某型艦船逆變器測試性設計與分析方法研究

孫佳星，楊 剛，孫 軍

(1.海軍裝備部 駐蕪湖地區軍事代表室，安徽 蕪湖 241000; 2.海軍工程大學 電氣工程學院，武漢 430033)

0 引言

隨著艦船綜合電力技術的不斷發展，逆變器作為主要的電能變換設備，已成為艦船綜合電力系統中的關鍵技術裝備[1]。在實際應用過程中，艦船逆變器一旦發生故障，將嚴重影響用電設備的電力供應。艦船逆變器等電力電子設備的故障變化多樣，且發生的時間具有隨機性[2]，如何快速準確地檢測到故障，并將其隔離至現場可更換單元(LRU,line replaceable unit)，提高艦船逆變器的故障診斷效率，是當前亟需解決的問題，而測試性技術研究正是解決這一問題的重要途徑之一。

測試性(Testability)也稱可測性，是指“產品能及時準確地確定其狀態(可工作、不可工作或性能下降)并有效地隔離其內部故障的一種設計特性”[3]。良好的測試性設計可以有效地提高裝備故障診斷效率，降低維修保障費用[4]。為了指導測試性工作的開展，我國先后頒布了GJB2547-1995《裝備測試性大綱》和GJB2547A-2012《裝備測試性工作通用要求》，將測試性要求貫穿裝備的整個生命周期，并成功應用于雷達、導彈、航天等重要裝備的設計中[5-9]。然而，對于艦船逆變器等艦船電力電子設備，雖然裝備部門加大了對測試性的重視程度，但仍缺乏具體有針對性的標準對測試性設計與分析進行指導。

目前，國內對于艦船裝備的測試性設計與分析的研究主要有：文獻[10]提出了一種基于相關性模型的艦船系統級產品的測試性建模與分析方法；文獻[11]對艦船電子裝備的測試診斷技術進行了研究，為艦船電子裝備的診斷設計提供了借鑒；文獻[12]研究了艦船裝備總體測試性指標定量要求的確定方法；文獻[13]根據測試性相關原則對艦船變流機組的測試性設計進行。綜上所述，由于艦船逆變器等電力電子設備的測試性研究仍處于起步階段，對于如何開展測試性設計與分析缺乏系統的論述。本文結合艦船逆變器的特點，對某型艦船逆變器的測試性設計與分析方法開展研究，為同類型艦船電力電子設備的測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分析

艦船逆變器是實現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，主要應用于艦船靜止交流電源、不間斷電源、主變流裝置、直流區域配電系統以及電機驅動變頻器等[14]。某型艦船逆變器的結構如圖1所示。

圖1 某型艦船逆變器結構框圖

圖中，直流電源是逆變器的輸入，經過濾波后，通過逆變橋將直流電壓變成一系列方波電壓，方波的脈寬按照正弦函數的規律變化，再通過濾波器將方波電壓轉化為正弦交流電壓，最后通過變壓器將輸出電壓變換成負載使用的電壓?；跀底中盘柼幚砥?DSP,digital signal processor)的控制器為逆變橋提供脈沖寬度調制(PWM,pulse width modulation)驅動信號，同時根據傳感器檢測到的輸出端電流和電壓信號實時調整驅動信號。

該艦船逆變器的特點主要有以下幾個方面：

1)工作方式：艦船逆變器承擔著為艦船推進電機等重要交流用電設備連續供電的任務，需要開展經常性的維修保養工作。

2)測試方法：艦船逆變器一旦發生故障，輸出交流電壓波形將發生畸變，導致推進電機等用電設備故障甚至停機，造成非常嚴重的后果，因此必須具備在線測試診斷能力，能夠實時進行狀態監測和故障診斷。

3)設計要求：由于艦船逆變器長期工作在高溫、高鹽、高濕的環境中，并且需要考慮電磁兼容的問題，對機內測試(BIT，builtintest)設計、傳感器的性能以及布局提出了很高的要求。

2 艦船逆變器測試性設計與分析流程

根據GJB2547A-2012《裝備測試性工作通用要求》，測試性工作包括測試性需求分析、測試性管理、測試性設計與分析、測試性驗證與評價、使用期間測試性評價與改進等5個方面。其中，測試性設計與分析是測試性工作的主體，主要在裝備工程研制和定型階段開展。

測試性設計與分析包括：建立測試性模型、測試性分配、測試性預計、故障模式、影響及危害性分析(FMECA，failure mode, effect and criticality analysis)、制定測試性設計準則、固有測試性設計和分析、診斷設計等，具體工作流程如圖2所示。

圖2 測試性設計與分析流程圖

由于目前艦船逆變器的測試性設計與分析處于起步階段，制定測試性準則、診斷設計等工作還不具備開展的條件和要素，按照測試性工作項目剪裁的原則，結合艦船逆變器的原理和工作特點，本文重點對艦船逆變器測試性建模、測試性分配和FMECA三個方面開展研究。

首先對艦船逆變器進行層次劃分，層次劃分是確保測試性設計與分析正確性與有效性的關鍵，直接關系到不同維修體制下故障檢測與隔離的最小單元。我國艦船裝備通常采用三級維修體制，由頂至下分別為艦員級維修(O級，使用現場)，中繼級維修(I級，修理所)和基地級維修(D級，修理廠)。在艦船出海、執行任務過程中，若逆變器發生故障，往往直接采取措施更換發生故障的電路模塊，因此，為了適應艦員級維修的需要，本文將逆變器各模塊定為LRU，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是開展測試性工作的基礎，是在層次劃分的基礎上，分析系統每個LRU可能的故障模式、故障影響、嚴酷度、發生概率和檢測方法等，分析結果通過表格形式呈現。FMECA需要設計人員和專家根據系統的結構、功能和環境條件等綜合分析，并在系統運行和維修中不斷完善?；谙到yFMECA的結果，可以開展測試性建模、建立診斷策略、進行測試性設計等工作。

