漯河醫(yī)學(xué)高等??茖W(xué)校 馬學(xué)濤
電子電路功率器件故障特征參數(shù)提取技術(shù)綜述
漯河醫(yī)學(xué)高等專科學(xué)校 馬學(xué)濤
在電子電路核心組成部分中,主功率器件是一個(gè)重要的部分,一旦其發(fā)生故障,將會(huì)導(dǎo)致整個(gè)電子電路無法正常運(yùn)行,因此需要對電子電路功率器件故障特征參數(shù)進(jìn)行提取,從而對故障進(jìn)行分析,最終實(shí)現(xiàn)電子電路可靠運(yùn)行。本文主要對電子電路功率器件故障特征參數(shù)提取技術(shù)進(jìn)行探討,旨在提高對電子電路的故障診斷技術(shù)水平。
電子電路;功率器件故障特征;參數(shù)提取
現(xiàn)代化的電力電子電路經(jīng)常被應(yīng)用到各個(gè)領(lǐng)域中,一般情況下,電力電子主動(dòng)率器件是一個(gè)相當(dāng)重要的組成部分,因此需要利用對現(xiàn)有的源功率器件來進(jìn)行開關(guān)的控制。在此種情況下,就需要充分的對電路中的重要功率器件進(jìn)行狀態(tài)的檢測,并且提取出相關(guān)的故障特征參數(shù)來充分的實(shí)現(xiàn)對電路運(yùn)行每個(gè)功率器件的故障診斷,從而提升整個(gè)電子電路系統(tǒng)的穩(wěn)定性。
在電子電路的關(guān)鍵元器件中,其發(fā)生鋁電解電容的主要功能部件為電容器芯子,由介質(zhì)、電解液、襯墊紙等部分,其中襯墊紙起著絕緣作用,可以實(shí)現(xiàn)對介質(zhì)中能量的充分儲(chǔ)藏,因此進(jìn)行鋁電解電容的失效可分為災(zāi)難性失效和緩變型失效兩種失效機(jī)制。災(zāi)難性失效主要指由于短路或開路造成電容的功能完全失效,而緩變型失效主要是指隨著電容工作時(shí)間的增加對其性能產(chǎn)生衰退的作用。引起失效現(xiàn)象的原因有較高的工作電壓、反向偏壓、紋波電流等。在鋁電解電容的性能方面主要是根據(jù)其介質(zhì)的部分發(fā)生的變化而產(chǎn)生相對應(yīng)的變化的,也可以被稱之為陽極金屬氧化膜,在金屬氧化的過程中,受到了其工作應(yīng)力的嚴(yán)重影響,對電解液會(huì)造成一定程度的影響,電解液會(huì)不斷修補(bǔ)并增厚該氧化膜,使得電容的等效串聯(lián)的電流產(chǎn)生增大的現(xiàn)象,與此同時(shí)其中的電容值也會(huì)得到不斷的減小。且在這個(gè)過程中ESR的消耗也會(huì)進(jìn)一步的增大,在提升了工作溫度的同時(shí),也不斷加速了電解液的揮發(fā),最終導(dǎo)致了電容值的快速下降的現(xiàn)象。
在電力電路器件的運(yùn)過程中,電感器屬于一個(gè)相當(dāng)重要的部分,可以起到儲(chǔ)能和濾波的作用。因此如果處于高頻的工作條件之下的話,在工作時(shí)間得到不斷加深的同時(shí),其中的電感的線圈溫度也會(huì)得到不斷的加深,最終對電路的工作狀態(tài)產(chǎn)生相當(dāng)大的影響。
元器件故障是電子電路故障的主要形式之一,因此在對其故障進(jìn)行檢測的過程中,要對電路中所產(chǎn)生的變化程度來對其電路的性能做出不斷的分析。電路故障可以分為結(jié)構(gòu)性和參數(shù)性故障。結(jié)構(gòu)性故障是指電力電子電路中的開關(guān)元器件出現(xiàn)開路、短路、或者由于驅(qū)動(dòng)電路故障而導(dǎo)致電路拓?fù)浒l(fā)生變化的故障。參數(shù)性故障是指電器元器件所具有的參數(shù)值和標(biāo)準(zhǔn)值相比較過程中產(chǎn)生較大偏移而引起的一類故障模式,從而實(shí)現(xiàn)對組成電力電子電路的各種功率元器件所造成的工作應(yīng)力產(chǎn)生一定的影響,比如電路正常運(yùn)行的時(shí),經(jīng)常需要承受較大的電流、高壓以及溫度等外界因素,因此在工作應(yīng)力方面會(huì)產(chǎn)生相當(dāng)大的影響,最終對元器件的性能造成影響,對元器件自身的參數(shù)造成一定的偏差,在其中的偏差值超過允許的范圍之內(nèi)的情況下,就會(huì)產(chǎn)生參數(shù)性的故障現(xiàn)象,對參數(shù)的電路輸出特性造成相當(dāng)大的影響,最終影響其整體系統(tǒng)的功能發(fā)揮。如果在這種情況中,不加以快速的診斷和處理元器件,其中的參數(shù)下降就會(huì)對整體的結(jié)構(gòu)性能產(chǎn)生嚴(yán)重的影響,因此在對參數(shù)性故障技術(shù)進(jìn)行診斷的時(shí)候需要對元器件中的微小故障進(jìn)行排除,從而對元器件進(jìn)行故障的診斷預(yù)測。
