礦用電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)提高可靠性研究

逯文強(qiáng)

0 引言

電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)可靠性技術(shù)在航天工業(yè)、自動(dòng)化生產(chǎn)線、公共供電設(shè)施、智能電網(wǎng)和礦井運(yùn)輸線等可靠性要求嚴(yán)格的場(chǎng)合中[1]得到廣泛應(yīng)用。礦用電機(jī)牽引等驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)常工作在較惡劣的環(huán)境中，濕度高、空間相對(duì)狹小、設(shè)備啟動(dòng)頻繁、負(fù)荷變化大以及現(xiàn)場(chǎng)維修困難，而且礦用電機(jī)驅(qū)動(dòng)設(shè)備出現(xiàn)故障可能造成嚴(yán)重的人生財(cái)產(chǎn)損失。為保證礦用電機(jī)驅(qū)動(dòng)設(shè)備長(zhǎng)期安全可靠運(yùn)行，利用礦用電氣設(shè)備可靠性管理記錄，對(duì)礦用電機(jī)驅(qū)動(dòng)設(shè)備進(jìn)行可靠性評(píng)估并確定相應(yīng)指標(biāo)十分必要。

電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)可靠性研究是在電力電子器件可靠性指標(biāo)和可靠性預(yù)估模型基礎(chǔ)上，將器件級(jí)和系統(tǒng)級(jí)不同層次的可靠性模型應(yīng)用于電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的研究[2][3]。可靠性預(yù)估模型已經(jīng)廣泛應(yīng)用于整個(gè)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和可靠性評(píng)估過(guò)程中。傳統(tǒng)的電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)并不能滿足對(duì)可靠性的要求，但是可以通過(guò)功率變換器的冗余設(shè)計(jì)[4]、電機(jī)結(jié)構(gòu)優(yōu)化[5]和控制器的容錯(cuò)控制[6]等方法來(lái)滿足可靠性較高的需求。同時(shí)，傳感器集成技術(shù)[7]和無(wú)位置傳感器控制技術(shù)解決了傳感器檢測(cè)可靠性低的問(wèn)題。本文以礦用電氣設(shè)備為背景，提出可靠性評(píng)估指標(biāo)，并對(duì)常用的幾種可靠性定量評(píng)估的模型進(jìn)行分類；進(jìn)而從功率變換器、電機(jī)本體結(jié)構(gòu)、控制器和檢測(cè)環(huán)節(jié)四個(gè)方面對(duì)電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)可靠性研究進(jìn)行闡述和討論；最后根據(jù)當(dāng)前研究中存在的問(wèn)題對(duì)礦用電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)可靠性研究方向進(jìn)行展望。

1 可靠性評(píng)估指標(biāo)和模型

1.1 可靠性指標(biāo)

評(píng)估系統(tǒng)可靠性首先需要明確用于分析可靠性的指標(biāo)，通常公共認(rèn)可的指標(biāo)主要是可靠度(Reliability)、失效率(Failure rate)、平均無(wú)失效時(shí)間(Mean time to fail?ure,MTTF)、平均恢復(fù)時(shí)間(Mean time to repair,MTTR)和可用度(Availability)。

（1）可靠度是指在給定外界環(huán)境和運(yùn)行條件情況下，一個(gè)器件或系統(tǒng)能夠在預(yù)期壽命內(nèi)保持正常功能的可能性，通常隨時(shí)間推移而衰減，用函數(shù)R(t)表示。

（2）失效率是指一個(gè)器件或系統(tǒng)經(jīng)過(guò)一定時(shí)間后趨于故障的概率，用函數(shù)λ(t)表示

失效率與使用時(shí)間的關(guān)系可以用失效率浴盆曲線表示，如圖1所示。

（3）平均無(wú)故障時(shí)間MTTF可以用R(t)的函數(shù)表示

（4）平均恢復(fù)時(shí)間MTTR是指系統(tǒng)故障后恢復(fù)到原狀態(tài)所需要的平均時(shí)間。

（5）可用度用MTTF和MTTR表示，提高可用度可通過(guò)增大平均無(wú)故障時(shí)間和減小平均恢復(fù)時(shí)間來(lái)實(shí)現(xiàn)。

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

1.2 可靠性模型

可靠性模型是指為了定量預(yù)估系統(tǒng)可靠性而建立的數(shù)學(xué)模型。進(jìn)行可靠性分析的模型有很多種，通常將模型分為器件級(jí)模型和系統(tǒng)級(jí)模型[7][12]。

