Содержание к диссертации
Введение
1 Электронные силовые и электромеханические устройства и методическое обеспечение контроля их параметров 8
1.1 Электронные силовые и электромеханические устройства автономных и стационарных объектов 8
1.2 Методическое обеспечение контроля технического состояния ЭМУ 12
1.3 Методическое обеспечение контроля технического состояния ЭСУ 16
2 Методическое обеспечение контроля технического состояния ЭМУ по форме пульсирующего напряжения генератора
2.1 Анализ связи режимов функционирования ЭМУ со спектральным составом напряжения в сети питания
2.2 Анализ спектра напряжения генератора авиационного ДВС на наличие основных характеристических гармоник
2.3 Анализ спектрального состава напряжения генератора автомо- бильного ДВС при возникновении разнородных дефектов
2.4 Определение минимальной частоты дискретизации и объема выборки сигнала генератора
2.5 Изменения спектров вибрации двигателя и напряжения генератора при возникновении различных неисправностей
2.6 Анализ изменений спектра пульсирующего напряжения генератора при постепенном перегреве ДВС
2.7 Методическое обеспечение контроля качества функционирования ДВС на основе анализа спектра напряжения генератора
Выводы к разделу 2 63
3 Контроль технического состояния ЭМУ по пульсирующей составляющей напряжения датчиков
3.1 Вибрационные характеристики газотурбинных двигателей 65
3.2 Гармонический состав напряжения электромеханического датчика 67
3.3 Анализ возможностей расширения частотной полосы пропускания электромеханических датчиков
3.4 Алгоритмы работы устройств контроля технического состояния ГТД по спектрам сигнала электромеханических датчиков
3.5 Алгоритм работы устройства контроля ГТД 83
3.6 Определение ресурсов, необходимых для реализации алгоритмов 85
Выводы к разделу 3 95
4 Методическое обеспечение контроля технического состояния ЭСУ 97
4.1 Анализ и обоснование выбора контролируемых параметров ключевых элементов ЭСУ
4.2 Методическое и алгоритмическое обеспечение контроля параметров силовых транзисторных ключей на основе нейронных сетей
4.3 Прогнозирование степени деградации транзистора с оценкой его остаточного ресурса
4.4 Техническая реализация методики контроля параметров транзи- сторов ЭСУ по изменению формы коммутируемого тока
Выводы к разделу 4 137
5 Организация экспериментальных исследований и практическая реализация контроля и диагностики ЭМЭСУ
5.1 Устройство для испытаний транзисторных ключей 139
5.2 Программное обеспечение для реализации контроля параметров ЭСУ с применением нейронных сетей
5.3 Организация экспериментов для получения информации о состоянии ЭМУ по спектру напряжения
5.4 Макеты отладочных устройств контроля параметров ЭМЭСУ и алгоритмы их работы
Выводы к разделу 5 160
Основные результаты работы 160
Литература 163
- Методическое обеспечение контроля технического состояния ЭМУ
- Анализ спектра напряжения генератора авиационного ДВС на наличие основных характеристических гармоник
- Гармонический состав напряжения электромеханического датчика
- Методическое и алгоритмическое обеспечение контроля параметров силовых транзисторных ключей на основе нейронных сетей
Введение к работе
Работоспособность радиоэлектронного и электротехнического оборудования различных объектов в значительной мере определяется техническим состоянием электромеханических и электронных силовых устройств (ЭМЭСУ), предназначенных для получения электрической энергии, обладающей требуемыми показателями качества, и имеющих общую сеть питания. К электромеханическим (ЭМУ) относятся устройства для производства электрической энергии, состоящие из двигателя (внутреннего сгорания, газотурбинного или турбовинтового и т.п.) и приводимого им во вращение генератора постоянного или переменного тока, являющегося источником электрической энергии. Электронные силовые устройствэ(ЭСУ) - это преобразователи, регуляторы, стабилизаторы напряжения и тока, представляющие собой импульсные усилительно-преобразовательные устройства (ИУПУ). Они обеспечивают требуемые для конкретного потребителя (нагрузки) показатели качества электрической энергии в сети нагрузки.