本文除了對電子電路運(yùn)行過程中所出現(xiàn)的故障技術(shù)進(jìn)行詳細(xì)的分析,還要在此基礎(chǔ)上,對其特征參數(shù)進(jìn)行提取,本文以信號處理的特征參數(shù)為主要的研究對象,在對信號處理的特征參數(shù)提取的過程,本文主要對頻率分析的提取方式進(jìn)行了分析,利用電力電子系統(tǒng)的已經(jīng)測量得到的信號進(jìn)行獲取,但是利用此種方式獲取到的故障信號特征值是非常小的,因此就需要利用相關(guān)的技術(shù)對所測的信號進(jìn)行處理,以便抽取出有用的故障信息或者找出區(qū)別于電路正常工作信號的特征。對信號的處理過程,主要是對信號進(jìn)行提取、變換、分析、綜合等方式,在進(jìn)行信號的處理方式方面,也可以分為多種方式類別,其中主要有沃爾什變換、基函數(shù)、傅里葉變換、小波變換、高階譜分析等方式,在進(jìn)行分析的時(shí)候,也可以對信號的方差、幅值、頻率等特征進(jìn)行測量提取,從而作為系統(tǒng)中的故障測量值進(jìn)行試驗(yàn)。在電力電子電路中所出現(xiàn)的故障信息的關(guān)鍵點(diǎn)一般都是具有周期性的,因此在進(jìn)行提取方面可以利用傅里葉變換將周期性信號從時(shí)域轉(zhuǎn)換到頻域中進(jìn)行分析,從而實(shí)現(xiàn)對其故障特征值的有效提取。
在電力電子電路轉(zhuǎn)換器中,可以分為幾種不同的工作模式,需要利用每種不同的開關(guān)功率器件來實(shí)現(xiàn)對每種工作模式的控制,因此也就產(chǎn)生了不同的輸出電壓波形的形狀,由于其不同的功率器件會(huì)導(dǎo)致輸出電壓波形的不同形狀,在電壓的頻譜方面也就形成不同的狀態(tài)。在本文中主要利用傅里葉分析的方法實(shí)現(xiàn)了對三相變流器主電路的故障特征的提取。在進(jìn)行操作的過程中,首先需要根據(jù)其電壓的幅度頻譜特征診斷出故障的類別;之后就可以對特征值進(jìn)行提取,從而判斷出發(fā)生故障的元器件。在這個(gè)過程,如果發(fā)生了參數(shù)性故障的現(xiàn)象,輸出的電壓并不會(huì)產(chǎn)生太多的變化,因此在頻譜變化幅度不大的情況下,就需要對諧波的含量做出定量定性的分析,最終實(shí)現(xiàn)對特征值的提取。在對控制電機(jī)的三相逆變器的研究中,需要保證在開關(guān)管斷開的瞬間利用分析開關(guān)器件的內(nèi)部寄生參數(shù)和電機(jī)繞組之間所產(chǎn)生的開關(guān)管源漏極電壓的震蕩幅值和頻率進(jìn)行分析,并且在經(jīng)過分析之后還需要對其中的高頻分量信號進(jìn)行提取,最終實(shí)現(xiàn)判斷功率管老化的狀態(tài)和程度,如圖1所示。從圖2中可以充分的看出在老化之后的功率管內(nèi)部的計(jì)生參數(shù)發(fā)生了嚴(yán)重的變化,最終使得元器件在開關(guān)斷開的瞬間,功率管源漏極電壓諧振峰值以及和震蕩頻率出現(xiàn)了明顯下降的現(xiàn)象。
圖1 老化前后 IGBT 模塊關(guān)斷瞬間兩端電壓波形變化
綜上所述,在電力電子系統(tǒng)的可靠性問題的研究過程中需要對其電力電子的故障診斷和預(yù)測技術(shù)進(jìn)行不斷地研究,電力電子的主功率器件作為核心部件來說,其正常的數(shù)值可以對電力電子電路的安全可靠性工作起到一個(gè)相當(dāng)重要的工作,因此在需要將對電力電子系統(tǒng)的故障診斷作為重要的環(huán)節(jié)進(jìn)行研究,在研究的過程中,可以充分的利用功率器件失效的原理進(jìn)行對故障的特征參數(shù)進(jìn)行不斷的確定,從而利用科學(xué)的檢測方式提取功率器件故障參數(shù),最終保證電子電路的可靠穩(wěn)定。
[1]任磊,韋徵,龔春英等.電力電子電路功率器件故障特征參數(shù)提取技術(shù)綜述[J].中國電機(jī)工程學(xué)報(bào),2015(12).
[2]韓冬.淺析電力電子電路功率器件故障特征參數(shù)提取技術(shù)[J].科學(xué)家,2016(2).
馬學(xué)濤(1975—),男,河南郾城人,大學(xué)本科,講師,研究方向:物理學(xué)教學(xué)。