电力电子器件机械应力波的试验研究
电力电子器件机械应力波的试验研究

第46卷第4期 2 0 19年4月湖南大学学报(自然科学版)Journal of Hunan University (Natural Sciences)V ol.46,N o.4Apr. 2 0 19文章编号:1674-2974(2019)04-0074-06D01:10.16339/ki.hdxbzkb.2019.04.010电力电子器件机械应力波的试验研究李孟川\孟志强 '胡毅\王悛\何■泽5邹翔\焦文豪\欧阳红林1(1.湖南大学电气与信息工程学院,湖南长沙410082;2.福建师范大学福清分校无损检测技术福建省高等学校重点实验室,福建福清350300)摘要:通过测试电路与数字滤波技术,探究了一种电力电子器件关断机械应力波的测 量方法;通过信号处理与频谱分析得到了机械应力波的时域和频域特征参数,如幅值、峰峰值、峰值频率和频率范围.研究结果表明:合理设置采样阈值和阻带频率能够测量机械应力波;IK W40T120型I X B T器件在关断40 A电流时,关断机械应力波的幅值为5.2 m V、峰峰值为9.6 m V,时域波形约持续100 !s且振幅衰减,其幅值频谱明显存在3个频率段,分别为20~100让出、150~200让出和290~310让出,每个频率段具有1个峰值频率点,分别为54让出、163 k H z和299 k H z,几乎呈现1倍、3倍、5倍频关系,三峰值频率点对应的峰值差异较大,分别为 1.24 m V、0.69 mV 和 0.36 mV.关键词:电力电子器件;关断过程;机械应力波;状态监测;可靠性中图分类号:T N32;TB52 文献标志码:AExperimental Study of Mechanical Stress Wavein Power Electronics DeviceLI Mengchuan1,MENG Zhiqiang1#,HU Yi1,WANG Jun1,HE Yunze1,2,Z0U Xiang1,JIA0Wenhao1,0UYANG Honglin1(1. College of Electrical and Information Engineering,Hunan University,Changsha 410082, China;2. Fujian Province University Key Laboratory of Nondestructive Testing,Fuqing Branchof Fujian Normal University,Fuqing 350300,China)Abstract:This paper studied a method for measuring the mechanical stress wave in power electronic device by means of test circuit and digital filtering technology. Time domain and frequency domain characteristic parameters of mechanical stress w ave,such as am plitude,p e a k-t o-p e a k,peak frequency,and frequency range,were obtained through signal processing and spectrum analysis. The research results show that the mechanical stress wave can be measured by setting the sampling threshold and stopping the band frequency reasonably. When a current o f 40 A in IKW40T120 IGBT device is turned o ff,the mechanical stress wave continues to decay for 100 !s,and its amplitude and p ea k-to-p ea k value are 5.2 mV and 9.6 m V,respectively. The amplitude spectrum clearly has three frequency]收稿日期:2018-ll-27基金项目:国家重点研发计划资助项目(2016YFE0123900),NationalKeyResearchandDevelopmentProgmm(2016YFE0123900);湖南大 学青年教师成长计划(531107040974),YoungTeacherGrowthPlanofHunanUniversity(531107040974);湖南大学中青年教师购置小型仪 器设备专项(531107040977 ),Special Purchase of S m all In stru m en t and Equipm ent by Young and Middle-aged T eachers of H unan U niversity (531107040977)作者简介:李孟川(1993—),男,陕西西安人,湖南大学博士研究生!通讯联系人,E-mail:m engzhiqiang@第4期李孟川等:电力电子器件机械应力波的试验研究75segments that are20=100 k H z,150=200 kHz and290=310 kHz.Each frequency segment has one peak frequency point,which i s54 k H z,163 kHz and299 k H z,respectively,showing almost 1,3 and5 octave relationship.The peaks corresponding t o three peak frequency points differ greatly,which are 1.24 m V,0.69 m V and0.36 m V,respectively.Key words %power electronics device;turn-off process;mechanical stress wave;condition monitoring;reliab i l i t y电力电子器件和模块在电气节能、新能源发 电、电力牵引、智能电网等领域得到了广泛的应用,对国民经济发展起着重要作用!1].电力电子器件和模 块发生故障或性能退化,会对电力系统和使用电力 电子设备的系统正常运行构成危害,并带来巨大的 经济损失.因此,高效、简洁、实时的电力电子器件与 模块状态 障电力电子设备 性的重要.来,电力电子设备应用的 发展对了一些特殊的要求,主要体现为快速[2][3]、实时在 [4].国和 来越重电力电子器件和模块的 性研究,对器件和模块的状态监测展了大的研究,研究成主要在电力电子器 件 电应力特的 .电应力 的 和 [5],[6-7]电力电子器件的电 或 电,实,能 电力电子器件和模块的状态,特化 ,器件 ,要的 ,使实电为 [8]对 的电行 ,用的电力电子器件的故障状态,,件实 ,大 作 .应力息的 !9-10]用巨 效应,器件和模块 的巨 器 来电和 ,效 高率并 要改造器件和模块的 结构.应力信的 含光 触 、物 触、敏电、抗模型等™.其,光 触 !12]—般采用红 像仪来测器件和模块 的结,要打器件和模块的封装,难实在物 触 !13]通常在器件和模块 :敏电 来 ,;应慢,要改变器件和模块的结构敏电参数[14-15]用与电力电子器件结密切相的电学特性来 器件的结,适用于对结要求精确 的场合 抗模型预 [16]通术,利用器件的功耗和 模型来计算芯片的结,只能预器件正常工作状态下的结变化,能反映器件老化带来的 误差.上述 难同时满足 、和实时在 的求,不障和升电力电子器件与模块的可靠性.