1.2.1 器件級(jí)可靠性模型

在器件級(jí)層次可靠性分析模型可以分為經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ秃臀锢硎Ｐ瓦@兩大類。

（1）經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ?/p>

可靠性經(jīng)驗(yàn)手冊(cè)MIL-217被廣泛應(yīng)用，它依據(jù)大量的數(shù)據(jù)為各類具體電力電子器件的可靠性預(yù)估提供了一個(gè)統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)，但具有三點(diǎn)局限性[3]：失效率是固定不變；計(jì)算得到結(jié)果可能過(guò)于保守；未考慮器件停機(jī)模式和熱循環(huán)對(duì)器件的影響。而RDF2000溫度循環(huán)對(duì)失效率的影響，彌補(bǔ)了MIL-217的缺點(diǎn)，是可靠性分析經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ偷囊粋€(gè)更佳選擇[8]。經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ碗m然建模速度快，能夠滿足大多數(shù)工業(yè)場(chǎng)合，但是可靠性預(yù)計(jì)手冊(cè)數(shù)據(jù)更新速度慢，無(wú)法滿足實(shí)時(shí)性要求。

（2）物理失效模型

不同于經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ突诖罅坑行?shù)據(jù)計(jì)算所得的經(jīng)驗(yàn)取值的原理，物理失效模型致力于研究電力電子器件內(nèi)在工作機(jī)理，考慮電氣和機(jī)械應(yīng)力、外界環(huán)境溫度變化和空間溫度梯度等對(duì)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(zhǔn)確有效。但物理失效模型的局限在過(guò)于復(fù)雜，需要對(duì)電力電子器件材料特性、制造工藝流程和故障機(jī)理等方面有所了解。

1.2.2 系統(tǒng)級(jí)可靠性模型

在系統(tǒng)級(jí)層次可靠性模型反應(yīng)的是系統(tǒng)內(nèi)各器件之間的相互影響，主要可以分為三類：元器件計(jì)數(shù)模型、組合模型和馬爾科夫模型。

（1）元器件計(jì)數(shù)模型假設(shè)將被評(píng)估系統(tǒng)視為串聯(lián)系統(tǒng)，系統(tǒng)的器件或子系統(tǒng)的故障將導(dǎo)致整個(gè)系統(tǒng)的故障，同時(shí)各器件的失效率是固定不變的。

（2）組合模型是器件計(jì)數(shù)模型的擴(kuò)展，雖然能夠滿足對(duì)具有一定冗余結(jié)構(gòu)系統(tǒng)可靠性分析的要求，但是沒(méi)有考慮到容錯(cuò)系統(tǒng)的恢復(fù)過(guò)程、器件失效率排序和依賴失效率等細(xì)節(jié)問(wèn)題。

（3）馬爾科夫模型基于對(duì)系統(tǒng)中器件失效后狀態(tài)轉(zhuǎn)移的圖解，具有吸收和非吸收兩種狀態(tài)[10]。不同于以上兩種模型，馬爾科夫模型考慮了容錯(cuò)系統(tǒng)的失效覆蓋范圍、依賴失效率等特性，因此能夠有效對(duì)容錯(cuò)系統(tǒng)進(jìn)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(tài)轉(zhuǎn)移過(guò)程只與當(dāng)前狀態(tài)有關(guān)，而不依賴于前一時(shí)刻狀態(tài)，因此它不能夠應(yīng)用于器件失效率時(shí)變系統(tǒng)的可靠性分析。并且狀態(tài)數(shù)會(huì)隨著器件數(shù)以指數(shù)增長(zhǎng)，利用馬爾科夫模型來(lái)分析較大系統(tǒng)的可靠性就比較困難。

2 電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)可靠性

針對(duì)電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)可靠性評(píng)估問(wèn)題，利用可靠性分析模型分別從功率變換器、電機(jī)本體結(jié)構(gòu)、控制策略和傳感器檢測(cè)四個(gè)方面進(jìn)行闡述和討論。

2.1 功率變換器

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

對(duì)于功率變換器系統(tǒng)級(jí)可靠性分析模型的建立取決于是否具有一定的容錯(cuò)能力，在非容錯(cuò)系統(tǒng)中常使用元器件計(jì)數(shù)模型，而在容錯(cuò)系統(tǒng)中使用組合模型或馬爾科夫模型更適合。