根據GJB/Z1391[15]，嚴酷度類別根據故障模式最終可能導致的人員傷亡、任務失敗、產品損壞等方面的影響程度進行確定，通常分為四類：Ⅰ類(災難的)、Ⅱ類(致命的)、III類(臨界的)、Ⅳ類(輕度的)。

故障概率等級通常分為5類：

1)A級——經常發生，故障發生概率大于產品總故障概率的20%；

2)B級——有時發生，故障模式發生概率大于產品總故障概率10%，小于20%；

3)C級——偶然發生，故障模式發生概率大于產品總故障概率的1%，小于10%;

4)D級——很少發生，故障模式發生概率大于產品總故障概率的0.1%，小于1%；

5)E級——極少發生，故障模式發生概率小于產品總故障概率的0.1%。

艦船逆變器最常見的故障現象包括過流、過壓、欠壓、過熱及過載等，其成因較為復雜，可由一個或多個原因引起。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驅動故障；

3)IGBT短路/開路故障；

4)偶發性故障(元件虛焊、接觸不良等)。

對艦船逆變器進行故障模式、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 測試性建模

測試性建模是裝備開展測試性設計與分析工作的重要項目之一，是進行測試性預計、測試點優化改進和測試性評估的重要手段。文獻[16]對邏輯模型、信息流模型、多信號流圖模型、結構模型、混合診斷模型等典型的測試性模型進行了總結，分析比較了每種模型的特點和適用階段。其中，多信號流圖模型是進行測試性預計、測試性設計與分析的重要模型，可以較好地描述系統功能-故障-測試的關系，并適用于裝備的整個生命周期。常用的測試性建模工具有TEAMS、eXpress、TADS等。

艦船逆變器組成元器件多、綜合化程度高，故障傳播機制復雜，通過多信號流圖模型可以將其組成單元、信號、故障模式、測試以及它們之間的相互關系進行準確描述，便于使用計算機輔助分析，從而極大地提高測試性設計的效率。本文采用TEAMS對艦船逆變器進行測試性建模，得到故障檢測率、故障隔離率的分析值，具體步驟如下：

1)根據逆變器層次劃分的結果，在軟件中添加相應的LRU模塊，結合逆變器各LRU的特點和關聯關系，定義LRU的端口和屬性，并使用連線進行連接；

2)根據逆變器FMECA的結果，在各LRU下添加相應的故障模式，定義故障模式的屬性，建立故障模式間、故障模式與LRU端口間的連接關系；

3)結合逆變器實際，添加測試并設置測試的基本屬性，主要包括測試類型、測試費用、置信度等；

4)執行測試分析，根據需求可以得到故障隔離率、故障檢測率、冗余測試等信息。

根據艦船逆變器的功能結構、FMECA等信息，利用TEAMS軟件得到的模型如圖3所示。

建模分析結果如表3所示。

將測試性建模分析結果與測試性指標要求進行對比，可以預計當前艦船逆變器測試性設計水平，通過分析結果可以看出，艦船逆變器當前測試性設計水平較低，特別是發生故障后，難以將故障定位至某個模塊，不利于艦員及時進行維修更換。在此基礎上，通過改進測試設計，可以優化測試點布局，提高測試性水平。

5 測試性分配

測試性分配是將系統級測試性定量指標按照一定規則分配給各組成單元的過程。測試性分配方法較多，大致可以分成兩類，一類是基于智能算法的分配方法，另一類是傳統的基于函數的測試性分配方法。工程上常用的是等值分配法、按故障率分配法、加權分配法等。測試性分配的基本程序如下：

1)建立測試性模型，確定系統各層次的故障率；

2)選擇合適的分配方法；

3)對分配結果進行分析和權衡。依據系統第個組成單元的分配值綜合得到的系統指標，必須滿足P>>Ps，其中：

(1)

表2 艦船逆變器FMECA例表

圖3 艦船逆變器測試性模型圖

測試性參數結果故障檢測率/%88.9故障隔離率/%12.5

則分配工作完成。式中，P為根據各單元指標計算得出的系統指標；Pi為系統第i個單元的分配值；Ps為系統的指標要求。

以故障檢測率指標為例，測試性要求中系統的故障檢測率通常為95%，采用加權分配法，選取故障率、故障影響、診斷難易程度3個因素對艦船逆變器進行分配，加權系數取值范圍為0～5。得到艦船逆變器故障檢測率指標分配如表4所示。

表4 艦船逆變器故障檢測率指標分配結果

通過計算得到的結果可以看出，經過修正后的綜合指標大于系統的故障檢測率要求值，滿足分配要求。需要修正的原因是當某個單元的各加權系數均較高或較低時，可能出現分配的測試性指標超過1或者過小的情況。根據測試性指標分配結果，可以對系統和每個單元進行測試的布局，確保最終的系統能夠滿足定量指標要求。

6 結束語

本文針對當前艦船電力電子設備未考慮測試性設計的問題，對某型艦船逆變器測試性設計與分析方法進行了研究，主要從FMECA、測試性建模、測試性分配等3個方面，闡述了艦船逆變器開展測試性相關工作的流程和方法，并給出了相應分析計算結果，為艦船逆變器的診斷設計等后續測試性工作打下基礎。當然，隨著對功率器件失效機理的研究不斷深入，電力電子設備的故障預測、健康管理等技術也不斷發展，如何在現有測試性技術的基礎上，制定面向故障預測和健康管理的測試性分析設計的需求和方法值得進一步研究。