声发射材料局域源能释放而产生 瞬态弹性波的象,声发射 能够表材料的缺陷和物特性[17],因而 用来 发射源的状态.声发射 具有、和实时在 :等特,在石油、化、电力和航空航天等领域得 到了广泛的研究和应用[18].电力系统新能源发电系统声发射的一个主要应用领域,如绝缘子污秽放电 [19]、高电气设备局放电检[20]、风机叶片健康状态 [21].国在几并展了基于声发射 的电力电子器件与模块状态 的研究,寄希望于探索电力电子器件与模块在 和故障时 声发射 为 机械应力波”)的机理,探索一能、、可电力电子器件与模块状态的在线实时 .芬大 Karkkainenal等[22]用试电和声发射器 了绝缘双极型晶体管(IGBT)器件 程产生的机械应力波,通机械应力波播时延与器和功率模块 离的系,了机械应力波 来I G B T器件 ;Karkkainenal等人[23]通 试电和声发射器探到I G B T器件-射极和-射极时 的机械应力波,发了与 失效模相关的机械应力波 国大 Muller 等人[24]I G B T模块 程能够产生机械应力 波一象,借助功率 试电和声发射系统,了I G B T模块老化时产生的机械应力波,发I G B T模块的性能退化使 机械应力波在 50=150 kHz率 .,机械应力波能够有效反映电力电子器件与模块 的相 状态,具有一研究的与 .通 试电与波 ,探究了电76湖南大学学报(自然科学版)2019 年力电子器件关断机械应力波的测量方法,获取了I G B T 器件关断过程产生的机械应力波;通过信号处 理与频谱分析得到了相应机械应力波的时域和频 域特征参数,进一步验证了 I G B T 器件的关断过程 能够产生机械应力波这一现象,为后续电力电子器 件机械应力波的产生机理研究奠定了试验基础.C 6个10.F 的电器3 2并联构成,.电为6.67m F , 流电源通过100!电 R电,I G B T 导通 ,150 "H 的负载电 L电.IGBT 器件的信号和电极电流波图2(b )和图2(c ,I G B T 器件的开通时7;nI G B T 的关断电流.100 !,2kW1试验设计1.1试验机理I G B T 是双极性功率器件,电子和空穴同时参与导电.关断过程中,空穴和电子从漂移区内抽出,使 空穴电流和电子电流同时减小并相互作用,引起 I G B T 器件内电相互作用并产生电应力 力 力),使IGBT出现机械,这种机械能为I G B T 器件关断时的声发射源.1.2机械应力波的状态监测方法基于机械应力波的电力电子器件与模块的状 态测方法 1 ,使用声发射测量和电声发射 器与 电的测试电获取电力电子器件和模块的机械应力波,使用频谱 分析、数波信号处理取机械应力波的 特征参数,用 能方法特征参数与器件和模块态的应关,用这应关电力电子器件和模块的态,电力电子器件和模块的性能.试验取电力电子器件的关断机械应力波,获取特征参数.V V V --------6〇10mFFRDD=广」^(a )测试电路(b)IGBT 驱动信号(c)集电极电流图2 IG B T 器件的测试电路、驱动信号与集电极电流Fig.2 The test circuit, trigger signal and collectorcurrent for IGBT device试验中,I G B T 的驱动信号$g q 为15 V 的 :, "on 为60 "s ,I G B T 导通,电感性 ,电流为40 A 时关断I G B T ,电感的 能通过 极,产生 的 生电IGBTS试验3所示,采用A S M Y -6型声发射测量和V S -45H 声发射电 器测量IGBT器件的关断机械应力波,V S -45H器测量带图1基于机械应力波的电力电子器件和模块状态监测方法示意图Fig.1 Schematic diagram of condition monitoring method for power electronics device and module basedon mechanical stress wave1.3测试电路和试验装置测试电 2(a )所示,D C 100V 直流电源能电电I G B T 器件和极管F R D.I G B T 测试器件的型号为I K E 40T 120,定工作电1 200V ,作电流40 A ;储能电容Fig.3 The site map of experimental setup图3试验装置图第$期李孟川等:电力电子器件机械应力波的试验研究77!/!s(e )机械应力波E图6机械应力波A 〜E 的时域波形Fig.6 The time domain waveforms of mechanicalstress waves A 〜E对机械应力波A 〜E ,得.机械应力波米样 "s 为5 M H z ,机械应力波A 〜E 的 # " 552.图7 了机械应力波A 〜E 的幅 ,发现幅频特,3 个值,为 54 kHz 、163 kHz299 k H z , 现出1 、3 、5倍频的关系;值 的幅值 , 为1.24m V 、0.69m V 和0.36 m V .此外,还发现机械应力波A 〜E 的频,3个可的,别为 20〜100 kH z 、150〜200 kHz 和 290〜310 k H z ,并!/!s(c )机械应力波C !/!s(d )机械应力波D2.3关断机械应力波分析图6了机械应力波A 〜E (已通过波器噪声)的时波, 的 机械应力波件 的时.可以看出A 〜E 个机械应 力波的时 波 ,时间在105〜110 !s 范围内、幅值为5.2 m V 、峰峰值 为9.6 m V . 由 A 〜E 个机械应力波由 I G B T 器件的关过程产生,关断 ,测量系.64| 20_2-46421 0m _2-42.2噪声分析与抑制图5(a )和5(b ):给出了噪声F 的时域波形,可以看出噪声的幅值为2.5 m V , 为简单,主要中在112〜116 kHz .因此在处 机械应力波A 〜E 时,采 波器噪声,设置为105〜120 kHz .!/ms 频率/kHz(a )时域波形(b )图5噪声F 的时域波形和频率分量Fig.5 The time domain waveform and frequencycomponents of noise signal F50100150!/s图4试验中出现的机械应力波Fig.4 The mechanical stress waves in experiment2.1试验结果试验中,手动设置了 5次触发脉冲.5个脉冲触 发完成后获得了对应的机械应力波,幅值约为15d B (滤波前).图4给出了 5个脉冲对应的机械应力波(A 〜E ),可以看出机械应力波与时间的关系,机械 应力波A 与B 的时间间隔为26 s ,机械应力波B 与C 的时间间隔为32 s ,机械应力波C 、D 、E 间的时间间隔约为40 s .图中,机械应力波A 〜E 由I G B T 器件 的关断过程产生,机械应力波F 由测试现场干扰产 生,其幅值略低于检测阈值且密集出现.100宽为20〜450 kHz .试验前将传感器通过耦合剂贴在I G B T 器件封装上.通过测试发现,试验现场的环境噪声为64 d B ,故采样阈值设置为70 d B .2试验结果与分析204060 801000 20 4060 80 100!/!s!/!s(a )机械应力波A (b )机械应力波B〇〇〇〇〇Ai OBCDEF■-0080604020~^~^~~A s /s i---2-4-6—A s /»a l oooo 8642a p $馨78湖南大学学报(自然科学版92019 年0 100 200 300 400 (〇 100 200 300 400频率/kHz频率/kHz(c9机械应力波C(d9机械应力波D频率/kHz(e)机械应力波E图7机械应力波A 〜E 的幅频特性曲线Fig.7 The amplitude-frequency characteristic curvesof mechanical stress waves A 〜E2.4小结测试现场存在噪声(112〜116k H z ,2.5m V ),通 过带阻数字滤波技术可以滤除该噪声,从而得到I G B T 器件关断过程产生的机械应力波.