在一個(gè)應(yīng)用于光伏發(fā)電系統(tǒng)的兩相交錯(cuò)并聯(lián)Boost變換器中，如圖2所示。當(dāng)某一相發(fā)生故障時(shí)另一相仍可正常工作，沒(méi)有因一相發(fā)生故障而導(dǎo)致整體失效，即這種Boost變換器具有一定的帶故障運(yùn)行能力，因此利用元器件技術(shù)模型計(jì)算的MTTF將低于實(shí)際值，其可靠性分析結(jié)果也將不具有說(shuō)服性。

圖3 兩相交錯(cuò)并聯(lián)Boost變換器原理

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

同理，對(duì)四個(gè)非吸收態(tài)000、101、311、410分別計(jì)算得出p0(t)、p1(t)、p3(t)、p4(t)，則系統(tǒng)可靠度R(t)可以表示：

從而系統(tǒng)的MTTF也可由式(2)得出。

因此，在對(duì)具有容錯(cuò)能力的系統(tǒng)進(jìn)行可靠性分析時(shí)采用馬爾科夫可靠性模型可以彌補(bǔ)元器件計(jì)數(shù)模型的不足，考慮了系統(tǒng)帶故障運(yùn)行情況，是一種適合于容錯(cuò)系統(tǒng)的可靠性建模方法（見圖3）。

圖3 狀態(tài)轉(zhuǎn)移

2.2 電機(jī)本體

針對(duì)電機(jī)本體結(jié)構(gòu)進(jìn)行可靠性研究可以從新型電機(jī)結(jié)構(gòu)方面闡述。用于礦山牽引系統(tǒng)的新型電機(jī)結(jié)構(gòu)方面，主要集中在以下幾種電機(jī)：開關(guān)磁阻電機(jī)(Switched Reluctance Motor）、故障容錯(cuò)永磁電機(jī)(Fault Tolerant Permanent Magnet Motor)、分裂繞組異步電機(jī)(Split-Wound Induction Motor）。

開關(guān)磁阻電機(jī)采用定轉(zhuǎn)子雙凸極結(jié)構(gòu)，轉(zhuǎn)子上無(wú)永磁體、繞組和電刷，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單而降低了故障發(fā)生概率；定子常采用集中繞組結(jié)構(gòu)，各相之間電路和磁路相對(duì)獨(dú)立，減小了繞組間耦合關(guān)系；當(dāng)電機(jī)本體某一相故障后仍可以帶故障運(yùn)行而不影響其他相工作，表現(xiàn)出較好的可靠性能；故障容錯(cuò)式永磁電機(jī)的永磁體被安裝在轉(zhuǎn)子表面，如圖4所示，各相之間電路、磁路和溫度都相對(duì)獨(dú)立，能夠有效解決熱耦合問(wèn)題，從而獲得一定的容錯(cuò)

圖4 隔離電樞示意

分裂繞組異步電機(jī)的每一相繞組分為獨(dú)立繞組和并聯(lián)繞組，如圖5所示。通過(guò)調(diào)節(jié)這兩部分繞組比來(lái)改變電機(jī)工作狀態(tài)，應(yīng)對(duì)電機(jī)運(yùn)行中出現(xiàn)的故障，從而能夠帶故障運(yùn)行。

圖5 分裂繞組異步電機(jī)

上述幾種電機(jī)在本體結(jié)構(gòu)上的設(shè)計(jì)而獲得一定的容錯(cuò)性能，與此同時(shí)，電機(jī)的功率密度和系統(tǒng)可靠度仍有弊端。因此，研究高可靠度、高功率密度的容錯(cuò)電機(jī)結(jié)構(gòu)成為當(dāng)前研究重點(diǎn)。

2.3 控制器

由于礦井粉塵、潮濕、氣溫低等條件，電氣控制設(shè)備容易發(fā)生短路等故障，因而控制器設(shè)計(jì)成為礦用電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)可靠性設(shè)計(jì)最重要部分之一?？刂破魇请姍C(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)核心部分，對(duì)其進(jìn)行可靠性分析成為整個(gè)系統(tǒng)可靠性評(píng)估不可或缺的工作。在控制器環(huán)節(jié)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(duì)控制器電路可靠性建模的常規(guī)方法是將控制電路看作串聯(lián)系統(tǒng)，使用元器件計(jì)數(shù)模型進(jìn)行可靠性分析，如20頁(yè)圖6所示的串聯(lián)系統(tǒng)可靠性框圖。

