4(t)，則系統可靠度R(t)可以表示：

從而系統的MTTF也可由式(2)得出。

因此，在對具有容錯能力的系統進行可靠性分析時采用馬爾科夫可靠性模型可以彌補元器件計數模型的不足，考慮了系統帶故障運行情況，是一種適合于容錯系統的可靠性建模方法（見圖3）。

圖3 狀態轉移

2.2 電機本體

針對電機本體結構進行可靠性研究可以從新型電機結構方面闡述。用于礦山牽引系統的新型電機結構方面，主要集中在以下幾種電機：開關磁阻電機(Switched Reluctance Motor）、故障容錯永磁電機(Fault Tolerant Permanent Magnet Motor)、分裂繞組異步電機(Split-Wound Induction Motor）。

開關磁阻電機采用定轉子雙凸極結構，轉子上無永磁體、繞組和電刷，結構簡單而降低了故障發生概率；定子常采用集中繞組結構，各相之間電路和磁路相對獨立，減小了繞組間耦合關系；當電機本體某一相故障后仍可以帶故障運行而不影響其他相工作，表現出較好的可靠性能；故障容錯式永磁電機的永磁體被安裝在轉子表面，如圖4所示，各相之間電路、磁路和溫度都相對獨立，能夠有效解決熱耦合問題，從而獲得一定的容錯

圖4 隔離電樞示意

分裂繞組異步電機的每一相繞組分為獨立繞組和并聯繞組，如圖5所示。通過調節這兩部分繞組比來改變電機工作狀態，應對電機運行中出現的故障，從而能夠帶故障運行。

圖5 分裂繞組異步電機

上述幾種電機在本體結構上的設計而獲得一定的容錯性能，與此同時，電機的功率密度和系統可靠度仍有弊端。因此，研究高可靠度、高功率密度的容錯電機結構成為當前研究重點。

2.3 控制器

由于礦井粉塵、潮濕、氣溫低等條件，電氣控制設備容易發生短路等故障，因而控制器設計成為礦用電機驅動系統可靠性設計最重要部分之一。控制器是電機驅動系統核心部分，對其進行可靠性分析成為整個系統可靠性評估不可或缺的工作。在控制器環節從硬件電路和控制算法兩方面討論可靠性研究。

2.3.1 控制器硬件電路

控制器電路由集成芯片、電容、電阻等元件組成，對控制器電路可靠性建模的常規方法是將控制電路看作串聯系統，使用元器件計數模型進行可靠性分析，如20頁圖6所示的串聯系統可靠性框圖。

圖6 控制器電路可靠性框

設計冗余結構的方法也可以應用于控制電路可靠性設計中，本質上是為控制器電路設計冗余結構，雖然能夠一定程度提高控制電路部分可靠性，但是各控制器單元之間通訊環節又增加了控制器電路設計和控制策略的復雜程度，因而限制了該方法在實際中的應用。

2.3.2 控制算法

針對電機驅動系統運行中出現的不同故障，使用不同的控制算法以實現系統的容錯能力成為一種有效提高可靠性的辦法。容錯控制算法是指使系統對發生的故障具有一定容錯能力的控制策略，可以更好地提高系統的可靠性。以開關磁阻電機為例，當某相繞組出現開路故障，在關斷故障相的同時，可以通過模糊自適應控制器對正常相開通和關斷角的調節，對故障相缺失轉矩進行補償以達到帶故障運行時仍表現良好性能。雖然通過控制策略優化來提高系統可靠性需要針對不同的系統而言，但在控制策略的設計中始終遵循排除故障相對系統的影響，依靠正常相補償系統輸出性能的原則。

2.4 傳感器檢測

在電機調速閉環控制中，傳感器檢測為轉速、電流反饋環節提供通道，精確而實時的傳感器檢測信號是電機驅動系統可靠運行和高性能控制的重要前提。但是，傳感器檢測環節的故障有可能導致整個系統閉環控制的崩潰，嚴重影響系統的可靠性。

為避免礦井環境中傳感器失效情的況發生，無位置傳感器技術也成為一種廣泛認可的提高可靠性辦法。迄今為止，眾多學者對無位置傳感器控制方法已經投入大量研究，并提出反電勢法、定子三次諧波法、續流二極管法、電感法、轉子磁鏈法、全周期電感法等很多檢測方案來實現無位置傳感器控制。但是無位置傳感器控制技術對電流電壓信號分析計算過程復雜，仍存在位置檢測誤差、轉矩脈動、噪聲、可靠性有待提高等問題，這些是限制其廣泛應用的重要因素。

3 結語

礦用電機驅動系統可靠性是影響礦山電力傳動領域廣泛應用的重要因素。本文鑒于當前領域的研究狀況和存在的問題，展望今后研究方向在以下幾個方面：

（1）功率變換器：提出適應于礦井環境的新型冗余拓撲結構，考慮功率開關器件開關頻率和電容容量的影響，在減少冗余元器件的同時保證系統容錯性能增強，可靠性大幅度的提升。

（2）電機本體結構：優化電機本體結構，提高各相繞組獨立性，降低相間電路、磁路的耦合，研究新型的高可靠性、高功率密度的故障容錯電機結構。

（3）控制器設計：在功率變換器和電機本體優化的基礎之上，深入研究針對不同電機驅動系統的容錯控制策略，找出一些具有價值的共同特性。

（4）傳感器檢測：在無位置傳感器控制技術中提出新的位置預估方案，深入分析并解決礦井惡劣環境條件下，位置檢測誤差對電機驅動系統效率、轉矩脈動和噪聲的影響。