对测量的关断机械应力波进行时域和频域分析后,如表1所 示,发现其时域和频域特征高度相似,机械应力波A 〜E 的幅值(绝对值最大值)为5.2 m V 、峰峰值为9.6 m V 、峰值频率为 54 kHz 、163 kHz 和 299 k H z ,频 率范围为20〜100 kHz 、150〜200 k H z 和290〜310k H z ,进一步验证了 I G B T 器件的关断过程产生机械应力波.3结论测 试和声发 测 量I G B T 器件关断时产生的机械应力波,对关断机械应力波进行了带阻滤波、时域分析和频域分析,得0 100 200 300 400频率/kHz(a)机械应力波A100 200 300 400频率/kHz(6)机械应力波B在第一个频率段存在3个明显的频率分量,其幅值是线性衰减的.表1机械应力波A 'E 的特征参数Tab.l The characteristic parameters of mechanical stress waves A'E事件幅值/m V峰峰值/mV峰值频率/kHz频率范围/kHz20〜100A5.309.6554,163,299150〜200 290〜31020〜100B5.209.6054,163,299150〜200 290〜310 20〜100C5.359.6554,163,299150〜200 290〜310 20〜100D5.159.5554,163,299150〜200 290〜310 20〜100E5.109.5054,163,299150〜200 290〜310 20〜100平均值 5.229.5954,163,299150〜200 290〜310出了以下结论•1) 同一 I G B T 器件在同一状(未)下关断相同大的,机械应力波的特征数(幅值、峰峰值、峰值频率、频率范围)高度相似,进一步验证了 I G B T 器件的关断过程产生机械应力波.2) 测试现场存在噪声,通过 声发测量仪的值 数字滤波技术,可以 噪声对I G B T 器件机械应力波测量的 .3)I K Z 40T 120型I G B T 器件在关断40 A 电流时,关断机械应力波的幅值为5.2 m V 、峰峰值为9.6m V ,其幅频特性线3个峰值频率,分为54kHz 、163 k H z 和299 k H z ,其频率范围为20〜100 kHz 、150〜200 kHz 和 290〜310 kHz .参考文献[1 ]赵争鸣,袁立强,鲁挺,等.我国大容量电力电子技术与应用发 展综述[J].电气工程学报,2015,10(4)\26—34.Z H A O Z M ,Y U A N L Q ,L U T ,et al. 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Leipzig:IEEE,2016:468—471.。
工程测试技术(应力波)实验报告

工程测试技术(应力波)
实验报告
班级:
姓名:
学号:
一、实验目的
1、熟悉SHPB装置及其测量原理。
2、学习SHPB实验动态数据采集仪器及其软件的使用。
3、学习不同长度子弹撞击下产生的应力波及其在弹性杆中的传播规律。
4、学习波形整形器对应力波的改造规律及特点。
5、学习SHPB数据处理软件的使用。
二、装置的基本组成
SHPB装置的示意图如图所示,其基本组成部分包括子弹、输入杆、输出杆、应变计、测速仪、超动态应变仪、数据采集存储系统及其软件。
SHPB装置
三、数据采集过程
用高压气体驱动打击杆以一定的速度v0撞击输入杆,在输入杆内产生一个应力脉冲,称为入射波。
入射波沿输入杆向试样传播,经过输入杆应变计被记录下来。
当入射波传播到试样位置时,推动试样开始变形,并在输入杆中产生一个反向应力脉冲,称为反射波,到达输入杆应变计也被记录下来。
另一部分脉冲透过试样进入输出杆向前传播,称为透射波,经过输出杆应变计时被记录下来。
传统的SHBT就是通过这三个脉冲信号得到试样特定应变率下的应力——应变曲线。
四、数据处理
1、理论应力波
2、灵敏度系数的计算
b1:
b3:
3、应力波总长度、上升沿升时以及随传播距离的变化关系
b1:
由于存在弥散现象, 随着传播距离的增加,应力波上升沿升时不断增加,应力波波长基本保持不变。
波形整形器大大增加应力波升时,减弱了应力波在传播过程中的弥散。
=5071m/s
理论波速:C
误差分析:A=×100%=0.66%。
应力波基础实验

工程测试技术(应力波)实验相关说明一、压杆尺寸及应变计位置1.入n :入射杆粘贴的第n 个应变计,透m :透射杆粘贴的第m 个应变计2.左端为子弹撞击端,子弹尺寸:300mm 14.5mm ⨯Φ。
二、实验参数1.采样频率:1MHz ;2.材料常数:3kg/m 2780GPa 5.71==ρ,E 。
三、相关记录文件说明1.b1:子弹撞击入射杆+透射杆,弹速μs 6.3838/mm 40=v ;2.b2:子弹撞击入射杆+透射杆,弹速μs 2.2354/mm 40=v ;3.b3:子弹撞击入射杆+透射杆,弹速μs 0.2667/mm 40=v ;4.b4:子弹撞击入射杆+透射杆,弹速μs 4.2078/mm 40=v ;5.b5:子弹撞击橡胶整形器+入射杆+透射杆;6.b6:子弹撞击橡胶整形器+入射杆+透射杆。
四、实验报告要求1.简述SHPB 装置的基本组成部分,及利用SHPB 装置产生及采集记录应力波的过程。
2.根据实验得到的子弹直接撞击入射杆+透射杆的记录数据进行分析1)每组从b1~b4中选择两个进行处理及分析,其中工力11-1-1(b1、b2);工力11-1-2(b3、b4);工力11-2-1(b1、b3);工力11-2-2(b2、b4);2)根据一维理论,由子弹弹速及尺寸做出两种情况下压杆中传播的理论应力波;3)分别得到两弹速下各应力波实际测量幅值(V),计算4个应变计的实际灵敏度系数,实验获得电压脉冲与应力转换关系如下,式中,d U 为读取的脉冲平台幅值,V 4=jb UK U U EE jb d e 21000⨯⨯==μεσ 4)选择一种情况:计算入射杆3个应力波的总长度(mm),上升沿升时,并作出随传播距离的变化关系,并对子弹直接撞击入射杆产生应力波的传播规律进行描述分析;5)b5和b6任选一个分析波形整形对应力波波形及其在压杆中传播的影响;计算压杆的实际波速(计算4~6个值平均),并与理论波速分析误差。
基于应力波技术的低速重载类设备状态监测应用研究

·研究与设计·基于应力波技术的低速重载类设备状态监测应用研究李德思① 钱玲 董梓楠 王红飞(昆明钢铁控股有限公司设备部 云南昆明650302)摘 要 近年来,基于设备振动数据测量与分析的故障监测诊断技术发展迅速。
其对高速旋转设备的监测诊断效果显著。
然而对于低速重载类设备由于其低速、重载、尺寸大等特点,采用常规的振动测量与分析方法难以实现有效的监测。
本文介绍了一种应力波技术,其对监测设备转速不敏感,只对设备部件相对运动时产生的摩擦和冲击有反应,利用应力波分析技术能够实现对低速重载设备运行状态的实时监测和故障现象在线诊断分析。
通过使用对摩擦和冲击高度敏感的传感器,实时采集动设备由于相对运动产生的应力波信号,使用数值积分、数学统计等方法对应力波信号进行分布式处理,形成其特有的诊断分析方法。
以使设备管理者及时知晓设备的状态变化情况,达到预测性维护的目的。
本文通过展开介绍大包回转台的诊断分析案例,证明应力波技术可对低速重载传动系统做有效监测。
关键词 应力波 低速重载 趋势分析 大包回转台 状态监测 预测性维护中图法分类号 TG155.4 文献标识码 BDoi:10 3969/j issn 1001-1269 2022 Z2 0011 前言随着现代工业技术的发展,企业生产设备自动化程度、精密度越来越高。
让先进的设备持续稳定、高效、安全的运行是企业设备管理的重中之重。
对生产关键设备运行状态进行在线实时监测,对其设备故障发展趋势进行跟踪预测,以达到提高设备可靠性、延长检修周期、降低检修成本、降低设备故障率等目的。