Техническое состояние ЭМЭСУ автономных и стационарных объектов в значительной мере определяет работоспособность потребителей и существенно влияет на срок их службы, надежность, массу, габариты, стоимость. Возникновение дефектов или отказов в ЭМЭСУ приводит к ухудшению эксплутацион-ных параметров потребителя или к частичной (полной) потере работоспособности. Таким образом, имеет место важная проблема — повышение качества функционирования электромеханических и электронных силовых устройств за счет контроля их технического состояния, своевременного выявления дефектов и прогноза отказов.
На этапах производства и испытаний контроль параметров ЭМЭСУ проводится с помощью специально разработанных систем контроля, содержащих необходимое для этого оборудование. В то же время, в процессе эксплуатации реализация контроля усложняется из-за необходимости применения дополнительного оборудования на ЭМЭСУ. Для этого на объектах контроля традиционно устанавливаются различные датчики с измерительными преобразователя ми, зачастую не обладающие достаточным уровнем метрологических характеристик, а также средства сбора и обработки информации, снимаемой с объекта контроля. При отсутствии контроля технического состояния ЭМЭСУ появление дефектов и отказов может стать причиной возникновения аварийных ситуаций.
В настоящее время на автономных и стационарных объектах все шире применяются микроконтроллеры, управляющие устройствами генерирования и преобразования электроэнергии. Микроконтроллеры содержат микропроцессор, накопители информации (память) и элементы для реализации алгоритмов управления - эталоны напряжения, элементы сравнения, периферийные устройства. Следовательно, на них дополнительно можно возложить большинство функций, необходимых для осуществления контроля без дополнительных аппаратных средств при условии использования имеющихся датчиков либо при отказе от таковых в случае выявления других источников информации о состоянии объекта контроля. В частности, это могут быть параметры, определяющие качество электрической энергии, или информативные сигналы из общей для ЭМУ и ЭСУ сети питания. Отсюда вытекает необходимость разработки новых методик контроля технического состояния ЭМЭСУ и их реализации с применением штатного оборудования без дополнительных аппаратных средств.
Алгоритмы контроля следует строить с использованием информации, имеющейся в контролируемом объекте и получаемой без введения дополнительных измерительных датчиков. Для ее обработки необходимо соответствующее математическое и программное обеспечение микроконтроллеров, выполняющих не только основные функции управления ЭСУ, но и дополнительно возлагаемые на них функции контроля.
Такой подход требует изучения подобных объектов контроля, исследования свойств с последующим выявлением сигналов, отражающих их техническое состояние и создающих необходимые и достаточные условия для разработки методического обеспечения и реализации контроля параметров ЭМЭСУ с выявлением и оценкой развития дефектов и прогнозированием возможных отказов. Получаемая при этом информация о результатах контроля может ис пользоваться в процессе эксплуатации, при обслуживании, испытаниях и диагностике ЭМЭСУ.
Цель работы - разработать методическое, алгоритмическое и программное обеспечение электрического контроля технического состояния электромеханических и электронных силовых устройств, направленного на повышение качества их функционирования за счет своевременного выявления возникающих дефектов и возможных отказов путем измерения и анализа сигналов, получаемых с использованием штатного оборудования объекта контроля из общей сети питания.
Для достижения указанной цели необходимо решить следующие задачи:
1. Провести анализ и выявить сигналы в общей сети питания, содержащие информацию о техническом состоянии ЭМЭСУ и подлежащие контролю.
2. Разработать методики контроля технического состояния ЭМЭСУ на основе анализа информативных сигналов сети питания и штатных технических средств объекта контроля.
3. Разработать алгоритмы и программное обеспечение микропроцессоров управления ЭСУ для реализации контроля технического состояния ЭМЭСУ.
4. Провести апробацию методического, алгоритмического и программного обеспечения контроля и диагностики ЭМЭСУ различного назначения.
