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华科学者提出磁悬浮轴承开关器件开路故障容错控制的新方法

2022-06-22 作者:火狐体育官网   来源:火狐体育官方网站app

  相比于机械轴承,磁悬浮轴承具备无机械接触、无磨损、无需润滑等突出优点,因此在高速旋转机械领域,如飞轮储能、涡轮机机械、医疗设备、航空航天等领域被广泛应用。在高速旋转应用场合,可靠性无疑是最为关键的性能指标之一,而提高磁轴承系统可靠性的一种有效办法是采用容错控制技术。

  目前国内外学者针对磁悬浮轴承系统容错控制主要集中在线圈容错控制、传感器容错控制及功放容错控制等几个方面。而其中大多数的容错策略采用的是冗余备份和控制器重构的方法,如1995年E. H. Maslen等学者针对线圈容错控制提出磁轴承偏置电流线性化理论,基于定子线圈的冗余,在某个或几个线圈损坏的情况下,可以通过重构电流分配阵在定子内重新分配磁通量来实现线圈的容错,但这是以牺牲磁轴的承载能力带来的可靠性。

  在此理论基础上,许多学者也进行了拓展与优化。在传感器容错控制方面,除冗余备份的方法之外,自传感技术由于在成本上极具优势也被广泛研究。而针对功放容错控制则研究得较少,但这并不意味功放容错没有应用价值。

  事实上,磁轴承电力电子功放中的电力电子器件是系统最易失效的部件之一。为了减少开关纹波,提高系统动态响应,开关器件工作频率一般在10~100kHz之间,这要求开关器件频繁地在不同状态下进行切换,极易因过热、过电压、过电流等原因发生开路或短路故障,进而导致转子在高速旋转过程中跌落,产生巨大的冲击和剧烈的振动。同时驱动的失效也会导致功率器件不能正常开关。有调查表明,工业应用中变频器约38%的故障来自功率半导体开关器件的损坏。

  为了避免在磁悬浮轴承系统中,功率放大器的电力电子器件失效导致悬浮失效和严重后果,保障主动磁悬浮轴承在高速旋转场合的安全可靠运行,强电磁工程与新技术国家重点实验室(华中科技大学)的研究人员胡烽、孙宏博、蒋栋、杨佶昌,在2022年第9期《电工技术学报》上撰文,在功率放大器容错控制方面,针对四相全桥拓扑提出一种开关器件开路故障容错控制策略。

  研究人员首先从四相四桥臂工作原理出发,分析了四相全桥拓扑的两种工作模式对磁轴承的作用力和控制效果相同,可利用该特性进行功放容错设计;然后基于电流差分控制的特点给出了判断开路故障的条件,并提出相应的容错控制策略,即一旦四相全桥拓扑正常模式下的开关器件发生开路故障,在几百微秒内将检测到故障的发生,并立即切换至冗余模式下工作,以达到故障不停机的目的。

  他们进一步指出,四相四桥臂拓扑相较于其他拓扑在调制方式上未发生根本性改变,而且成本优势明显。但由于不具备容错能力,可靠性低,所以在本研究中将其拓展为四相全桥拓扑,并针对该拓扑提出了相应的容错控制策略,使磁轴承以较小的位移波动为代价以提高其工作可靠性,并更好地满足市场需求。

  研究人员表示,仿真与实验结果表明故障检测时间和位移波动范围均保证了切换过渡过程中磁轴承的悬浮,证明了该容错控制策略在四相全桥拓扑上的可行性。尤其是,在转子悬浮同时旋转的过程中,该方法实现检测和容错切换过程不影响系统正常工作,是一种可实时地实现在线容错的方法。需另外说明的是,该研究针对的虽然是开关管开路故障所实施的容错控制策略,但同样适用于门极驱动芯片损坏、驱动信号丢失等故障情况。

  本文编自2022年第9期《电工技术学报》,论文标题为“基于四相全桥的磁悬浮轴承开关器件开路故障容错控制策略”。本课题得到了国家自然科学基金资助项目的支持。


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