设备维护在企业生产经营中的作用和地位日益突出,其直接影响着企业的生产经营和经济效益,是企业降低生产成本和保证生产效率的基础,开展设备在线状态监测及故障诊断技术的应用研究是强化企业设备管理的重要手段[1]。
当前企业普遍采用振动分析技术来评价设备运行状态,其主要监测设备运行过程中产生的速度、加速度、位移等物理量。
考虑磁致伸缩效应的电机应力数值仿真与实验

2017年10月电工技术学报Vol.32 Sup.2 第32卷增刊2 TRANSACTIONS OF CHINA ELECTROTECHNICAL SOCIETY Oct. 2017DOI: 10.19595/ki.1000-6753.tces.L70534考虑磁致伸缩效应的电机应力数值仿真与实验张欣解超群祝丽花李连鹤(天津工业大学天津市电工电能新技术重点实验室天津300387)摘要电机振动噪声的来源之一是电机定子铁心硅钢片的磁致伸缩效应。
首先建立电磁-机械耦合数值模型,并在有限元分析软件中进行计算,研究磁致伸缩力单独作用与电磁力单独作用对电机定子硅钢片的影响。
数值仿真结果表明:电机定子结构中磁致伸缩力为主要应力来源,定子铁心硅钢片中低频振动频率为供电频率的1倍频率与2倍频率。
根据仿真思路设计实验,取出电机转子以保证主磁路通过电机定子,通过振动测量设备采集电机定子表面的振动信号进行分析,对仿真结果进行证明。
计算理论与实验方法对分析磁致伸缩效应对电机定子振动噪声的影响具有重要的指导意义,对电机低噪声化的研究具有一定的学术意义和参考价值。
关键词:电磁力有限元仿真磁致伸缩力振动噪声中图分类号:TM301Numerical Simulation and Experimental Research on Stress ofMotor Including Magnetostriction EffectsZhang Xin Xie Chaoqun Zhu Lihua Li Lianhe( Tianjin Key Laboratory of Advanced Electrical Engineering and Energy TechnologyTianjin Polytechnic University Tianjin 300387 China )Abstract Magnetostrictive effect of silicon steel of stator core is one of the main sources to produce noise and vibration. This paper established electromagnetic-machine coupled numerical model and utilizes finite element analysis software to calculation, and the analysis of the effect on the stator silicon steel sheet caused by magnetostrictive force and electromagnetic force was separately carried out. Numerical simulation results show that magnetostrictive force is the main source of stress in the motor stator structure, the low frequency of vibration is single and double supply power frequency.According to the simulation, motor rotor was removed to ensure the main magnetic circuit through motor stator, motor stator surface vibration signal was collected and analysed by vibration measurement equipment, the simulation results were verified. Wherein calculation theory and experimental methods used have important guiding significance to analyze the impact of magnetostrictive effect on stator vibration and noise, it has a certain academic significance for motor noise reduction research process and the reference value.Keywords:Electromagnetic force, finite element simulation, magnetostrictive force, noise and vibration0引言电磁噪声是电机振动噪声的主要组成部分,而电磁噪声的主要部分由硅钢片磁致伸缩效应引起[1-4]。
军用电子元件在强应力场中动态测试技术研究

2 S a x rh Hufn e h nc l& Elcr ncCo L d h n i a g h 4 0 2 h n iNo t i g M c a ia e eto i . t ,S a x Ch n z i 6 1 ,Chn ) 0 ia
Ab t a t Dy a c t s i g e p rme t n e ts h me we e c r id O tt e tt e p r me e s o y i l l a y de — sr c : n mi e t x e i n s a d t s c e r a re u O t s h a a t r ft p c i r c n a mi t to i o p n n s r n c c m o e t ,mi t r e i t n e a d c p ct n ei i h t mp r t r n i h me h n c l t e s o e l a i g.a d l a y r s s a c n a a i c n hg e e a u e a d h g c a ia r s v r d n i a s o n t e p e ito d la d v ra i n l w f h a a t rwe e o t i e n h g e e a u e h n i s a ti s a l t n h r d c in mo e n a ito a o e p r me e r b an d i i h t mp r t r ,t e t n n t b e mo i t n o o a a t r n e i h m e h n c l t e so e l a i g wa ic s e y a a y i g e p r n a e u t fp r me e s u d r h g c a ia r s v ro d n sd s u s d b n l zn x e i s me t lr s ls.wh c a f ih c n o —
应力波

编辑炸药在土岩介质中爆炸时,其冲击压力以波动形式向四外传播,这种波统称为应力波。
当应力与应变呈线性关系时,介质中传播的是弹性波;呈非线性关系时,为塑性波和冲击波。
目录1基本介绍2描述分类▪速率无关材料中的应力波▪卸载波▪速率相关材料中的应力波3反射透射▪反射和透射▪反射断裂4研究简史5发展趋势1基本介绍编辑应力和应变扰动的传播形式。
在可变形固体介质中机械扰动表现为质点速度的变化和相应的应力、应变状态的变化。
应力、应变状态的变化以波的方式传播,称为应力波。
通常将扰动区域与未扰动区域的界面称为波阵面,波阵面的传播速度称为波速。