В первом разделе рассматриваются современные методы контроля технического состояния ЭМЭСУ. На основе анализа патентного фонда и литературы по методам и средствам контроля и диагностики ЭМУ и ЭСУ отмечается необходимость разработки новых методов и методик контроля параметров, выбора информативных контрольных точек. Приведена обобщенная схема ЭМЭСУ.
Во втором разделе предлагается методика контроля технического состояния ЭМУ, которая базируется на выявлении изменений спектрального состава напряжения на выходе штатного генератора, кинематически связанного с двигателем - источником энергии. На основе этих изменений выявляются с оценкой изменений дефекты контролируемого объекта. Разработан алгоритм методики контроля с учетом особенностей обработки информативных сигналов.
В третьем разделе рассматривается применение предложенной методики для контроля технического состояния газотурбинного двигателя. Для этого предложено использовать имеющиеся штатные датчики скорости вращения турбины, представляющие собой генерирующие устройства. За счет анализа спектра вырабатываемого ими напряжения выявляются дефекты в ГТД и, что очень важно, в контурах высокого и низкого давления, где размещение пъезо-датчиков из-за высокой температуры и повышенного давления недопустимо.
Четвертый раздел посвящен разработке методики контроля технического состояния ЭСУ. Выявлены потенциально ненадежные элементы ИУПУ - транзисторные ключи. На основе предварительных экспериментов доказано, что в процессе деградации MOSFET-транзисторов происходят изменения кривой коммутируемого этим элементом тока. Выявление этих изменений и, как следствие, степени старения ключа, осуществляется с помощью нейронных сетей. Построена экстраполированная зависимость, позволяющая выявлять время предполагаемого отказа транзисторов с учетом коррекции, определяемой режимом работы. Разработано математическое и программное обеспечение предложенного метода.
Особенности проведения экспериментальных исследований изложены в пятом разделе. Там же приводится описание макетов испытательного оборудования, Излагаются принципы построения и программирования нейронных сетей. Дается информация о макете отладочного устройства контроля на базе микроконтроллера управления преобразователя напряжения, применяемого для решения дополнительной задачи контроля.
Методическое обеспечение контроля технического состояния ЭМУ
Важным при разработке методов контроля является выбор параметров, которые можно измерять и получаемую при этом информацию использовать для оценки состояния ЭМСЭУ. Как показано на рис. 1.1, в качестве входных сигналов устройства контроля параметров целесообразно использовать токи и напряжения в узлах схемы ИУПУ или в сети питания. Параметры сигналов в сети питания содержат информацию не только о преобразователе энергии, но и об агрегатах первичного источнике энергии и потребителе. С одной стороны это вносит некоторые усложнения в процесс контроля технического состояния ЭМУ. С другой же перед устройством контроля открывается возможность оценивать состояние ЭСУ и потребителя, связанных общей сетью питания.
Механические колебания (вибрации) источника механической энергии (двигателя) с размещенными на нем агрегатами обусловлены неравномерным вращением его вала, работой поршневой группы, наличием дефектов подшипников и креплений, неравномерностями износа самого двигателя и механически связанных с ним агрегатов, в частности генератора. Чрезмерное увеличение вибраций говорит либо о развитии имеющихся дефектов, либо о появлении катастрофического дефекта, которые неизбежно приведут к отказу ЭМУ, а в некоторых случаях — к возникновению аварии.
Известные методы контроля состояния двигателей [1-50] требуют установки дополнительных датчиков, либо осуществления диагностических мероприятий с использованием специального оборудования в рамках регламента, профилактики или ремонта. Для автомобильных двигателей внутреннего сгорания (ДВС) разработаны специальные диагностические комплексы. Станции техобслуживания оборудуются сложными системами, способными давать подробный отчет о текущем состоянии ДВС. К таким системам, например, относятся мотор-тестер МОТ 25 1, универсальный испытательный адаптер ЕТТ 018, многокомпонентный газоанализатор ЕТТ 008 фирмы BOSCH. Они позволяют оценить состояние ДВС по целому ряду параметров: диаграмме давления внутри цилиндров за период рабочего цикла, составу примесей и их концентрации в выхлопных газах и масле, температуре различных агрегатов двигателя, уровню частота вибраций и другим. Эти приборы позволяют получить подробную информацию о состоянии двигателя, но только в процессе его ремонта, профилактики или регламентных работ.