圖6 控制器電路可靠性框

設(shè)計(jì)冗余結(jié)構(gòu)的方法也可以應(yīng)用于控制電路可靠性設(shè)計(jì)中，本質(zhì)上是為控制器電路設(shè)計(jì)冗余結(jié)構(gòu)，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(huán)節(jié)又增加了控制器電路設(shè)計(jì)和控制策略的復(fù)雜程度，因而限制了該方法在實(shí)際中的應(yīng)用。

2.3.2 控制算法

針對(duì)電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)運(yùn)行中出現(xiàn)的不同故障，使用不同的控制算法以實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的容錯(cuò)能力成為一種有效提高可靠性的辦法。容錯(cuò)控制算法是指使系統(tǒng)對(duì)發(fā)生的故障具有一定容錯(cuò)能力的控制策略，可以更好地提高系統(tǒng)的可靠性。以開關(guān)磁阻電機(jī)為例，當(dāng)某相繞組出現(xiàn)開路故障，在關(guān)斷故障相的同時(shí)，可以通過(guò)模糊自適應(yīng)控制器對(duì)正常相開通和關(guān)斷角的調(diào)節(jié)，對(duì)故障相缺失轉(zhuǎn)矩進(jìn)行補(bǔ)償以達(dá)到帶故障運(yùn)行時(shí)仍表現(xiàn)良好性能。雖然通過(guò)控制策略優(yōu)化來(lái)提高系統(tǒng)可靠性需要針對(duì)不同的系統(tǒng)而言，但在控制策略的設(shè)計(jì)中始終遵循排除故障相對(duì)系統(tǒng)的影響，依靠正常相補(bǔ)償系統(tǒng)輸出性能的原則。

2.4 傳感器檢測(cè)

在電機(jī)調(diào)速閉環(huán)控制中，傳感器檢測(cè)為轉(zhuǎn)速、電流反饋環(huán)節(jié)提供通道，精確而實(shí)時(shí)的傳感器檢測(cè)信號(hào)是電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)可靠運(yùn)行和高性能控制的重要前提。但是，傳感器檢測(cè)環(huán)節(jié)的故障有可能導(dǎo)致整個(gè)系統(tǒng)閉環(huán)控制的崩潰，嚴(yán)重影響系統(tǒng)的可靠性。

為避免礦井環(huán)境中傳感器失效情的況發(fā)生，無(wú)位置傳感器技術(shù)也成為一種廣泛認(rèn)可的提高可靠性辦法。迄今為止，眾多學(xué)者對(duì)無(wú)位置傳感器控制方法已經(jīng)投入大量研究，并提出反電勢(shì)法、定子三次諧波法、續(xù)流二極管法、電感法、轉(zhuǎn)子磁鏈法、全周期電感法等很多檢測(cè)方案來(lái)實(shí)現(xiàn)無(wú)位置傳感器控制。但是無(wú)位置傳感器控制技術(shù)對(duì)電流電壓信號(hào)分析計(jì)算過(guò)程復(fù)雜，仍存在位置檢測(cè)誤差、轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)、噪聲、可靠性有待提高等問(wèn)題，這些是限制其廣泛應(yīng)用的重要因素。

3 結(jié)語(yǔ)

礦用電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)可靠性是影響礦山電力傳動(dòng)領(lǐng)域廣泛應(yīng)用的重要因素。本文鑒于當(dāng)前領(lǐng)域的研究狀況和存在的問(wèn)題，展望今后研究方向在以下幾個(gè)方面：

（1）功率變換器：提出適應(yīng)于礦井環(huán)境的新型冗余拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，考慮功率開關(guān)器件開關(guān)頻率和電容容量的影響，在減少冗余元器件的同時(shí)保證系統(tǒng)容錯(cuò)性能增強(qiáng)，可靠性大幅度的提升。

（2）電機(jī)本體結(jié)構(gòu)：優(yōu)化電機(jī)本體結(jié)構(gòu)，提高各相繞組獨(dú)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(cuò)電機(jī)結(jié)構(gòu)。

（3）控制器設(shè)計(jì)：在功率變換器和電機(jī)本體優(yōu)化的基礎(chǔ)之上，深入研究針對(duì)不同電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的容錯(cuò)控制策略，找出一些具有價(jià)值的共同特性。

（4）傳感器檢測(cè)：在無(wú)位置傳感器控制技術(shù)中提出新的位置預(yù)估方案，深入分析并解決礦井惡劣環(huán)境條件下，位置檢測(cè)誤差對(duì)電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)效率、轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)和噪聲的影響。