地震波、固体中应力波相关图书的声波和超声波等都是常见的应力波。
应力波的研究同地震、爆炸和高速碰撞等动载荷条件下的各种实际问题密切相关。
在运动参量不随时间变化的静载荷条件下,可以忽略介质微元体的惯性力,但在运动参量随时间发生显著变化的动载荷条件下,介质中各个微元体处于随时间变化着的动态过程中,特别是在爆炸或高速碰撞条件下,载荷可在极短历时(毫秒、微秒甚至纳秒量级)内达到很高数值(1010、1011甚至1012帕量级),应变率高达102~107秒-1量级,因此常需计及介质微元体的惯性力,由此导致对应力波传播的研究。
对于一切具有惯性的可变形介质,当在应力波传过物体所需的时间内外载荷发生显著变化的情况下,介质的运动过程就总是一个应力波传播、反射和相互作用的过程,这个过程的特点主要取决于材料的特性。
应力波研究主要集中在介质的非定常运动、动载荷对介质产生的局部效应和早期效应以及载荷同介质的相互影响(见冲击载荷下材料的力学性能),研究时需要考虑材料在高应变率下的动态力学性能和静态力学性能的差别。
问题的复杂性在于,应力波分析是以已知材料动态力学性能为前提的,而材料动态力学性能的实验研究又往往依赖于应力波的2描述分类编辑应力波波速的描述与参考坐标系的选择有关,若以X表示在物质坐标中波阵面沿其传播方向的位置,t表示时间,则C=dX/dt称为物质波速或内禀波速。
MEMS应力测试研究的开题报告

MEMS应力测试研究的开题报告开题报告:题目:MEMS应力测试研究一、选题的背景和意义随着微纳技术的不断发展和广泛应用,MEMS(Micro-electro-mechanical systems,即微电子机械系统)已经成为一个重要的研究领域。
MEMS器件通常由微型传感器和微型执行器组成,其应用范围涵盖了很多领域,比如航空、汽车、电子、医疗、通信等等。
MEMS器件在工作过程中受到很大的应力,这些应力可能导致器件性能的变化或损坏,甚至造成系统失灵。
因此,MEMS应力测试研究具有重要的理论和应用意义。
二、研究内容和思路2.1 研究内容本课题拟研究的主要内容如下:(1)分析MEMS器件受力情况,了解应力产生的原因和类型;(2)研究MEMS应力测试的方法和技术,探讨不同测试方法的优缺点及适用范围;(3)设计并制作MEMS应力测试装置,利用此装置进行应力测试;(4)分析实验结果,探讨应力对MEMS性能的影响及其机理。
2.2 研究思路通过文献资料的综述和实验研究,对MEMS器件的应力进行深入探究。
首先,对MEMS器件的结构和工作原理进行了解,并分析其受力情况(包括机械应力、热应力等)。
其次,研究MEMS应力测试的方法和技术,包括静态应力测试、动态应力测试等方法。
再次,根据测试需要,设计并制作MEMS应力测试装置。
最后,进行实验测试并分析实验结果,探讨应力对MEMS性能的影响及其机理。
三、研究预期成果本课题预期将实现以下成果:(1)深入了解MEMS器件应力的形成原因和类型;(2)掌握MEMS应力测试的方法和技术;(3)设计并制作MEMS应力测试装置,对MEMS器件进行应力测试;(4)分析实验结果,探讨应力对MEMS性能的影响及其机理。
四、研究工作计划和进度安排4.1 研究计划(1)第1-2个月:文献综述,搭建实验平台;(2)第3-4个月:制作测试装置并进行初步测试;(3)第5-6个月:完善测试装置并进行准确测试;(4)第7-8个月:数据分析和结果处理;(5)第9-10个月:论文撰写和修改;(6)第11-12个月:答辩和总结。
机械波在电力设备检测的应用 张巍

机械波在电力设备检测的应用张巍摘要:随着科学技术的不断发展应用,人们对电力设备检测技术的要求也有很大提高。
而对机械波的研究从未间断过,将其应用于电力设备检测,是技术上的一种进步,大大提高了电力设备检测的效率。
本文主要对小波变化来分析电力设备时域与频域的机械波特征,模拟验证小波变换的有效性,通过举例探究机械波在瓷绝缘子和分接开关中的应用,最后通过实例验证机械波应用于电力设备检测的有效实用性能。
关键词:机械波;电力设备;状态检测机械波指的由于机械振动在介质中传播而产生的,它与电磁波有相似点也有不同点,机械波是由机械振动而形成的,电磁波则是由于电磁振动产生。
机械波的传递需要一定的介质,介质不同其传播的速率是不同,且机械波无法在真空下进行传播。
机械波可以是横波,也可以是纵波,我们所熟知的机械波主要有水波、声波以及地震波等。
在声波中,若是依据传播频率的不同,可将其分为次声波、声波以及超声波。
不同频率阶段机械波产生、传播以及接收等对物体进行预测和分析。
通过声波的传播速度,可进行定位爆炸点;根据超声波的特点,可对金属缺陷进行检测,并判断缺陷的位置与大小等。
所以,机械波在电力设备检测中也会发挥着重要作用,通过其传播特性,对电力设备进行外部检测,也可对其运行状态进行诊断分析,预测电力设备的问题,提升设备及电力系统的稳定运行。
一、信号处理及验证电力设备所在的位置以及在运行中,都受到噪声或者是电磁波的扰乱,而在电力设备运行所产生的机械波具有非线性以及非平稳的特点。
若想及时、准确的对电力设备的运行状况进行诊断分析,就要对其机械波中多余的信号进行清除,突出显示方便人们识别的一些幅值、频率以及波型等特征量。
对机械波中多余信号进行处理的方法,比较常用到主要有希尔伯特-黄、傅里叶变换以及小波变换等时域与频域的分析方法,使用较为广泛的则是小波变换分析法。
小波变换分析法对于其他分析方法来说,其可以通过小波基对时域和频域进行分别鉴别,表现出不同时域和不同频域段中的机械波具体特点。
电测应力应变实验课件ppt

1
M1 w1
F L1 w1
2
M2 w2
F L2 w2
2-2抗弯截面模量为:
nt3
1-1截面抗弯截面模量:
w2
I2 t/2
12 t/2
nt2 6
mt3
w1
t
I1 /2
12 t/2
mt2
6
计算两截面的最大应力为:
1
6F L1 mt2
2
6F L2 nt2
等强度梁两截面最大应力相同: 1 2
因此,正确的布片和组桥,可提高测量的灵敏度:
对臂接符号相同的应变,邻臂接符号相异的应变。
➢电路桥接方法:
a. 1/4桥(单臂)测量,将AB桥接应变片,则电桥的输出电压为:
引起电阻片的阻值改变的因素:1.机械变形;2.温度变 化。温度变化引起阻值改变的量是无用的量。可以利用电桥 加减特性,通过温度补偿片来消除。即单臂(¼桥)测量。
DU DB
EK 4
1
2
半桥接线法
R1
B
R2
A
UBD
C
R4
R3
D
R1、R2:工作片 R3、R4:固定电阻(120欧)
UAC
c. 全桥测量,四个桥臂都接应变片,则电桥的输出电压为:
全桥接线法
R1
B
DU DB
EK 4
1
2
3
4
R2
A
UBD
C
R4
R3
D
R1、R2、R3、R4:工作片
UAC
全桥接线法
矩形纯弯曲梁正应力实验(实验九)
• 2、进行误差分析。
六、思考题
• 1.在梁的横力弯曲部分,弯曲正应力的计算仍用 纯弯曲公式 M1y ,是否会出现很大误差?
【冲击动力学】应力波理论和SHPB实验

• Uniaxial stress state in specimen
• Friction effect at the specimen/bar interfaces neglected • Radial inertia in specimen neglected
• Uniform stress state in specimen
E
x , u,v , , (X ,t)
x(t), or u(t)=x(t)-X
X
X
Wave Equations
2u t 2
E
2u X 2
,
2
t 2
E
2
X 2
2 E 2 2v E 2v t 2 X 2 , t 2 X 2
Define: c E The general solution of
DX
-L/2
t
t+Dt
t
Dt
dX/dt=c
N-1
N
DX
X L/2
Typical Boundaries: Stress boundary; Velocity boundary; Coupled Boundary; etc.
