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        某型艦船逆變器測(cè)試性設(shè)計(jì)與分析方法研究

        2021-01-07 04:56:02孫佳星
        計(jì)算機(jī)測(cè)量與控制 2020年12期
        關(guān)鍵詞:艦船分配建模

        孫佳星,楊 剛,孫 軍

        (1.海軍裝備部 駐蕪湖地區(qū)軍事代表室,安徽 蕪湖 241000; 2.海軍工程大學(xué) 電氣工程學(xué)院,武漢 430033)

        0 引言

        隨著艦船綜合電力技術(shù)的不斷發(fā)展,逆變器作為主要的電能變換設(shè)備,已成為艦船綜合電力系統(tǒng)中的關(guān)鍵技術(shù)裝備[1]。在實(shí)際應(yīng)用過(guò)程中,艦船逆變器一旦發(fā)生故障,將嚴(yán)重影響用電設(shè)備的電力供應(yīng)。艦船逆變器等電力電子設(shè)備的故障變化多樣,且發(fā)生的時(shí)間具有隨機(jī)性[2],如何快速準(zhǔn)確地檢測(cè)到故障,并將其隔離至現(xiàn)場(chǎng)可更換單元(LRU,line replaceable unit),提高艦船逆變器的故障診斷效率,是當(dāng)前亟需解決的問(wèn)題,而測(cè)試性技術(shù)研究正是解決這一問(wèn)題的重要途徑之一。

        測(cè)試性(Testability)也稱可測(cè)性,是指“產(chǎn)品能及時(shí)準(zhǔn)確地確定其狀態(tài)(可工作、不可工作或性能下降)并有效地隔離其內(nèi)部故障的一種設(shè)計(jì)特性”[3]。良好的測(cè)試性設(shè)計(jì)可以有效地提高裝備故障診斷效率,降低維修保障費(fèi)用[4]。為了指導(dǎo)測(cè)試性工作的開(kāi)展,我國(guó)先后頒布了GJB2547-1995《裝備測(cè)試性大綱》和GJB2547A-2012《裝備測(cè)試性工作通用要求》,將測(cè)試性要求貫穿裝備的整個(gè)生命周期,并成功應(yīng)用于雷達(dá)、導(dǎo)彈、航天等重要裝備的設(shè)計(jì)中[5-9]。然而,對(duì)于艦船逆變器等艦船電力電子設(shè)備,雖然裝備部門加大了對(duì)測(cè)試性的重視程度,但仍缺乏具體有針對(duì)性的標(biāo)準(zhǔn)對(duì)測(cè)試性設(shè)計(jì)與分析進(jìn)行指導(dǎo)。

        目前,國(guó)內(nèi)對(duì)于艦船裝備的測(cè)試性設(shè)計(jì)與分析的研究主要有:文獻(xiàn)[10]提出了一種基于相關(guān)性模型的艦船系統(tǒng)級(jí)產(chǎn)品的測(cè)試性建模與分析方法;文獻(xiàn)[11]對(duì)艦船電子裝備的測(cè)試診斷技術(shù)進(jìn)行了研究,為艦船電子裝備的診斷設(shè)計(jì)提供了借鑒;文獻(xiàn)[12]研究了艦船裝備總體測(cè)試性指標(biāo)定量要求的確定方法;文獻(xiàn)[13]根據(jù)測(cè)試性相關(guān)原則對(duì)艦船變流機(jī)組的測(cè)試性設(shè)計(jì)進(jìn)行。綜上所述,由于艦船逆變器等電力電子設(shè)備的測(cè)試性研究仍處于起步階段,對(duì)于如何開(kāi)展測(cè)試性設(shè)計(jì)與分析缺乏系統(tǒng)的論述。本文結(jié)合艦船逆變器的特點(diǎn),對(duì)某型艦船逆變器的測(cè)試性設(shè)計(jì)與分析方法開(kāi)展研究,為同類型艦船電力電子設(shè)備的測(cè)試性研究提供一定的參考。

        1 某型艦船逆變器工作原理及特點(diǎn)分析

        艦船逆變器是實(shí)現(xiàn)直流到交流變換的裝置,按照輸出波形的類型,可以分為電壓型逆變器和電流型逆變器,主要應(yīng)用于艦船靜止交流電源、不間斷電源、主變流裝置、直流區(qū)域配電系統(tǒng)以及電機(jī)驅(qū)動(dòng)變頻器等[14]。某型艦船逆變器的結(jié)構(gòu)如圖1所示。

