某型艦船逆變器測(cè)試性設(shè)計(jì)與分析方法研究

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)前亟需解決的問題，而測(cè)試性技術(shù)研究正是解決這一問題的重要途徑之一。

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)過濾波后，通過逆變橋?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，再通過濾波器將方波電壓轉(zhuǎn)化為正弦交流電壓，最后通過變壓器將輸出電壓變換成負(fù)載使用的電壓。基于數(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。基于系統(tǒng)FMECA的結(jié)果，可以開展測(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%。

艦船逆變器最常見的故障現(xiàn)象包括過流、過壓、欠壓、過熱及過載等，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

通過計(jì)算得到的結(jié)果可以看出，經(jīng)過修正后的綜合指標(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1或者過小的情況。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

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。