Impact of Elastic Bars
v0
L
t
2L
0
3
v
1
3
2L/C
3
2
• negligible wave propagation in specimen
Data Processing: Standard
s t
Abar As
A t A't
2
Abar I t R t T t
应力波动力学及其在工程中的应用研究

应力波动力学及其在工程中的应用研究应力波动力学是研究应力波在介质中传播和相互作用的学科,应用范围非常广泛,尤其在工程领域,其重要性更是不言而喻。
本文将要探讨应力波动力学的原理和应用,在工程中的研究进展和应用前景。
一、应力波动力学的原理应力波是经过介质的内部传播而导致的周期性变形和应力变化。
介质可以是任何一种物质,例如:固体、液体、气体等等。
应力波动力学是研究介质中应力波的传播特性和相互作用的学科。
其传播和作用的机理可以用一系列的波动方程来描述。
应力波在介质中传播的物理机制是基于弹性、介质的物理性质和动力学的方程。
在介质中存在着应力波和波的传播速度,这是介质物理性质的基本特点。
介质的弹性决定了波的传播速度和波的衰减,波的传播过程中,波在介质内的弹性能转化成介质内各部分的应力和应变,而波本身的能量在介质中是不断传递并且散播的。
二、应力波动力学在工程中的应用研究2.1 地震学地震通常是由于地球上的板块移动和释放能量引起的。
应力波动力学是构建地震勘探工具、分析和处理地震数据等的重要工具。
在地震学中,应力波动力学的应用有助于及时了解地震信息,包括震源位置、震源深度、地震规模等等。
这样的应用对于地震危机管理和防灾减灾具有显著的意义。
2.2 声学声波是应力波的一种,是一种机械波,同样遵循波动方程的基本规律。
计算机辅助设计和计算机模拟技术的进步,现在可以对各种产品(例如建筑物、汽车、飞机等)进行声学仿真。
声学仿真可以帮助设计师快速评估建筑结构物的声学性能并进行优化。
同时,应力波动力学在无损检测等方面也有广泛的应用。
2.3 石油勘探石油勘探包括测量地下地质结构和油藏性质的活动。
通过应力波的检测和处理方法,可以对地下岩石结构和油藏的有效性进行探测。
此外,应力波动力学的超声波技术对石油勘探领域具有重要作用。
这些技术可以通过波传播特性来识别存在于岩石中的裂缝、地下断层、埋藏的矿石等特殊地质现象。
2.4 航空航天随着航空航天技术的不断进步,应力波动力学逐渐成为重要的工具,用于验证结构设计。
应力波技术在煤矿大型固定设备上的研究与应用

应力波技术在煤矿大型固定设备上的研究与应用发布时间:2022-12-12T06:36:37.138Z 来源:《中国电业与能源》2022年第14期作者:李喆[导读] 煤矿大型固定设备主要有提升机、主通风机、主排水泵等,在应力波监测系统安装前,只具备振动、温度等常规监测手段,李喆(焦作煤业(集团)新乡能源有限公司,河南焦作 454000)摘要煤矿大型固定设备主要有提升机、主通风机、主排水泵等,在应力波监测系统安装前,只具备振动、温度等常规监测手段,对设备早期故障不能及时定位、预警,事后维修、临时应急处理情况时有发生。
应力波监测诊断技术能够在设备故障早期对设备状况准确有效预警,定位设备故障部位,分析原因,便于提前协调安排相关检修工作,避免事故发生,对解决以上问题有着现实意义[1]。
结合现有的监测手段,将对矿井避免非计划停机和安全事故,减少维修费用、备件成本,保障设备可靠运行具有重要意义。
关键词: 煤矿;大型固定设备; 状态监测; 应力波;维护0 引言随着煤矿向机械化、自动化、智能化方面发展,煤矿现场使用的各类机械设备日益增多,而煤矿的大型固定设备,往往关系着整个矿井生产经营活动的正常运行。
尤其是在煤与瓦斯突出矿井,大型固定设备的日常管理维护更是重中之重,例如一旦主通风机停运,极有可能引发瓦斯超限甚至更严重的煤矿事故;主井设备出现问题,直接影响井下各个生产头面的运转等等[2]。
同时,在当前供给侧改革和产业转型升级的大背景下,如何保障资产设备可靠运行,持续服务生产是迫切需要解决的问题。
矿井需要利用新的技术进行优化和提升,以达到提高设备可靠性、降低故障率、延长检修周期、降低检修成本、优化备品备件等目的[3]。
如何能够提前正确检测出机械设备内部存在隐患是目前国内外研究的主要方向。
1.煤矿大型固定设备监控系统存在的问题1.1 现有检修方式对人员素质要求较高矿井目前在用对设备的维护手段主要包括设备日常点检、年检以及定期强制性检修,在执行时对检修人员的经验有一定要求且人力投入较大。
应力分析电测法

第一章应力分析电测法§1-1 概述实验应力分析,是利用实验的方法来测定构件内应力或应变的一种技术。
它在工程应用领域是确定构件的承载能力,验证理论分析结果,改进构件设计的一种重要手段。
目前,实验应力分析技术已经形成一门学科并广泛应用于机械、动力、土木、水利、航空、材料化工和生物力学等领域。
应力分析试验是利用物理原理,把不易测量的力学量,如应力、应变等,转换成易测量的其他物理量,如光强、电压等,并且这种转换在理论上有确定的关系。
这样,可以通过测量这些物理量得到相应力学量的确定关系。
电测应力分析是利用金属丝的“电阻-应变”效应实现应变—电压转换的一种力学实验技术。
于20世纪30年代逐步应用于工程测试。
20世纪50年代,出现箔式应变计,由于箔式应变计便于大批量、标准化制造,使电测法逐步规范化和规模化,使之成为测量物体表面应变的一种常规测试方法。
目前商品化的应变计达2万余种,应用范围扩展到振动、高温、高压、液下、高速、强辐射等极端环境下的测量。
应变电测法也是某些力学量传感器的技术基础,广泛应用于传感器的设计。
应变电测法的主要缺点是:一只应变计仅能测量物体表面一点的某个方向的应变。
因此,需要多点、多方向布设应变计,才能得到全场测量的近似值。
另外,应变计存在有限面积,当贴附于测点时,反映的应变是片基面积内的平均应变。
对于高应变梯度测试精度较差。
本章将介绍应变电测法——简称“电测法”基本原理与试验技术。
§1-2 应变电测法原理应变电测法是利用金属丝的“电阻应变效应”测量构件表面应变的一种实验应力分析技术。
在测量硬件上主要由3部分组成:1.电阻应变片:作为传感器将应变量转换成可测量的电量参数。
2.测量电桥:组成各种测量电路。
3.电阻应变仪:输入测量电路获取的信号加以放大并转换成实际应变值。
一.电阻应变片的工作原理1.金属丝的电阻应变效应一根长l ,横截面积A ,电阻率ρ的金属丝,电阻R 表示为:ARρ= 当金属丝受到轴向拉伸作用,上式两边取微分,有:dA Ad A d A dR 2-+=ρρ 两边同时除以R ,得:AdAd d R dR -+= ρρ (1-1) 考虑圆形截面金属丝,直径为D 则: 24D A π= D d D dA 2π=于是d D dD A dA ν22-== 另外,试验表明,电阻率的变化率ρρd 与体积变化率VdV成正比,即: ldlm V dV md )21(νρρ-==式中ν为金属材料的泊松比;m 为比例常数。
