基于加速退化试验的漏电信号调理电路性能退化及可靠性研究

在电子电路服役过程中,元器件退化会引起电路输出特性变化,降低电子电路的可靠性。漏电信号调理电路作为一种电子电路,其可靠性直接决定了漏电断路器的可靠性。以漏电信号调理电路为研究对象,首先基于灵敏度分析方法确定影响电路性能退化的关键元器件,并对漏电信号调理电路进行了以温度为加速应力、动作电流值为退化特征量的恒定应力加速退化试验;其次根据不同温度应力下的试验数据建立基于Wiener过程的漏电信号调理电路性能退化模型,并利用极大似然估计法求取退化模型的未知参数,进而得出寿命预测的概率密度函数和可靠度函数;最后利用阿伦尼斯(Arrhenius)方程外推出正常应力下漏电信号调理电路的预测寿命。相关结论可为不同电子电路的寿命预测及可靠度分析提供支撑。

中国制造2025背景下电器可靠性技术教学案例设计

“中国制造2025”为中国制造业未来10年设计顶层规划和路线图,其基本方针:质量为先、人才为本。低压电器是电力系统的核心基础零部件,低压电器产品的质量对电力系统的发展、安全运行起到至关重要的作用。培养低压电器可靠性方面的人才迫在眉睫。电器可靠性技术是电机与电器学科大三的核心专业课程,其作用和意义凸显。以可靠性抽样检查模块为例,介绍在“中国制造2025”背景下的案例设计内容及实施过程。引导学生体会、理解“中国制造2025”的基本方针——质量为先、人才为本。旨在培养学生的家国情怀、工匠精神和责任担当。

电动汽车动力锂离子电池可靠性关键技术综述

随着动力锂离子电池在电动汽车行业发挥关键性作用,保证其工作可靠性已成为当下研究热点。文中综述锂离子电池材料和制造工艺;详细归纳总结电池状态估算方法以及剩余寿命预测方法,并讨论各种方法的优缺点;从电池管理系统层面,先后梳理均衡管理系统和热管理系统相关知识;从电动汽车混合储能系统层面阐述实际工况下性能退化机理及相关技术。最后总结电动汽车动力锂离子电池与可靠性相关的四个方面关键技术的现状,并展望未来发展可能。

混联机器人关节间隙误差建模及其定位精度可靠性分析

机器人末端定位精度可靠性是衡量其精度性能的重要指标,关节间隙是影响机器人定位精度的主要因素之一,建立准确的机器人定位精度误差模型是进行可靠性分析的前提。为探究空间关节间隙的随机不确定性对含有闭链机构混联机器人定位误差的影响规律,本文运用旋量理论和D-H参数法,提出一种考虑关节间隙的混联机器人定位精度误差模型;根据关节间隙模型参数的约束条件,量化间隙模型参数的不确定性,建立混联机器人定位精度的可靠性模型;采用双变量降维方法和鞍点近似方法,拟合机器人单坐标定位误差的概率密度函数,实现混联机器人定位精度高效可靠性分析。以含有平行四边形闭链机构的建筑机器人为例,验证所提模型的准确性和工程适用性,结果表明所提方法对比于传统的蒙特卡洛方法极大地提高了效率。

计及电-氢混合储能的孤岛直流微电网可靠性评估

电-氢混合储能为提高孤岛直流微电网可靠性提供了有效途径,然而不同电-氢混合储能策略也会影响系统的可靠性水平,文中针对不同电-氢混合储能运行顺序,对比分析了3种储能策略对孤岛直流微电网可靠性的影响。首先,建立氢气储能模型、蓄电池储能模型和微电网可靠性评估指标体系;然后,计及系统元件故障,基于序贯蒙特卡洛法,提出计及电-氢混合储能的孤岛直流微电网可靠性评估方法;最后,采用改进的RBTS BUS6 F4馈线系统对孤岛直流微电网进行可靠性评估,对比分析储能策略和电-氢混合储能容量对系统可靠性的影响。结果表明:氢储能可以有效提高系统可靠性,不同的电-氢储能策略和容量对系统可靠性具有不同的影响。

基于马尔可夫过程的漏电保护器服役状态及其可靠性分析

漏电保护器在实际服役过程中可能会发生故障,但诱发其故障暴露的激励条件不具备时,其故障并不能显现出来。针对这一问题,提出一种计及隐藏故障的漏电保护器运行状态划分方法,建立基于马尔可夫过程的运行状态转移模型,实现漏电保护器的实际服役状态准确描述;设计基于蒙特卡洛法的漏电保护器可靠性仿真模型,以漏电故障频次、漏电流大小、保护器可靠性水平和运行时间为主要变量,对无检查和有检查下漏电保护器的状态概率进行仿真分析,确定了保证供电系统可靠性和安全性条件下的最低定期检查频次。该方法适用于不同可靠性水平的漏电保护器的分析与评估,对其定期检查策略的制定具有指导意义。

