автореферат диссертации по электротехнике, 05.09.03, диссертация на тему:Контроль качества транспортного электрического оборудования с силовыми полупроводниковыми приборами

/ V { } ( } ... Л / V ..../

/

петербургский государственный университет путей сообщения

Аль - Джанайде Хадер Махмуд

КОНТРОЛЬ КАЧЕСТВА ТРАНСПОРТНОГО ЭЛЕКТРИЧЕСКОГО ОБОРУДОВАНИЯ С СИЛОВЫМИ ПОЛУПРОВОДНИКОВЫМИ ПРИБОРАМИ

Специальность: 05.09.03 - Электротехнические комплексы и

системы, включая их управление и регулирование.

Диссертация на соискание ученой степени

и

4 ^ кандидата технических наук

£

Научный руководитель:

доктор технических наук, профессор А.В.Гамаюнов

Санкт-Петербург 1999

Содержание

стр.

Введение 4

Анализ современного состояния проблемы контроля качества транспортного электрического оборудования с СПП.

1.1 Основные факторы, определяющие количественные показатели надежности СПП................................7

1.2. Анализ существующих методов и средств контроля качества СПП в условиях эксплуатации........................10

2. Постановка задач теории точности применительно к контролю качества транспортного оборудования.

2.1. Общие сведения из теории точности......................13

2.2. Модификация вероятностного метода расчета точности

с учетом условий эксплуатации.........................20

Выводы.................................................25

3. Построение моделей исходных зависимостей групповых соединений СПП

3.1. Исходные предпосылки................................26

3.2. Построение математической модели зависимостей температур полупроводниковых структур от электрических и тепловых параметров СПП................................27

3.2.1. Построение зависимостей токов ветвей от электрических параметров ПВАХ СПП..............................27

3.2.2. Построение зависимостей потерь мощности в структурах приборов от электрических параметров ПВАХ СПП........32

3.2.3. Построение зависимостей температур полупроводниковых структур от электрических и тепловых параметров СПП.... 33

3.3. Построение математической модели распределения обратных

напряжений.........................................35

Выводы................................................38

4. Исследование групповых соединений СПП и разработка методов контроля качества приборов.

4.1. Исходные предпосылки...............................39

4.2. Исследование групповых соединений методом максимума -

-минимума.........................................39

4.3. Исследование групповых соединений СПП вероятностными методами........................................... 51

4.3.1. Исследование групповых соединений классическим вероят-

ностным методом...................................51

4.3.2. Исследование групповых соединений СПП модифицирован-

ными вероятностными методами.....................58

4.4. Численные эксперименты по математическим

моделям СПП.......................................61

4.5. Разработка практических рекомендаций по контролю качества

СПП без демонтажа групповых соединений...............70

4.5.1. Выбор методов контроля качества СПП в выпрямительных

агрегатах.........................................70

4.5.2. Аппаратура для контроля качества СПП в условиях эксплуа-

тации............................................78

4.5.3. Применение методики прогнозирования остаточного ресур-

са СПП..........................................82

Выводы..............................................87

Заключение...........................................89

Литература............................................90

ВВЕДЕНИЕ

Реализация заданных показателей качества магистрального и муниципального транспорта неразрывно связана с высокими требованиями к показателям качества электрического оборудования в устройствах электроснабжения и подвижного состава, что можно обеспечить только при соответствующем контроле. К настоящему времени имеется большое количество разработок в этом направлении, однако многие вопросы не получили окончательного разрешения и требуют дополнительного рассмотрения.

Так, в последние годы бурно развивается теория управления качеством продукции, которая во многих аспектах переплетается с развивающейся теорией точности. В связи с этим представляется актуальным использовать результаты этих достижений применительно к управлению качеством электрического оборудования железнодорожного транспорта, например, применительно к контролю качества в условиях эксплуатации. В связи с тем, что электрическое оборудование исключительно многообразно, первоначально можно рассмотреть только отдельные фрагменты этой проблемы.

В настоящее время на электрическом транспорте широко применяют полупроводниковые преобразователи электроэнергии, укомплектованные силовыми полупроводниковыми приборами (СПП).

Применение СПП позволяет реализовывать энергосберегающие технологии эксплуатации транспортных систем.