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电力电子器件机械应力波的试验研究作者:李孟川孟志强胡毅王俊何泽邹翔焦文豪欧阳红林来源:《湖南大学学报·自然科学版》2019年第04期摘; ;要:通过测试电路与数字滤波技术,探究了一种电力电子器件关断机械应力波的测量方法;通过信号处理与频谱分析得到了机械应力波的时域和频域特征参数,如幅值、峰峰值、峰值频率和频率范围.研究结果表明:合理设置采样阈值和阻带频率能够测量机械应力波;IKW40T120型IGBT器件在关断40 A电流时,关断机械应力波的幅值为5.2 mV、峰峰值为9.6 mV,时域波形约持续100 μs且振幅衰减,其幅值频谱明显存在3个频率段,分别为20~100 kHz、150~200 kHz和290~310 kHz,每个频率段具有1个峰值频率点,分别为54 kHz、163 kHz和299 kHz,几乎呈现1倍、3倍、5倍频关系,三峰值频率点对应的峰值差异较大,分别为1.24 mV、0.69 mV和0.36 mV.关键词:电力电子器件;关断过程;机械应力波;状态监测;可靠性中图分类号:TN32;TB52 ; ; ; ; ; ; ; ; ; ;文献标志码:AExperimental Study of Mechanical Stress Wavein Power Electronics DeviceLI Mengchuan1,MENG Zhiqiang1,HU Yi1,WANG Jun1,HE Yunze1,2,ZOU Xiang1,JIAO Wenhao1,OUYANG Honglin1(1. College of Electrical and Information Engineering,Hunan University,Changsha 410082,China;2. Fujian Province University Key Laboratory of Nondestructive Testing,Fuqing Branchof Fujian Normal University,Fuqing 350300,China)Abstract:This paper studied a method for measuring the mechanical stress wave in power electronic device by means of test circuit and digital filtering technology. Time domain and frequency domain characteristic parameters of mechanical stress wave,such as amplitude,peak-to-peak,peak frequency,and frequency range,were obtained through signal processing and spectrum analysis. The research results show that the mechanical stress wave can be measured by setting the sampling threshold and stopping the band frequency reasonably. When a current of 40 A inIKW40T120 IGBT device is turned off,the mechanical stress wave continues to decay for 100 μs,and its amplitude and peak-to-peak value are 5.2 mV and 9.6 mV,respectively. The amplitude spectrum clearly has three frequency segments that are 20~100 kHz,150~200 kHz and 290~310 kHz. Each frequency segment has one peak frequency point,which is 54 kHz,163 kHz and 299 kHz,respectively,showing almost 1,3 and 5 octave relationship. The peaks corresponding to three peak frequency points differ greatly,which are 1.24 mV,0.69 mV and 0.36 mV,respectively.Key words:power electronics device;turn-off process;mechanical stress wave;condition monitoring;reliability电力电子器件和模块在电气节能、新能源发电、电力牵引、智能电网等领域得到了广泛的应用,对国民经济发展起着重要作用[1].电力电子器件和模块发生故障或性能退化,会对电力系统和使用电力电子设备的系统正常运行构成危害,并带来巨大的经济损失.因此,高效、简洁、实时的电力电子器件与模块状态监测技术是保障电力电子设备可靠性的重要方式.近年来,电力电子设备应用的迅猛发展对检测技术提出了一些特殊的要求,主要体现为快速检测[2]、非侵入式检测[3]、实时在线检测[4]方面.国内外专家和学者越来越重视电力电子器件和模块的可靠性研究,对器件和模块的状态监测开展了大量的研究,研究成果主要集中在电力电子器件内部电、磁、热应力信息特征参数的提取.电应力信息的提取方法包括直接提取法和间接提取法[5],直接提取法[6-7]是直接检测电力电子器件关键位置的电压或者电流值,实现截压、截流控制及过压、过流保护,不能评估电力电子器件和模块的状态,特别是老化问题,且器件越多,所需要的檢测点越多,使实际电路较为复杂;间接提取法[8]对测量的电信号进行数据处理,利用处理后的信号判断电力电子器件的故障状态,该方法数据处理方式复杂,不利于硬件实现,大部分工作尚处于仿真阶段.磁应力信息的提取方法[9-10]利用巨磁阻效应,借助内埋于器件和模块内部的巨磁阻磁场传感器以及磁场信号来获取电流和温度信号,检测效果高度依赖于激励频率并且需要改造器件和模块的内部结构.热应力信息的提取方法包含光学非接触式测量法、物理接触式测量法、热敏感电参数法、热阻抗模型法等[11].其中,光学非接触测量法[12]一般采用红外热像仪来测量器件和模块内部的结温,需要打开器件和模块的封装,难以实现在线检测;物理接触式测量法[13]通常在器件和模块内部预埋热敏电阻来测温,响应速度慢,需要改变器件和模块的结构;热敏感电参数提取法[14- 15]利用与电力电子器件结温密切相关的电学特性来间接测量器件的结温,不适用于对结温要求精确测量的场合;热阻抗模型预测法[16]通过仿真技术,利用器件的功耗和热阻模型来计算芯片的结温,只能预测器件正常工作状态下的结温变化,不能反映器件老化带来的测量误差.上述方法难以同时满足快速、非侵入和实时在线检测的需求,不利于保障和提升电力电子器件与模块的可靠性.声发射是材料内局域源能量快速释放而产生瞬态弹性波的现象,声发射信号能够表征材料的缺陷和物理特性[17],因而可以用来评判发射源的状态.声发射检测技术具有快速、非侵入式和实时在线检测等特点,在石油、化工、电力和航空航天等领域得到了广泛的研究和应用[18].电力系统及新能源发电系统是声发射检测技术的一个主要应用领域,如绝缘子污秽放电检测[19]、高压电气设备局部放电检测[20]、风机叶片健康状态检测[21].