基于性能退化的漏电保护模块可靠性仿真分析

漏电断路器作为低压配电系统中重要的终端保护电器,在防止漏电事故、保护用电人员人身安全上发挥着重要作用。漏电保护模块由电子元器件组成,其参数偏差和退化造成的参数漂移,都会引起断路器漏电保护性能退化。文中构建漏电保护模块的仿真模型,采用灵敏度分析进行漏电保护模块关键元器件的辨识,考虑容差引起的个体间性能差异,利用Monte-Carlo仿真获取系统性能参数退化数据,分析由元器件退化造成的漏电保护模块性能退化,根据性能变化实现漏电保护可靠性评估,为早期设计提供决策支持。

多簧片结构的磁保持继电器多物理场刚柔耦合仿真模型建立和实验分析

多簧片结构的磁保持继电器衔铁转动引起的触点碰撞、弹跳现象使运动过程复杂,静、动态特性理论分析和仿真模型建立困难。以某型号多簧片结构的磁保持继电器为研究对象,理论分析结构拓扑及工作机理,考虑触点间切入深度,引入狄拉克函数和赫维赛德函数,解决簧片受力分散及触点由于碰撞、弹跳引起的作用力不连续问题;将簧片等效为悬臂梁,基于欧拉-伯努利梁理论建立触簧系统三簧片分段耦合动力学模型。利用Ansys Maxwell引入基于误差的自适应网格划分方法求解电磁机构静态特性;考虑触簧系统簧片运动变形效应,通过ADAMS基于模态理论,构建刚柔耦合动力学仿真模型。基于分段动力学思想,搭建电-磁-机械运动多物理场刚柔耦合仿真模型。利用高速摄像机、电流探头等设计磁保持继电器实验方案,搭建实验平台,测试并分析磁保持继电器触点吸合运动时间、触点压力、弹跳时间、线圈电流,并分析人工装配簧片引起触点压力不同使继电器动作过程存在的不一致性问题,验证该文所提多簧片结构的磁保持继电器特性分段耦合分析方法和多物理场刚柔耦合仿真模型的有效性。

深度与形貌检测的仿生磁致伸缩触觉传感器设计及实验测试

物体表面形貌深度信息对于智能机器人检测物体表面特征、人机交互具有重要意义。受动物毛发感知机理启发,设计了一种新型仿生磁致伸缩触觉传感器单元及阵列;基于逆磁致伸缩效应、欧拉-伯努利梁理论和胡克定律,推导了深度检测的输出电压模型。仿真研究确定了最佳偏置磁场和阵列间距,实验测试了传感器单元在静态和动态下的输出特性,在0.05~4.8 mm深度检测范围内,灵敏度为185.72 mV/mm,响应时间和恢复时间分别为31 ms和43 ms,且具有良好的重复性,传感器阵列中单元之间输出电压的耦合影响不超过2.4%。将传感器单元及阵列安装在机械手上,选择合适的滑动速度滑过不同物体表面时,根据输出电压波形精确测量各种深度和形貌,结果表明该传感器单元和阵列可为深度与形貌检测提供参考。

考虑竞争失效的交流接触器可靠性评估方法

交流接触器广泛用于电力系统,精准评估其可靠性是保障系统安全平稳运行的关键。现有交流接触器可靠性研究没有考虑三相触头的竞争失效、退化相关性,及各相触头失效阈值均有随机性等问题,可能造成可靠性评估不精准。针对这些问题,本文用累积电弧侵蚀量表征性能状态,建立了考虑竞争失效、退化相关性和失效阈值随机性的退化模型;对模型参数较多且难以同时估计所有参数的问题,提出了基于极大似然估计的多阶段参数估计方法;基于蒙特卡洛技术提出了可靠度近似计算方法,并基于黎曼和技术推导出平均故障时间的近似式;最后,通过仿真与实例分析验证了所提方法的有效性。实例分析表明所提可靠性评估方法精度较高,其拟合优度比现有方法提升了约45%。