Цель диссертационной работы заключается в применении теории точности при контроле качества транспортного электрического оборудования с СПП. Для решения поставленной цели в работе решаются следующие задачи: получение исходных зависимостей для групповых соединений СПП, связывающие выходные характеристики с входными параметрами;

разработка методов анализа и синтеза точности групповых соединений

СПП;

- разработка практических рекомендаций по контролю качества СПП без

демонтажа приборов.

Научная новизна состоит в следующем:

1. Разработаны математические модели исходных зависимостей для групповых соединений СПП, связывающие входные характеристики (температура полупроводниковой структуры, напряжение) с входными параметрами (электрические и тепловые параметры СПП).

2. Применительно к методу максимума-минимума и вероятностному получены количественные соотношения, связывающие допуски и поля рассеяния выходных характеристик и входных параметров применительно к групповым соединениям СПП.

3. Разработаны модифицированные вероятностные методы расчета точности групповых соединений СПП, учитывающие возможность изменения параметров приборов в условиях эксплуатации.

4. Разработана методика контроля качества СПП без демонтажа приборов.

Практическая ценность работы состоит в возможности осуществлять контроль качества групповых соединений СПП без демонтажа приборов.

Результаты работы были использованы при создании диагностических приборов ПЭИТС-1 и КППВА-1, разработанных на кафедре «Теоретические основы электротехники» ПГУПСа по заданию ГОРЭЛЕКТРОТРАНСА и Петербургского метрополитена.

Апробация работы и публикации. Основные результаты работы докладывались на 56, 57 и 58 научно-технических конференциях с участием студентов, молодых специалистов и ученых в 1996, 1997, 1998 гг. в ПГУПС, а

также на кафедре «Теоретические основы электротехники» ПГУПС. По диссертации опубликовано 3 печатных работы.

Структура и объем работы.

Диссертация изложена на 9 7 страницах машинописного текста, иллюстрируется 2 5 рисунками и -4 таблицами и состоит из введения, четырех глав, заключения и списка литературы из $0 наименований.

/

1. АНАЛИЗ СОВРЕМЕННОГО СОСТОЯНИЯ ПРОБЛЕМЫ

КОНТРОЛЯ КАЧЕСТВА ТРАНСПОРТНОГО ЭЛЕКТРИЧЕСКОГО

ОБОРУДОВАНИЯ СПП.

1.1 Основные факторы, определяющие основные количественные

показатели надежности СПП.

Под качеством понимается степень совершенства изделия, оцениваемая соответствием требований потребителя и возможностями производства.

Номенклатура показателей качества регламентирована ГОСТ 4.137-85 и включает в себя:

- показатели назначения;

- показатели надежности;

-показатели экономного использования материалов и электроэнергии;

- показатели технологичности;

- показатели стандартизации и унификации;

- патентно-правовые показатели;

- показатели эффективности продукции.

Пользователей СПП интересуют прежде всего первые две группы показателей качества, а именно, показатели назначения и показатели надежности.

Показатели назначения подразделяются на классификационные показатели и показатели функциональной и технической эффективности.

Терминология применительно к показателям назначения СПП, применяемых в мощных преобразователях, соответствует ГОСТ 25529-82 и ГОСТ 20332-84. Методы измерений и испытаний СПП представлены в ГОСТ 27002-83.

Показатели надежности СПП, как невосстанавливаемых объектов, приведены в ГОСТ 4.137-85 и соответствуют ГОСТ 27002-83.

С целью обеспечения заданных показателей назначения СПП, определяющих работоспособность и основные технико-экономические показатели преобразователей электроэнергии, необходимо выполнять контроль качества СПП

на всех этапах "жизненного цикла": при проектировании, производстве и эксплуатации.

Контроль качества СПП — это контроль количественных и (или) качественных характеристик приборов.

Остановимся теперь на основных факторах, влияющих на количественные показатели надежности СПП и тяговых преобразователей.

Согласно многочисленным теоретическим и экспериментальным исследованиям [5-21, 29-32, 36, 37, 43, 47, 52-57, 65-68, 74-78, 80-88] основными факторами, определяющими количественные показатели надежности, являются средняя температура полупроводниковой структуры (ППС), максимальная температура, перепады температуры, градиенты температуры, обратное напряжение, градиенты потенциала, а также некоторые другие факторы, на которых мы остановимся несколько ниже.