        圖1 某型艦船逆變器結(jié)構(gòu)框圖

        圖中,直流電源是逆變器的輸入,經(jīng)過(guò)濾波后,通過(guò)逆變橋?qū)⒅绷麟妷鹤兂梢幌盗蟹讲妷海讲ǖ拿}寬按照正弦函數(shù)的規(guī)律變化,再通過(guò)濾波器將方波電壓轉(zhuǎn)化為正弦交流電壓,最后通過(guò)變壓器將輸出電壓變換成負(fù)載使用的電壓?;跀?shù)字信號(hào)處理器(DSP,digital signal processor)的控制器為逆變橋提供脈沖寬度調(diào)制(PWM,pulse width modulation)驅(qū)動(dòng)信號(hào),同時(shí)根據(jù)傳感器檢測(cè)到的輸出端電流和電壓信號(hào)實(shí)時(shí)調(diào)整驅(qū)動(dòng)信號(hào)。

        該艦船逆變器的特點(diǎn)主要有以下幾個(gè)方面:

        1)工作方式:艦船逆變器承擔(dān)著為艦船推進(jìn)電機(jī)等重要交流用電設(shè)備連續(xù)供電的任務(wù),需要開(kāi)展經(jīng)常性的維修保養(yǎng)工作。

        2)測(cè)試方法:艦船逆變器一旦發(fā)生故障,輸出交流電壓波形將發(fā)生畸變,導(dǎo)致推進(jìn)電機(jī)等用電設(shè)備故障甚至停機(jī),造成非常嚴(yán)重的后果,因此必須具備在線測(cè)試診斷能力,能夠?qū)崟r(shí)進(jìn)行狀態(tài)監(jiān)測(cè)和故障診斷。

        3)設(shè)計(jì)要求:由于艦船逆變器長(zhǎng)期工作在高溫、高鹽、高濕的環(huán)境中,并且需要考慮電磁兼容的問(wèn)題,對(duì)機(jī)內(nèi)測(cè)試(BIT,builtintest)設(shè)計(jì)、傳感器的性能以及布局提出了很高的要求。

        2 艦船逆變器測(cè)試性設(shè)計(jì)與分析流程

        根據(jù)GJB2547A-2012《裝備測(cè)試性工作通用要求》,測(cè)試性工作包括測(cè)試性需求分析、測(cè)試性管理、測(cè)試性設(shè)計(jì)與分析、測(cè)試性驗(yàn)證與評(píng)價(jià)、使用期間測(cè)試性評(píng)價(jià)與改進(jìn)等5個(gè)方面。其中,測(cè)試性設(shè)計(jì)與分析是測(cè)試性工作的主體,主要在裝備工程研制和定型階段開(kāi)展。

        測(cè)試性設(shè)計(jì)與分析包括:建立測(cè)試性模型、測(cè)試性分配、測(cè)試性預(yù)計(jì)、故障模式、影響及危害性分析(FMECA,failure mode, effect and criticality analysis)、制定測(cè)試性設(shè)計(jì)準(zhǔn)則、固有測(cè)試性設(shè)計(jì)和分析、診斷設(shè)計(jì)等,具體工作流程如圖2所示。

        圖2 測(cè)試性設(shè)計(jì)與分析流程圖

        由于目前艦船逆變器的測(cè)試性設(shè)計(jì)與分析處于起步階段,制定測(cè)試性準(zhǔn)則、診斷設(shè)計(jì)等工作還不具備開(kāi)展的條件和要素,按照測(cè)試性工作項(xiàng)目剪裁的原則,結(jié)合艦船逆變器的原理和工作特點(diǎn),本文重點(diǎn)對(duì)艦船逆變器測(cè)試性建模、測(cè)試性分配和FMECA三個(gè)方面開(kāi)展研究。

        首先對(duì)艦船逆變器進(jìn)行層次劃分,層次劃分是確保測(cè)試性設(shè)計(jì)與分析正確性與有效性的關(guān)鍵,直接關(guān)系到不同維修體制下故障檢測(cè)與隔離的最小單元。我國(guó)艦船裝備通常采用三級(jí)維修體制,由頂至下分別為艦員級(jí)維修(O級(jí),使用現(xiàn)場(chǎng)),中繼級(jí)維修(I級(jí),修理所)和基地級(jí)維修(D級(jí),修理廠)。在艦船出海、執(zhí)行任務(wù)過(guò)程中,若逆變器發(fā)生故障,往往直接采取措施更換發(fā)生故障的電路模塊,因此,為了適應(yīng)艦員級(jí)維修的需要,本文將逆變器各模塊定為L(zhǎng)RU,如表1所示。