Для оценки состояния ДВС в процессе эксплуатации, кроме традиционно устанавливаемых датчиков и приборов используются средства, характеризующие режимы его работы - указатели температуры головок цилиндров, топлива на входе в карбюратор и масла, тахометр, индикатор наличия стружки в масле [11] и т.п. Комплекс таких средств позволяет оценить лишь небольшую часть из возможных отказов, не давая информации о степени износа двигателя.
Развитие микроэлектронной техники позволило применить в устройствах контроля параметров новые алгоритмы, позволяющие реализовать оценку состояния двигателя по множеству параметров. В последние пятнадцать лет было разработано большое количество средств, методов и методик диагностики двигателей, позволяющих выявлять такие дефекты, как детонацию, трещины в картере и различных деталях, износ подшипников и шестерен приводов, износ клапанного механизма, несоответствие качества топлива данному двигателю при слишком богатой или бедной смеси.
Значительное количество методов контроля основано на оценке вибрационных характеристик двигателя. Так в [20] предложено сравнивать спектры вибрационных колебаний контролируемой установки с эталонными спектрами, соответствующими нормальной работе агрегатов, и со спектрами колебаний установок, имеющие дефекты. Проводится корреляционный анализ между указанными спектрами, в результате которого принимается решение по его состоянию. Массив различных спектров, соответствующих состоянию установки на различных стадиях износа, определяется опытным путем.
Подобная методика используется для контроля параметров газотурбинных двигателей. Предложено выявлять наиболее характерные отказы по газодинамическим параметрам потока [25, 33 - 36], осуществляя сравнение полей газодинамических параметров потока и тяги испытуемого двигателя с аналогичными параметрами эталонного двигателя и двигателя с характерными дефектами проточной части. Данные методы позволяют идентифицировать изученные отказы, модели которых имеются во множестве эталонных спектров. Однако создание полного массива спектров, описывающего все возможные отказы и их исследование на реальном устройстве, требует больших средств и временных затрат.
Возможен контроль параметров двигателя путем анализа процесса перевода двигателя из некоторого эталонного режима в режим останова [21]. Основным параметром является частота вращения ротора, которая определяется в процессе остановки двигателя. Методика интересна тем, что не требует применения никакой дополнительной аппаратуры для оценки степени деградации двигателя. Применим он лишь во время проверки двигателя, но не пригоден для оценки параметров в процессе эксплуатации.
Похожим образом предложено оценивать техническое состояние поршневых двигателей в [28]. При этом используются параметры - давление в цилиндрах и амплитудный спектр динамической мощности. Оценка параметров двигателя осуществляется посредством сравнения полученных результатов с эталонными кривыми, отображающими работу исправного двигателя и работу двигателя с определенными дефектами. В [47] входным параметром устройства диагностики двигателя являются механические напряжения в элементах цилиндров или поршневой группы. Для реализации этого способа используется специальный датчик напряжений, который устанавливается под гайку или болт, крепящий головку блока цилиндров. Сигнал с датчика усиливается в усилителе с коррекцией нулевой линии и при помощи аналого-цифрового преобразователя передается в ЭВМ, где и производится его обработка.
Анализ спектра напряжения генератора авиационного ДВС на наличие основных характеристических гармоник
В случае возникновения дефектов вала или винта, которые могут быть вызваны повреждением двигателя посторонними предметами, попавшими в воздушный винт, капотированием, износом подшипников, нарушением работы механизма, осуществляющего установку угла атаки лопастей (вследствие его износа или механических повреждений) и т.п., вращение вала происходит с биениями. Амплитуда гармоники 5 в этом случае увеличится.