考虑测量误差的两阶段Wiener建模与可靠性分析

针对现有的多阶段Wiener退化建模与可靠性分析中,大多忽略测量误差且未考虑退化过程中变点差异性的问题,建立了一种考虑测量误差的两阶段Wiener模型。将极大似然估计法和多维搜索算法相结合求出测量误差的估计值。考虑到变点的差异性,基于BIC最小准则估计出变点区间,同时根据变点位置确定漂移系数和扩散系数的估计值,再利用SSE最小准则求出变点的估计值,给出了基于变点分布区间的可靠性评估方法。最后,基于所建模型对RV减速器传动精度退化数据进行了实例分析。考虑测量误差及变点位置对退化建模的不确定性影响,进一步提高了产品的可靠性评估精度,能对产品的寿命做出更精准的预测。

碳纤维三维编织预制体渗透特性实验研究

针对航空发动机风扇机匣用碳纤维三维编织复合材料,开展了预制体材料渗透特性的实验研究。实验模具为厚度可调的长方体中空结构。通过分析液体在厚度和孔隙率不同的4种三维编织预制体内的渗透过程,结果表明,所有预制体在面内的渗透主向与编织的轴/横向平行,且轴向渗透率约为横向渗透率值的3.2倍。液体在A预制体内的渗透性最好,其轴向、横向和厚度方向的渗透率值分别为1.136×10^(-10)、4.259×10^(-11)和5.900×10^(-12)m^(2),厚度方向上的渗透率远小于面内渗透率,差距在1~2个数量级。液体在预制体内3个方向上的渗透是相互影响的过程,预制体厚度方向上的渗透特性影响了面内的渗透特性。

径向基函数-稀疏多项式混沌展开混合代理模型可靠性分析方法

为解决现有代理模型在可靠性分析中存在的普适性差、分析精度低的问题,提出一种融合径向基函数(Radial Basis Function,RBF)和稀疏多项式混沌(Sparse Polynomial Chaotic Expansion,SPCE)展开的混合代理模型,实现功能函数的快速准确预示,从而提高可靠性分析的工程适用性和计算精度。采用正交匹配追踪技术求解多项式混沌(Polynomial Chaotic Expansion,PCE)展开中的重要项,获得SPCE展开模型,并将其增广到RBF代理模型中,形成RBF-SPCE展开混合代理模型,提高代理模型的预测精度,进而结合蒙特卡洛模拟(Monte Carlo Simulation,MCS)方法开展复杂结构的可靠性分析。三个数值算例对比了所提方法与传统RBF方法及增广RBF方法的具体差异。结果表明,所提方法对结构可靠性分析具有更高的精度和效率。最后,汽车侧面碰撞的工程算例说明所提方法对复杂问题具有良好的工程适用性。

智能开关柜可靠性增长预测

研究了智能开关柜在某无人值守变电站试运行时可靠性增长过程。对设备试运行阶段出现的故障,采取基于故障截尾方式即时纠正的措施,分别记录故障发生的时间及次数,由Laplace检验理论,阐明智能开关柜试运行过程中伴随维修的失效次数服从非齐次Poisson过程;进而用条件分布预测理论对智能开关柜试运行阶段的可靠性进行分析,得到智能开关柜未来第p次故障时间tn+p的预测值和预测区间;最后由试运行时获得的数据,验证条件分布预测理论对试运行阶段智能开关柜可靠性增长预测的准确性。研究结果为及早发现变电站配电系统中的安全隐患和潜在停电事故提供依据,提高了无人值守变电站智能化程度,使整个配电系统更安全、可靠、经济运行。

基于改进Bootstrap-Bayes的电子式剩余电流动作断路器可靠性评估

作为一种高可靠性、长寿命产品,电子式剩余电流动作断路器可获得的试验数据很少。为了对其可靠性进行评估,提出一种基于改进Bootstrap-Bayes的可靠性评估方法。首先,进行温度为加速应力的剩余电流动作断路器的加速退化试验,利用退化数据外推得到伪失效寿命,经检验,电子式剩余电流动作断路器伪失效寿命服从双参数威布尔分布;然后,采用灰色GM(1, 1)模型对试验数据进行扩充作为先验信息,通过马尔科夫链蒙特卡洛(MCMC)算法中的Gibbs抽样结合Bayes公式得到参数估计值;最后,利用Arrhenius加速模型实现正常使用环境下剩余电流动作断路器的可靠性评估。