        表1 艦船逆變器層次劃分表

        3 故障模式、影響及危害性分析

        FMECA是開(kāi)展測(cè)試性工作的基礎(chǔ),是在層次劃分的基礎(chǔ)上,分析系統(tǒng)每個(gè)LRU可能的故障模式、故障影響、嚴(yán)酷度、發(fā)生概率和檢測(cè)方法等,分析結(jié)果通過(guò)表格形式呈現(xiàn)。FMECA需要設(shè)計(jì)人員和專家根據(jù)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)、功能和環(huán)境條件等綜合分析,并在系統(tǒng)運(yùn)行和維修中不斷完善?;谙到y(tǒng)FMECA的結(jié)果,可以開(kāi)展測(cè)試性建模、建立診斷策略、進(jìn)行測(cè)試性設(shè)計(jì)等工作。

        根據(jù)GJB/Z1391[15],嚴(yán)酷度類別根據(jù)故障模式最終可能導(dǎo)致的人員傷亡、任務(wù)失敗、產(chǎn)品損壞等方面的影響程度進(jìn)行確定,通常分為四類:Ⅰ類(災(zāi)難的)、Ⅱ類(致命的)、III類(臨界的)、Ⅳ類(輕度的)。

        故障概率等級(jí)通常分為5類:

        1)A級(jí)——經(jīng)常發(fā)生,故障發(fā)生概率大于產(chǎn)品總故障概率的20%;

        2)B級(jí)——有時(shí)發(fā)生,故障模式發(fā)生概率大于產(chǎn)品總故障概率10%,小于20%;

        3)C級(jí)——偶然發(fā)生,故障模式發(fā)生概率大于產(chǎn)品總故障概率的1%,小于10%;

        4)D級(jí)——很少發(fā)生,故障模式發(fā)生概率大于產(chǎn)品總故障概率的0.1%,小于1%;

        5)E級(jí)——極少發(fā)生,故障模式發(fā)生概率小于產(chǎn)品總故障概率的0.1%。

        艦船逆變器最常見(jiàn)的故障現(xiàn)象包括過(guò)流、過(guò)壓、欠壓、過(guò)熱及過(guò)載等,其成因較為復(fù)雜,可由一個(gè)或多個(gè)原因引起。主要的故障模式包括:

        1)電容、電感、電阻等元件失效故障;

        2)IGBT驅(qū)動(dòng)故障;

        3)IGBT短路/開(kāi)路故障;

        4)偶發(fā)性故障(元件虛焊、接觸不良等)。

        對(duì)艦船逆變器進(jìn)行故障模式、影響及危害性分析,共梳理出20種故障模式,部分如表2所示。

        4 測(cè)試性建模

        測(cè)試性建模是裝備開(kāi)展測(cè)試性設(shè)計(jì)與分析工作的重要項(xiàng)目之一,是進(jìn)行測(cè)試性預(yù)計(jì)、測(cè)試點(diǎn)優(yōu)化改進(jìn)和測(cè)試性評(píng)估的重要手段。文獻(xiàn)[16]對(duì)邏輯模型、信息流模型、多信號(hào)流圖模型、結(jié)構(gòu)模型、混合診斷模型等典型的測(cè)試性模型進(jìn)行了總結(jié),分析比較了每種模型的特點(diǎn)和適用階段。其中,多信號(hào)流圖模型是進(jìn)行測(cè)試性預(yù)計(jì)、測(cè)試性設(shè)計(jì)與分析的重要模型,可以較好地描述系統(tǒng)功能-故障-測(cè)試的關(guān)系,并適用于裝備的整個(gè)生命周期。常用的測(cè)試性建模工具有TEAMS、eXpress、TADS等。

        艦船逆變器組成元器件多、綜合化程度高,故障傳播機(jī)制復(fù)雜,通過(guò)多信號(hào)流圖模型可以將其組成單元、信號(hào)、故障模式、測(cè)試以及它們之間的相互關(guān)系進(jìn)行準(zhǔn)確描述,便于使用計(jì)算機(jī)輔助分析,從而極大地提高測(cè)試性設(shè)計(jì)的效率。本文采用TEAMS對(duì)艦船逆變器進(jìn)行測(cè)試性建模,得到故障檢測(cè)率、故障隔離率的分析值,具體步驟如下:

        1)根據(jù)逆變器層次劃分的結(jié)果,在軟件中添加相應(yīng)的LRU模塊,結(jié)合逆變器各LRU的特點(diǎn)和關(guān)聯(lián)關(guān)系,定義LRU的端口和屬性,并使用連線進(jìn)行連接;

        2)根據(jù)逆變器FMECA的結(jié)果,在各LRU下添加相應(yīng)的故障模式,定義故障模式的屬性,建立故障模式間、故障模式與LRU端口間的連接關(guān)系;

        3)結(jié)合逆變器實(shí)際,添加測(cè)試并設(shè)置測(cè)試的基本屬性,主要包括測(cè)試類型、測(cè)試費(fèi)用、置信度等;