Наиболее сложным при синтезе устройства диагностики коленчатого вала и винта является выбор порогового значения амплитуды гармоники 5. Эта величина может быть установлена в результате статистической обработки сигналов с большого количества двигателей или по результатам исследований двигателя, находящегося на пределе изношенности механизмов. Кроме того, большой интерес вызывают величины первой и второй производной от нее. В случае если амплитуда гармоник 5 с течением времени начала увеличиваться по экспоненциальному закону, разумно предположить о развитии в двигателе какого-то разрушающего процесса, прекратить его эксплуатацию и произвести детальную проверку.
Частоту 11 Гц имеет сигнал (гармоника 3), порождаемый приводами и вспомогательными механизмами двигателя, работающими с частотой, вдвое меньше частоты вращения коленчатого вала. К таким системам относятся приводы распределения зажигания, бензонасоса, кулачкового механизма, таходи-намо и другие. Поскольку мощность агрегатов, приводимых в действие этими приводами, невысока, их влияние на амплитуду гармоники 3 также мало. Особо следует отметить, что в спектре частота повторения циклов в двигателе также имеет место (в четырехтактных двигателях за один полный рабочий цикл коленчатый вал совершает два оборота). При нормальной работе двигателя Valter-Minor М332 за один цикл совершают по одному рабочему такту все четыре цилиндра в последовательности - первый, третий, четвертый, второй. В случае если параметры работы одного из цилиндров начинают отличаться от параметров остальных цилиндров, неравномерность угловой скорости вала усиливается. Это приведет к возрастанию амплитуды гармоники 3.
На частоте 33 Гц находится гармоника 7, появляющаяся по причине неравномерности вращения привода тахометра, имеющего коэффициент редукции 1,785. Мощность генератора Scintilla составляет 300 Вт, а его поломки маловероятны. Особого внимания заслуживает гармоника 8. Она имеет частоту, вдвое превышающую частоту вращения коленчатого вала. Поскольку на один оборот вала приходится два срабатывания цилиндров, и, следовательно, два процесса поджига смеси, то с такой частотой происходит процесс вырабатывания искры высокого напряжения в магнето. Возникшая искра является причиной электромагнитной наводки на различные металлические части самолета. При использовании на двигателе экранированных проводов высокого напряжения этот сигнал ослабляется, но в случае нарушения экранировки, уровень помех резко увеличится. Бортовая сеть в данном случае выступает как антенна. Наводящийся с частотой формирования искры сигнал будет иметь линейчатый спектр, первая гармоника которого придется на частоту гармоники 8. На частоте 53 Гц находится гармоника 10, представляющая собой вторую гармонику напряжения генератора. Эта гармоника связана с режимом работы и состояни ем генератора, величиной сопротивления нагрузки. По ней можно судить о том, как генератор справляется с задачей обеспечения энергией потребителя.
Довольно интересный элемент спектра находится на частоте 0,5 Гц. Если посмотреть на временные сигналы, сведенные в табл.2.1, можно заметить, что напряжение генератора изменяется с частотой 0,25 - 0,5 Гц. Частота этих низкочастотных пульсаций зависит от режима работы двигателя, но не имеет линейной связи с частотой вращения коленчатого вала. Следовательно, эти пульсации являются результатом некоторой периодичности в работе двигателя. Заметим, что этот процесс проявляется лишь на малооборотных режимах. В крейсерском режиме (см. табл.2.1) подобные пульсации практически отсутствуют.
Также следует отметить ряд гармоник на частотах от 1 до 10 Гц, которые при изменении режимов работы двигателя не меняют своей частоты. Это указывает на то, что они порождены не вращающимися частями, связанными с коленчатым валом через редуктор, а скорее механически колеблющимися элементами двигателя на собственных резонансных частотах. Эти компоненты спектра также представляют собой очень важные входные параметры для устройства контроля и диагностики двигателя. Изменение картины механических резонан-сов силовой установки может быть вызвано, например, трещиной какого-либо из узлов двигателя.
Гармонический состав напряжения электромеханического датчика
В контурах высокого и низкого давления применяются датчики числа оборотов (частоты вращения) валов турбины двух типов - электромеханические и индукционные. Для анализа спектров сигналов (рис.3.1 и 3.2) индукционного датчика (пульсирующая составляющая напряжения представлена на рис.2.1г) двигатель испытывался в режиме частичного форсажа [133].