RV减速器高应力加速退化试验及可靠性分析

针对工业机器人上使用的RV减速器寿命长且性能退化缓慢的特点,提出一种基于RV减速器高应力加速退化试验与传动精度退化模型建模的方法,对RV减速器可靠性进行评估。对RV减速器薄弱环节的强度进行校核,确定加速试验最大加载值;在该加载值下对3台RV减速器开展加速退化试验,获得加速条件下RV减速器传动精度退化量;根据RV减速器传动精度退化特性,使用样本数据分离的极大似然估计法,对每台减速器的传动精度展开退化轨迹建模;将Wiener退化模型中的初始性能退化量和漂移系数设为定值,获得扩散系数的变异系数,假设扩散系数服从正态分布,求得RV减速器可靠性。结果表明:高应力加速退化试验可为RV减速器可靠性分析提供切实可信的试验数据,节约试验时间及成本。基于加速退化试验和传动精度退化模型建模的求解RV减速器可靠性的方法,在体现个体差异的同时,实现了小样本条件下RV减速器的可靠性分析,并且能够准确计算出RV减速器的失效概率,对于提升工业机器人的工作性能具有重要意义。

基于动态J-A模型的直流偏磁条件下电工钢磁特性模拟及实验验证

直流偏磁下,变压器励磁电流畸变,损耗显著增加,导致变压器局部过热甚至绝缘老化。为研究直流偏磁对铁芯铁磁材料磁特性的影响,在经典Jiles-Atherton(J-A)理论基础上,依据损耗分离理论,建立了动态J-A模型。利用优化算法与损耗分离理论分别辨识与计算未引入直流偏磁量的静态模型参数和动态损耗系数,并通过仿真结果与实测数据对比,验证了模型的准确性。搭建电工钢磁性能测试系统,获得不同直流偏磁条件下电工钢的损耗及磁性能数据,并用于分析直流偏磁量对磁滞损耗、动态损耗的影响规律。基于分析得到的规律,提出一种对不同偏磁条件下铁磁材料的磁滞回线及磁损耗进行预测的新方法。对比预测结果与实验结果,发现二者拟合较好,验证了该方法的正确性和有效性。

基于Energetic模型的直流偏磁条件下电工钢片磁特性模拟及实验验证

直流偏磁条件下,变压器励磁电流畸变,损耗显著增加,导致变压器局部过热甚至绝缘老化。为研究直流偏磁对铁磁材料磁滞和损耗特性的影响,该文首先在静态Energetic磁滞模型的基础上,考虑涡流损耗和异常损耗对磁滞回线的影响,建立动态Energetic模型,并利用优化算法和损耗分离理论分别提取无偏磁条件的静态Energetic磁滞模型参数和动态损耗系数。通过对比磁滞回线仿真结果与实测数据,验证了所建模型的准确性;其次,搭建磁性能测试系统,实验获取了不同偏磁工况下电工钢片的磁滞特性和损耗特性数据,并分析直流偏磁量对磁滞损耗、动态损耗(涡流损耗与异常损耗之和)的影响规律;最后,基于上述分析结果,提出一种对不同偏磁条件下铁磁材料的磁滞回线及磁损耗进行预测的新方法。对比预测结果与实验结果,发现二者吻合较好,验证了该文方法的正确性。

含电-氢系统的孤岛型交直流混合微电网可靠性评估

随着电力系统和氢气系统耦合程度的加深,含电-氢系统(electricity-hydrogen system,EHS)的交直流混合微电网已成为能源系统发展方向之一。针对含EHS的孤岛型交直流混合微电网进行可靠性评估,首先,建立EHS模型和负荷模型;其次,从系统级和设备级两个角度定义了系统的可靠性指标体系,并且提出了系统负荷削减与功率调度策略;再次,考虑元件故障、源网荷不确定性等多种随机性因素,提出基于序贯蒙特卡洛模拟法的含EHS的孤岛型交直流混合微电网可靠性评估方法;最后,以改进的RBTS BUS6 F4作为算例系统,对系统可靠性以及新能源总容量和EHS中设备容量对系统可靠性的影响进行仿真分析。结果表明:引入EHS可以有效提高系统可靠性水平;新能源总容量存在最优值使得系统可靠性水平达到最高;增加EHS中某一设备容量可以提升系统可靠性,但提升程度受该设备容量制约。

考虑性能退化的IGBT模块可靠性度量模型

提出了一种考虑性能退化因素的IGBT模块可靠性度量模型,该模型以广义应力-强度干涉模型为基础,同时考虑了应力和强度间的相关性以及使用过程中强度的退化性问题。分析了IGBT模块失效原因和失效类型,通过功率循环加速老化试验获取IGBT模块的退化数据,并选用Gamma分布来描述IGBT模块性能退化参数的退化过程;最后,根据广义应力-强度干涉模型求取某种应力环境下对应的IGBT模块可靠度,建立了广义应力与广义强度间的关系,计算得到IGBT模块在某种应力环境下的可靠度区间值。计算结果表明,与现有的可靠性度量模型相比,该方法能够实现IGBT模块可靠性度量,可应用于IGBT模块的器件选型。