论电子元件故障检验的灰色理论方法

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作者：祁春清 索迹 陆春妹 单位：苏州市职业大学

电力电子器件在电力电子技术时代扮演着非常重要的角色,由它们组成的具有节能与环保性质的电力电子装置的应用越来越广。但由于器件本身的特殊性,它们又是电力电子装置中的薄弱环节。在所有故障中,它们的故障所占比例较高。而一旦发生故障,将会给生产带来巨大损失。若能在其发生故障时立刻检验出来,及时采取措施,减少停机时间,其意义将是十分巨大的。目前,人们对电力电子器件的故障机理的认识还不全面、不充分。在没有故障机理模型的条件下,如何利用有限的信息量,判别出电力电子器件的性能状态,目前也还没有得到广泛深入的研究。本文试图在应用灰色系统理论对电力电子器件故障诊断方面进行初步探讨。

1灰色系统理论简介

控制论中,常借助颜色来表示研究者对系统内部信息和系统本身的了解及认识程度。“白”指信息完全确知“,黑”指信息完全不知“,灰”则指信息不完全与非唯一,即部分信息确知,部分信息不确知,这是“灰”的基本含义。相应地,信息完全确知的系统称为白色系统,信息完全不明确的系统称为黑色系统,而介于上述二者之间的信息不完全的系统称为灰色系统。由于黑、白、灰是相对于一定的认识层次而言的,具有相对性,所以世上没有绝对的白色系统,也没有绝对的黑色系统,大量存在的是灰色系统。灰色系统(GreySystem)理论属于系统论的范畴,是华中理工大学邓聚龙教授在1982年提出的。经过二十来年的发展,形成了一套完整的理论体系。此理论包括灰色预测,灰色控制,灰色规划,灰色决策等内容,其中灰色预测模型是灰色预测的基础,灰色预测是控制、规划、决策的前提。灰色系统理论用关联的方法来寻找影响系统的因素。

2电力电子器件故障检测的灰色本质

2.1电力电子器件参数的灰色性电力电子器件的测量既不象机械设备那么直观,也不象有些电器设备那样易于测量,而需要设计专门的电路进行测量。还有一些参数不便于从外部直接观测。因此,只能在外部测取器件的部分特征参数。显然,依靠有限的几个测量参数是不能全面准确地描述电力电子器件的状态的。因此电力电子器件是一个部分信息已知,部分信息未知的本征性灰色系统。

2.2电力电子器件故障发生的灰色性理论和实践证明,电力电子器件发生某一种故障的诱发原因有多种。其中,有一些原因是清楚的,有理论根据的;而有些原因是模糊的,没有理论根据的,从而导致人们对电力电子器件故障机理的认识的非唯一性、近似性和片面性。

2.3判断电力电子器件故障结果的灰色性存在的客观条件是,故障检测手段的不完善性,信号获取装置的不稳定性及信号处理方法的近似性,或者缺少有效的观测工具,造成人们在信息不完全或未确知的情况下进行判断、预测和决策,因而带有估计、猜想、假设和臆测等主观想象成分。主观条件是电力电子器件随着使用时间的增加,使用条件的不同,其特性处于不断发展变化之中。虽然人的感官具有高度感受能力,大脑又具有抽象、分析、综合、推理、运算等逻辑思维能力,但是,人的认识毕竟不能洞悉事物的全部复杂性。再者,从感性认识的信息获得到理性认识的信息处理,人的认识不免要受到知识、心理、情感和习惯等因素的影响,而且人们又总是本能地利用联想、比照来填补思维的逻辑缺环,使得人的某一具体认识缺乏充足的理由。总之,在生产实践中,所讨论的电力电子器件在运行过程中发生故障与否是确定的,不依人的意志而转移。但由于客观事物暴露得不够充分,加上人们的认识层次及技术水平等的限制(如没有昂贵的测试仪器或所用仪器精度不够高等),使我们不能获得足够的数据和信息。所以不同的人,因为对故障信息掌握的充分程度不同,会得出不同的诊断结果;即便是同一个人,对同一种电力电子器件故障征兆,随着掌握的信息的增多及认识程度的提高,也会先后得出不同的结论。可见,电力电子器件故障的灰色性是由信息不完全造成的。

3电力电子器件故障诊断的灰色理论探讨

在生产现场,电力电子器件的类型、构造并不相同,要求故障诊断人员能简便快速有效地诊断出电力电子器件的故障来。而现场上干扰因素、不确定因素较多,时间又紧迫,用昂贵的精密仪器,既不经济也不一定适用,探索较简单的技术手段与分析方法来提高诊断效率尤为重要。基于前面所提出的电力电子器件及故障的灰色性质,作者认为：应该运用灰色系统理论去研究电力电子器件即其故障识别问题,以便根据电力电子器件的部分已知信息,去认识这个含有未确知信息的系统的特性、状态和发展趋势。故障诊断的实质是模式识别,灰色系统理论中的灰色关联分析方法即是待检模式与某参考模式之间的接近程度,进行状态识别与故障诊断的一种简单方法,特别适用于生产现场电力电子器件故障的快速诊断。3.1灰色关联方法的基本原理①根据电力电子器件的特征参数的设计准则即有关统计资料先建立两个参考状态模式向量：（式略）可见,灰色关联诊断方法的关键是如何选取被诊断对象的特征参数及建立参考状态模式。3.2灰色关联诊断方法用于电力电子器件故障诊断时的若干问题下面以IGBT为例运用关联诊断方法来说明电力电子器件的故障诊断。选它的开关时间作为特征参数,开关时间包括上升时间,开通时间,下降时间和关断时间。这些特征参数的分布范围为闭区间。如表1所示：其中,下标m表示最大(max),下标n表示标准(normal)。这种参数形式不能套用前面所列公式,需转化成平均值参考模式,如表2所示：以东芝公司的MG25N2S1型25A/1000VIGBT为例来说明关联故障诊断的算法。在正常情况下,该器件的特性参数的值为：(单位为us,以下同)（式略）可见,平均值模型诊断结论与实验结论是一致的。因此,我们可以针对不同的电力电子器件,选择较易测量的参数作为特征参数,这样,测得数据后,通过简单的运算,能很快地做出判断。这在实际生产中是非常有意义的。

4结语

随着故障诊断工作的不断开展,诊断理论日趋完善,各种诊断方法与手段层出不穷。灰色系统理论以其新颖的思路和广泛的适用性在理论界和工程界引起了普遍的注意,并迅速在社会经济等领域获得了成功的应用。目前,灰色系统理论应用于机械设备方面的文献较多,而在电气领域很少见到这方面的报道。从本文可以看出,灰色系统理论能够成为电力电子器件故障诊断的一个有利工具。