Спектры сигналов индукционных датчиков каналов высокого (вверху) и низкого (внизу) давления На полученных спектрах сигналов вертикальными отметками обозначены рассчитанные частоты колебаний узлов и деталей потенциальных возбудителей вибраций ГТД. В верхней части графика нанесены отметки на частотах, которые кратны частоте вращения вала канала высокого давления, а в нижней - канала низкого давления. Жирными отметками в области до 500 Гц обозначены частоты вращения валов обоих контуров, а в диапазоне частот от 2,5 до 3,5 кГц находятся гармоники сигналов датчиков частоты вращения.
Датчик частоты вращения в контуре низкого давления имеет тринадцать магнитных элементов, такой же датчик, расположенный в контуре высокого давления - шестнадцать. Этим объясняется высокая частота основных сигналов с датчиков, составляющая примерно 2,7 кГц и 3,4 кГц для соответствующих контуров. Визуально заметно, что некоторые из мощных гармоник, присутствующих в спектрах сигналов, совпадают с расчетными частотами (рис.3.2). Также хорошо различимы частоты вращения валов, отмеченные более высокими линиями, чем остальные гармоники. На частоте 400 Гц спектра напряжения датчика контура высокого давления выделяется выброс, порождаемый помехой, создаваемой генератором турбины.
Спектры сигналов индукционных датчиков контуров высокого (вверху) и низкого (внизу) давления в диапазоне частот от 0 до 800 Гц Полученные спектры содержат помимо основных гармоник ряд всевозможных составляющих. Совпадение с расчетными гармониками наблюдалось примерно в 15% случаев. Кроме того, в спектрах имеется большое число составляющих, не объясняемых теоретическими расчетами. Столь большие расхождения между теорией и практикой обусловлены ориентировочным характером расчетов. Кроме того, гармонические составляющие, вызванные колебанием каких-либо узлов ГТД, наблюдаются лишь в вибрационных сигналах, снимаемых с определенных областей кожуха ГТД и зачастую в непосредственной близости от данного элемента. Поэтому сигналы, снимаемые с датчиков, расположенных на валах контуров, то есть в разных частях ГТД, содержат сравнительно малое число совпадающих гармоник.
Следует отметить, что при традиционных методах контроля количество гармонических составляющих, совпадающих с расчетными, составляет еще меньшую величину, не превышающую 4...8%, при наличии большого числа составляющих, не объясняемых теоретически. В результате количество выявляемых гармоник при использовании совместно пьезоэлектрических и индукционных датчиков удается повысить примерно 2...2,5 раза.
Следует отметить, что традиционно пьезодатчики вибраций устанавливаются на кожухе ГТД и способны воспринимать вибрации, передающиеся от наиболее важных узлов турбины кожуху. Индукционные датчики частоты вращения располагаются непосредственно на валах контуров высокого и низкого давлений, в местах, где размещение других датчиков затруднено наличием высоких температур, давлений и перегрузок. В спектре их напряжения содержатся вибрационные составляющие, которые относятся к наиболее важным узлам ГТД.
В результате сигналы в частотных диапазонах выше указанных частот оказываются неразличимыми на фоне шумов. Тем не менее, в полосу пропускания попадает большое число гармоник, порождаемых вибрациями турбины, по которым можно судить о ее состоянии. В процессе проведенных испытаний спектр электромеханического тахометрического датчика оказался менее информативным, поскольку полоса пропускания канала связи датчика с устройством оценки частоты узка и находится в области низких частот. Подобные датчики вытесняются более технологичными и надежными индукционными датчиками. Тем не менее, в спектре сигнала датчика присутствует ряд составляющих, представляющих интерес для исследования.