Применительно к зависимости показателей надежности от средней температуры ППС СПП общеупотребительной в отечественной и зарубежной практике является модель надежности, называемая законом Аррениуса

Х(т)-ехр(-Еа/кТ), ал)

гдеЛ(Т)- интенсивность отказов (ПО);

Т - температура структуры; К -постоянная, К = 8,625-10Г5э^/К;

Еа - постоянная, которую по аналогии с зависимостью скорости химических реакций от температуры, называют энергией активации.

Передаточной функцией между превышением температуры структуры СПП и потерями мощности является тепловое сопротивление. Если это превышение температуры перехода рассматривается относительно корпуса прибора, то

передаточной функцией является внутреннее установившееся тепловое сопротивление Kthjc-

Если речь идет о превышении температуры перехода относительно окружающей среды, то передаточной функцией является тепловое сопротивление переход-окружающая среда Rth|ct»

у СПП с двухсторонним теплоотводом-тепловые сопротивления со стороны катодного вывода и тепловое сопротивление относительно анодного вывода.

Согласно теоретическим моделям надежности зависимость интенсивности отказов электронных приборов от напряжения имеет вид

л(Т,и) - Л(т)-ехр(у(с + d/кТ)), а.г)

где С, d - константы.

Эта зависимость представляет собой модель Эйринга, причем, как частный случай. Часто используется более простая модель в виде степенной зависимости ИО от напряжения

Л(Т,¥) =A(THU/1U^

где Ц^ - постоянная величина *

1/ЛГ1 = nun (l/a>RM , Vrrm],

где - повторяющееся импульсное напряжение в закрытом состоянии; t/f>ftM- повторяющееся импульсное обратное напряжение.

При описании интенсивности отказов степенной зависимостью показатель степени является переменной величиной, причем:

Г

Г-

<

1,2-2,0 при 0fi<(lf/\fm)< \0,

0,7-1,3 при 0,25"<(l|/irRM)<0,8; (1.3) ОД - 0,8 при О,1 <(1//ITRM)< 0,25.

Помимо температурного режима, режима по напряжению, на количественные показатели надежности СПП влияют также и другие факторы, в частности, механические, и прежде всего такие, как вибрация и удары, приводящие к появлению микротрещин, изменению усилия прижатия, а, следовательно, к ухудшению качества сопряжения конструктивных элементов СПП прижимной конструкции и т.д.

Однако,на наш взгляд,влияние механических факторов может быть косвенно учтено через изменение электрических и тепловых параметров СПП.

1.2 Анализ существующих методов и средств контроля качества

СПП в условиях эксплуатации.

К настоящему времени разработано множество средств контроля качества СПП в условиях эксплуатации [7, 11, 13, 15, 44, 45, 50 ]. Однако, как показывает опыт работы?эти средства, как правило, требуют демонтажа групповых соединений СПП.

Среди средств контроля качества СПП в условиях эксплуатации имеются такие средства, которые позволяют контролировать качество СПП без демонтажа групповых соединений [ 50 ].

Так на кафедре "Электроснабжение электрических железных дорог" ПГУПС разработан прибор ИТС-2М для измерения тепловых сопротивлений СПП.

К недостатку прибора следует отнести необходимость пересчета результата измерения на величину теплового сопротивления с помощью таблицы.

Кроме того, в этом приборе используется термочувствительная зависимость прямого сопротивления диода от температуры. На наш взгляд, более предпочтительным является классический термочувствительный параметр -

прямое падение напряжения на СПП при протекании стабилизированного измерительного тока малой величины.

Следующий прибор экспресс-контроля качества диодов ПЭККД-3, разработанный в ВЭИ, практически тоже контролирует тепловой режим

СПП и отбраковывает потенциально ненадежные приборы по величине температуры в функции предельно среднего прямого тока. К недостаткам прибора следует отнести опять-таки необходимость иметь таблицы пересчета. Кроме того, перед началом работы необходимо осуществлять регулировку вследствие того, что по принципу действия прибор ПЭКПД-3 аналоговый.