国外学者在近几年内提出并开展了基于声发射检测技术的电力电子器件与模块状态监测的研究,寄希望于探索电力电子器件与模块在关断和短路故障时出现声发射信号(本文中称为“机械应力波”)的机理,探索一种能够快速、非侵入、可靠监测电力电子器件与模块状态的在线实时检测方法.芬兰拉普兰塔理工大学K?覿rkk?覿inenal等人[22]利用测试电路和声发射传感器检测了绝缘栅双极型晶体管(IGBT)器件关断过程产生的机械应力波,通过机械应力波传播时延与传感器和功率模块间距离的关系,证明了机械应力波信号来自IGBT器件内部;K?覿rkk?覿inenal等人[23]通过短路测试电路和声发射传感器探测到IGBT器件门-射极短路和集-射极短路时出现的机械应力波,发现了两种与短路失效模式相关的机械应力波;德国开姆尼茨工业大学Muller等人[24]根据IGBT模块关断过程能够产生机械应力波这一现象,借助功率循环测试电路和声发射测量系统,提取了IGBT模块老化时产生的机械应力波,发现IGBT模块的性能退化使关断机械应力波在50~150 kHz频率范围内幅值变小.可以看出,机械应力波能够有效反映电力电子器件与模块内部的相关状态,具有进一步研究的意义与价值.本文通过测试电路与数字滤波技术,探究了电力电子器件关断机械应力波的测量方法,获取了IGBT器件关断过程产生的机械应力波;通过信号处理与频谱分析得到了相应机械应力波的时域和频域特征参数,进一步验证了IGBT器件的关断过程能够产生机械应力波这一现象,为后续电力电子器件机械应力波的产生机理研究奠定了试验基础.1; ;试验设计1.1; ;试验机理IGBT是双极性功率器件,电子和空穴同时参与导电.关断过程中,空穴和电子从漂移区内抽出,使空穴电流和电子电流同时减小并相互作用,引起IGBT器件内部电磁相互作用并产生电磁应力(安培力或洛伦兹力),使IGBT芯片出现机械振动,这种机械振动可能成为IGBT 器件关断时的声发射源.; ; ; ; ; ; ; ; ;1.2; ;机械应力波的状态监测方法基于机械应力波的电力电子器件与模块的状态监测方法如图1所示,使用声发射测量仪和由压电声发射传感器与前置放大电路构成的测试电路获取电力电子器件和模块的机械应力波,使用频谱分析、数字滤波等信号处理技术提取机械应力波的特征参数,采用人工神经网络等智能方法建立特征参数与器件和模块状态的对应关系,利用这些对应关系反演电力电子器件和模块的状态,评估电力电子器件和模块的性能.本试验旨在提取电力电子器件的关断机械应力波,获取其特征参数.1.3; ;测试电路和试验装置测试电路如图2(a)所示,由DC100 V直流电源、储能电容、负载电感、IGBT器件和快恢复二极管FRD组成.IGBT测试器件的型号为IKW40T120,额定工作电压1 200 V,额定工作电流40 A;储能电容C由6个10 mF的电容器3串联2并联构成,等效电容值为6.67 mF,由直流电源通过100 Ω电阻R充电,在IGBT导通期间,向150 μH的负载电感L放电.IGBT器件的驱动信号和集电极电流波形如图2(b)和图2(c)所示,控制IGBT器件的开通时间Ton 可控制IGBT的关断电流.试验中,IGBT的驱动信号UGE为15 V的单脉冲,脉冲宽度Ton为60 μs,IGBT导通期间,负载电感线性充磁,负载电流为40 A时关断IGBT,负载电感的储能通过快恢复二极管释放,避免产生大的感生电动势击穿IGBT.试验装置如图3所示,采用ASMY-6型声发射测量仪和VS-45H型声发射压电传感器测量IGBT器件的关断机械应力波,VS-45H型传感器测量带宽为20~450 kHz.试验前将传感器通过耦合剂贴在IGBT器件封装上.通过测试发现,试验现场的环境噪声为64 dB,故采样阈值设置为70 dB.2; ;试验结果与分析2.1; ;试验结果试验中,手动设置了5次触发脉冲.5个脉冲触发完成后获得了对应的机械应力波,幅值约为85 dB(滤波前).图4给出了5个脉冲对应的机械应力波(A~E),可以看出机械应力波与时间的关系,机械应力波A与B的时间间隔为26 s,机械应力波B与C的时间间隔为32 s,机械应力波C、D、E间的时间间隔约为40 s.图中,机械应力波A~E由IGBT器件的关断过程产生,机械应力波F由测试现场干扰产生,其幅值略低于检测阈值且密集出现.2.2; ;噪声分析与抑制图5(a)和5(b)分别给出了噪声F的时域波形和频谱分量,可以看出噪声的幅值为2.5 mV,频率组份较为简单,主要集中在112~116 kHz.因此在处理机械应力波A~E时,采用带阻数字滤波器来抑制噪声,阻带频率设置为105~120 kHz.2.3; ;关断机械应力波分析图6展示了机械应力波A~E(已通过带阻滤波器滤除噪声)的时域波形,横坐标的零点表示机械应力波事件开始的时刻.可以看出A~E 五个机械应力波的时域波形高度相似且呈衰减震荡状,其持续时间在105~110 μs范围内、幅值为5.2 mV、峰峰值为9.6 mV.这是由于A~E 五个机械应力波由同一IGBT器件的关断过程产生,且關断电流大小相等,测量系统相同.對机械应力波A~E进行傅里叶变换,得到其频率分量.机械应力波采样频率fs为5 MHz,机械应力波A~E的数据长度N为552.图7显示了机械应力波A~E的幅频特性曲线,发现其幅频特性曲线相似,具有3个峰值频率点,分别为54 kHz、163 kHz和299 kHz,呈现出接近1倍、3倍、5倍频的关系;峰值频率点的幅值差异较大,分别为1.24 mV、0.69 mV和0.36 mV.此外,还发现机械应力波A~E的频率范围相同,且具有3个可明显区分的频率段,分别为20~100 kHz、150~200 kHz和290~310 kHz,并在第一个频率段存在3个明显的频率分量,其幅值是线性衰减的.2.4; ;小结测试现场存在噪声(112~116 kHz,2.5 mV),通过带阻数字滤波技术可以滤除该噪声,从而得到IGBT器件关断过程产生的机械应力波.对测量的关断机械应力波进行时域和频域分析后,如表1所示,发现其时域和频域特征高度相似,机械应力波A~E的幅值(绝对值最大值)为5.2 mV、峰峰值为9.6 mV、峰值频率为54 kHz、163 kHz和299 kHz,频率范围为20~100 kHz、150~200 kHz和290~310 kHz,进一步验证了IGBT器件的关断过程能够产生机械应力波.3; ;结; ;论本文使用测试电路和声发射测量仪提取了IGBT器件关断时产生的机械应力波,并对关断机械应力波进行了带阻滤波、时域分析和频域分析,得出了以下结论:1)同一IGBT器件在同一状态(未老化)下关断相同大小的电流,机械应力波的特征参数(幅值、峰峰值、峰值频率、频率范围)高度相似,进一步验证了IGBT器件的关断过程会产生机械应力波.2)测试现场存在噪声,通过设置声发射测量仪的采样阈值并使用数字滤波技术,可以降低噪声对IGBT器件机械应力波测量的影响.3)IKW40T120型IGBT器件在关断40 A电流时,关断机械应力波的幅值为5.2 mV、峰峰值为9.6 mV,其幅频特性曲线具有3个峰值频率,分别为54 kHz、163 kHz和299 kHz,其频率范围为20~100 kHz、150~200 kHz和290~310 kHz.参考文献[1]; ; 赵争鸣,袁立强,鲁挺,等.我国大容量电力电子技术与应用发展综述[J].电气工程学报,2015,10(4):26—34.ZHAO Z M,YUAN L Q,LU T,et al. 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