В ходе проведенных испытаний область нижних частот не подвергалась подробному анализу, хотя она может оказаться довольно информативной. В принципе этот датчик может использоваться для измерения вибраций, тем более, что он является надежным устройством. На спектре напряжения индукционного датчика на отрезке частот от 0,2 до 0,4 кГц можно различить составляющие, совпадающие по частоте с частотами вращения валов каналов высокого и низкого давления (см. рис.3.1, 3.2, 3.3). Особый интерес представляет низкочастотная огибающая сигналов датчика. Выборка сигнала, записанного с индукционного датчика канала низкого давления, приведена на рис.3.4. Этот сигнал напоминает синусоиду, модулированную низкочастотными составляющими.
Известно, что спектр AM сигнала состоит из несущей гармоники и двух зеркально отображенных относительно нее спектральных составляющих низкочастотного сигнала. Иными словами, спектры сигналов с датчиков не содержат низкочастотной составляющей сигнала, или содержат сильно подавленные сигнальные составляющие. В области спектра вблизи основной гармоники имеются сигнальные составляющие, перенесенные туда из низкочастотной области спектра.
Эта особенность налагает некоторые требования на процедуры диагностики. Низкочастотные составляющие спектра могут быть эффективно выде лены из сигнала, полученного при пропускании сигнала датчика через нелинейное устройство. В данном случае были исследованы операции амплитудного детектирования сигнала и возведения в квадрат.
Следует отметить, что частота вращения вала контура низкого давления и частота сигнала, снимаемого с датчика, различаются в шестнадцать раз. Таким образом, при оценке спектра сигнала необходимо учитывать обстоятельство, что спектр сигнала, претерпевшего нелинейные преобразования, содержит большое количество комбинационных гармоник. Применение нелинейного преобразования сигнала эффективно лишь при оценке низкочастотной составляющей спектра.
Методическое и алгоритмическое обеспечение контроля параметров силовых транзисторных ключей на основе нейронных сетей
В работе предлагается методика контроля параметров силовых полупроводниковых элементов ИУПУ, основанная на анализе формы импульсов тока или напряжения на транзисторных ключах и использующая аппарат нейронных сетей. Для оценки состояния мощного MOSFET-транзистора в импульсном преобразователе напряжения необходимо располагать информацией о том, как изменяются параметры транзистора в зависимости от степени его износа.
Известно [52, 53, 89, 116, 120, 145, 146, 157], что процессы нарастания и спада напряжения при открывании и закрывании полупроводникового элемента определяются его физической структурой и состоянием. На этом основан выбор в качестве контролируемых параметров сигналов, отражающих процессы переключения мощного MOSFET-транзистора. Теоретически можно лишь предположить, как будет изменяться форма кривой коммутируемого напряжения или тока при деградации транзистора. Для оценки реальных изменений необходимы экспериментальные исследования, позволяющие оценить изменения параметров транзистора в процессе его деградации и формы сигнала.
Для проведения исследований был выбран как наиболее распространенный MOSFET-транзистор IRFP460A фирмы International Rectifier с предельно допустимым током канала 20А и пороговым напряжением включения 6В. Известно [101], что старение элементов полупроводниковой техники в короткий срок достигается при их эксплуатации при повышенной температуре. В структурах с Фаулер-Нордгеймовской инжекцией неосновных носителей в область канала, скорость деградации слоя диэлектрика пропорциональна величине плотности тока, протекающего через канал [79]. Этот эффект слабеет в МДП-структурах с толщиной диэлектрика менее 3 нм, в которых инжекция неосновных носителей в канал осуществляется туннелированием их из затвора, что существенно снижает вероятность релаксации быстрого носителя заряда внутри слоя диэлектрика. Из работы [52] следует, что мощные MOSFET-транзисторы, к которым относится IRFP460A, имеют толщину слоя диэлектрика не менее 8 нм. Следовательно, слой подзатворного диэлектрика подвержен деградации, вызываемой быстрыми носителями, зависящей от величины тока, протекающего через канал.