В настоящее время для контроля СПП по величине обратного тока эксплуатируется прибор УЗОТД [ 50 ].

Однако этот прибор, во-первых, выполняет испытание на постоянном напряжении, в отличие от стандартного режима на синусоидальном сигнале, а во-вторых — он несовершенен и громоздок. Кроме того, прибор не позволяет выполнять разогрев СПП при испытаниях.

Итак, существующие средства контроля качества СПП в условиях эксплуатации без демонтажа групповых соединений СПП требуют соответствующей доработки.

Научно-обоснованные требования к контролю качества СПП без демонтажа групповых соединений можно сформулировать только после анализа групповых соединений приборов, которые целесообразнее всего выполнить с использованием теории точности [ 35,41 ].

В настоящее время накоплен значительный опыт в вопросах повышения качества продукции [ 1, 26, 27, 38-40,48, 58, 63, 64, 69, 71, 75, 77, 79, 83, 89 ] . Так одним из мощных подходов в этом направлении является использование индексов воспроизводимости процессов.

И

Центральным из этих индексов является коэффициент качества

Интервал установленного поля допуска

Сх=-.

Диапазон рассеяния изделий по параметру

Величина этого индекса рассматривается в зависимости от типов процессов.

Возникает вопрос, а нельзя ли использовать так или иначе индексы воспроизводимости процессов при контроле качества электрического оборудования с СИИ в условиях эксплуатации.

Кроме того, использование ИВП совместно с теорией точности^ по всей видимости^ так или иначе затронет вопрос о возможности учета изменения параметров СПИ в условиях эксплуатации.

Помимо этого при контроле качества СПП достаточно актуальную задачу представляет вопрос о прогнозировании технического состояния прибора. В этом отношении весьма интересными представляются исследования по возможности прогнозирования остаточного ресурса СПП.

2. ПОСТАНОВКА ЗАДАЧ ТЕОРИИ ТОЧНОСТИ ПРИМЕНИТЕЛЬНО К КОНТРОЛЮ КАЧЕСТВА ТРАНСПОРТНОГО ОБОРУДОВАНИЯ

2.1. Общие сведения из теории точности.

Теория точности - наука, занимающаяся анализом и синтезом точности систем [55].

Выходными характеристиками называются показатели систем и их элементов, которые определяются их назначением и обеспечивают необходимый уровень работоспособности, надежности, долговечности, устойчивости и других требуемых свойств.

Входными параметрами называются параметры, оказывающие существенное воздействие на выходные характеристики.

Анализ точности включает в себя определение базовых величин точности выходных характеристик по базовым величинам точности входных параметров.

Синтез точности обеспечивает нахождение базовых величин, определяющих точность входных параметров по базовым величинам точности выходных характеристик.

Исходными зависимостями называются соотношения^ связывающие выходные характеристики и. с входными параметрами ЭС-Ь.

Эти зависимости могут быть заданы аналитически, графически, в виде таблиц и алгоритмов.

В случае линейных (линеаризованных) зависимостей

п

(2.1)

где О и. х- -чувствительности.

При линеаризованных зависимостях

" ИНН • (2-2)

о'

Применительно к отклонениям выходных характеристик

АХС = ХС-Х10, (2.5)

где и X¿0 - номинальные, средние значения или математические ожидания выходных характеристик и входных параметров.

В ряде случаев исходные зависимости (2.1) или зависимости для отклонений (2.3) записываются в относительных единицах. Например, зависимость для отклонений

п

щ в г 5 лхс.

с

где

- относительная чувствительность.

К базовым величинам точности относятся: верхние предельные значения (^ах, );

нижние предельные значения ( Щю^^сгт-пУ?

/4

верхние предельные отклонения (А Л^ ),

Д8Хс= (2.9)

Нижние предельные отклонения (Лн(^.,

ГДе (2-Ю)

= (2.11)

Допуски (Ти- ,ТХЬ)

ИЛИ

тугмгмг (2лз)

Тх6 = Х£тах-^т(;п ^ (2.14)

ИЛИ

i х1 = д6хг:-анхх. (2.15)

Поля рассеяния (60^., .

Необходимо отметить, что допуск - это понятие дозволенности. Поле рассеяния выходной характеристики или входного параметра формируется фактическими предельными знач