        4)執(zhí)行測(cè)試分析,根據(jù)需求可以得到故障隔離率、故障檢測(cè)率、冗余測(cè)試等信息。

        根據(jù)艦船逆變器的功能結(jié)構(gòu)、FMECA等信息,利用TEAMS軟件得到的模型如圖3所示。

        建模分析結(jié)果如表3所示。

        將測(cè)試性建模分析結(jié)果與測(cè)試性指標(biāo)要求進(jìn)行對(duì)比,可以預(yù)計(jì)當(dāng)前艦船逆變器測(cè)試性設(shè)計(jì)水平,通過(guò)分析結(jié)果可以看出,艦船逆變器當(dāng)前測(cè)試性設(shè)計(jì)水平較低,特別是發(fā)生故障后,難以將故障定位至某個(gè)模塊,不利于艦員及時(shí)進(jìn)行維修更換。在此基礎(chǔ)上,通過(guò)改進(jìn)測(cè)試設(shè)計(jì),可以優(yōu)化測(cè)試點(diǎn)布局,提高測(cè)試性水平。

        5 測(cè)試性分配

        測(cè)試性分配是將系統(tǒng)級(jí)測(cè)試性定量指標(biāo)按照一定規(guī)則分配給各組成單元的過(guò)程。測(cè)試性分配方法較多,大致可以分成兩類,一類是基于智能算法的分配方法,另一類是傳統(tǒng)的基于函數(shù)的測(cè)試性分配方法。工程上常用的是等值分配法、按故障率分配法、加權(quán)分配法等。測(cè)試性分配的基本程序如下:

        1)建立測(cè)試性模型,確定系統(tǒng)各層次的故障率;

        2)選擇合適的分配方法;

        3)對(duì)分配結(jié)果進(jìn)行分析和權(quán)衡。依據(jù)系統(tǒng)第個(gè)組成單元的分配值綜合得到的系統(tǒng)指標(biāo),必須滿足P>>Ps,其中:

        (1)

        表2 艦船逆變器FMECA例表

        圖3 艦船逆變器測(cè)試性模型圖

        測(cè)試性參數(shù)結(jié)果故障檢測(cè)率/%88.9故障隔離率/%12.5

        則分配工作完成。式中,P為根據(jù)各單元指標(biāo)計(jì)算得出的系統(tǒng)指標(biāo);Pi為系統(tǒng)第i個(gè)單元的分配值;Ps為系統(tǒng)的指標(biāo)要求。

        以故障檢測(cè)率指標(biāo)為例,測(cè)試性要求中系統(tǒng)的故障檢測(cè)率通常為95%,采用加權(quán)分配法,選取故障率、故障影響、診斷難易程度3個(gè)因素對(duì)艦船逆變器進(jìn)行分配,加權(quán)系數(shù)取值范圍為0~5。得到艦船逆變器故障檢測(cè)率指標(biāo)分配如表4所示。

        表4 艦船逆變器故障檢測(cè)率指標(biāo)分配結(jié)果

        通過(guò)計(jì)算得到的結(jié)果可以看出,經(jīng)過(guò)修正后的綜合指標(biāo)大于系統(tǒng)的故障檢測(cè)率要求值,滿足分配要求。需要修正的原因是當(dāng)某個(gè)單元的各加權(quán)系數(shù)均較高或較低時(shí),可能出現(xiàn)分配的測(cè)試性指標(biāo)超過(guò)1或者過(guò)小的情況。根據(jù)測(cè)試性指標(biāo)分配結(jié)果,可以對(duì)系統(tǒng)和每個(gè)單元進(jìn)行測(cè)試的布局,確保最終的系統(tǒng)能夠滿足定量指標(biāo)要求。

        6 結(jié)束語(yǔ)

        本文針對(duì)當(dāng)前艦船電力電子設(shè)備未考慮測(cè)試性設(shè)計(jì)的問(wèn)題,對(duì)某型艦船逆變器測(cè)試性設(shè)計(jì)與分析方法進(jìn)行了研究,主要從FMECA、測(cè)試性建模、測(cè)試性分配等3個(gè)方面,闡述了艦船逆變器開(kāi)展測(cè)試性相關(guān)工作的流程和方法,并給出了相應(yīng)分析計(jì)算結(jié)果,為艦船逆變器的診斷設(shè)計(jì)等后續(xù)測(cè)試性工作打下基礎(chǔ)。當(dāng)然,隨著對(duì)功率器件失效機(jī)理的研究不斷深入,電力電子設(shè)備的故障預(yù)測(cè)、健康管理等技術(shù)也不斷發(fā)展,如何在現(xiàn)有測(cè)試性技術(shù)的基礎(chǔ)上,制定面向故障預(yù)測(cè)和健康管理的測(cè)試性分析設(shè)計(jì)的需求和方法值得進(jìn)一步研究。

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