Экспериментально полученный процесс изменения напряжения на затворе транзистора представлен на рис.4.5. Ясно различима ступенька в кривой нарастании напряжения, объясняемая релаксационным процессом заряда емкостей затвор-канал и эквивалентной емкости, характеризующей распределенный в канале заряд. По оси абсцисс время отложено в мкс. Сплошная кривая соответствует «новому» транзистору, пунктирная - транзистору, про 107
работавшему 59 часов при температуре 200 - 250С. Для удобства восприятия на обоих графиках пунктирные кривые смещены вправо на 0,05 мкс. Изменения формы кривой напряжения, происходящие по причине деградации, можно обнаружить при более детальном анализе. Однако в ходе эксперимента были выявлены более информативные сигналы, которым и было отдано предпочтение [160, 161].
При исследовании изменения формы тока через канал транзистора в процессе его деградации определялись параметры фронта и спада токового импульса, связанные со степенью износа элемента. Исследования проводились на выборке транзисторов. В качестве исследуемого сигнала выбрано напряжение, снимаемое с датчика тока, включенного в цепь истока транзистора и являющегося эквивалентным току, протекающему через канал.
Фронт импульса тока «нового» транзистора представлен на осциллограмме (рис.4.6) при амплитуде импульса тока 0,7 А. В момент подачи открывающего импульса напряжение на затворе изменяется неравномерно. Когда напряжение достигает порога открытия транзистора, начинается образование неосновных носителей в области канала. Происходит заряд эквивалентной емкости затвор-канал. В цепи стока в это время наблюдается шумовой процесс, длящийся до момента заряда емкости затвор - канал. Длительность этого процесса составляет около 500 не. После заряда емкости напряжение на затворе продолжает нарастать с одновременным отпиранием транзистора. Процесс нарастания тока через канал происходит неравномерно. Релаксационными процессами в полупроводнике, объясняемыми возникновением барьерного эффекта, обусловлена ступенька, выделенная на рис.4.6 окружностью. При этом скорость нарастания тока изменяется во времени.
В процессе деградации транзистора форма кривой фронта тока канала претерпевает специфические изменения. Эти изменения показаны на рис.4.7 и соответствуют состоянию элемента до старения, то есть «новому» транзистору (а), после 1 часа (б), 11 часов (в), 18 часов (г), 48 часов (д) и после 59 часов ускоренного старения (е) (при температуре корпуса около 200С). Повышенный уровень шумов на графиках б), в) и е) не является результатом деградации транзистора.
На рис.4.8 приведены временные диаграммы фронтов тока канала МОП-транзисторов, прошедших длительный сеанс ускоренной деградации, более 80 часов при температуре 300 - 350С, что соответствует примерно 250 часам работы, при температуре 200С. Сравнение рис.4.7е и рис.4.8 показывает удовлетворительное сходство процессов включения транзисторов, прошедших ускоренное старение, что говорит о повторяемости результатов эксперимента. Деградация транзисторов проявляется в изменении их физических параметров, которое можно выявить, изучая фронт тока его канала.
Кривые тока через канал претерпевают изменения в процессе деградации ключевого транзистора. Хотя эти изменения можно оценить визуально, создание алгоритма для оценки степени износа транзистора - задача достаточно сложная. Для ее решения потребуется тщательное изучение различных участков графиков, что возможно путем применения искусственных нейронных сетей. Эффективность применения ИНС для решения задачи оценки идентификации объясняется их способностью создавать и применять правила для решения
Для возможности определения степени деградации транзистора был создан ряд приложений на основе нейронных сетей, позволяющих сформировать параметр, характеризующий износ прибора. За основу приложений сначала была выбрана ИНС типа перцептрон прямоугольного вида. Структура сетей, способы их обучения и приложения, созданные в пакетах программ MATLAB и C++ Builder описаны в разд.5.
После приобретения нейронной сетью способности различать сигналы старого и нового транзисторов, на ее входы подаются сигналы нескольких старых транзисторов и сигналы транзистора, проходившего курс постепенной деградации. Результаты, выданные нейронной сетью приведены в табл.4.2 [161].
Похожие диссертации на Методическое, алгоритмическое и программное обеспечение контроля технического состояния электромеханических и электронных силовых устройств с общей сетью питания
