风电变流器ESS技术研究

王婷 1，王新泽 2，初蕊 3，姚明 4

摘 要：环境应力筛选作为产品制造过程的工序之一，其目的在于鉴别和剔除由于不良零部件、元器件工艺缺陷和其它原因所引起的早期故障，从而提高出厂质量，确保现场的调试效率。在工业批产的情况下，如何高效的开展环境应力筛选是一项技术难题，本文以风电变流器产品为基础进行分析统计建模，依托实际产品运行的故障情况，提出产品的不足及亟需改善的环节。

关键词：环境应力筛选，早期故障，风电变流器

0 引言^

环境应力筛选（Environment Stress Screening，简称 ESS），是一种通过施加环境应力，迅速暴露产品中存在的工艺、元器件缺陷，又不致影响正常产品性能和寿命的一种工艺。环境应力筛选的目的主要是剔除设计（MIL-HDBK-2164A筛选目的中增加了设计缺陷，并把应用范围从电子产品扩大到光电、机电、电化学产品，从在研产品扩大到备件、大修件、外购件等）、工艺、元器件选型等缺陷，提高产品的使用可靠性，并为改进产品设计、工艺提供依据。

ESS主要源于20世纪60年代美国阿波罗的强化环境试验的总结，其应用从最初的航天工业推广到整个国防军工行业，并逐步扩展至通讯、家电、制造等民用行业，我国自80年代由北京强度环境研究所引入ESS的概念，并主编了GJB1032。如何在工业产品中进行有效的环境应力筛选是一项值得研究的工作。

1 ESS原理

应力筛选原理可用应力环境干涉理论阐明如下：

一般产品的故障率均服从于环境应力耐环境强度干涉理论，按照某一强度要求设计的产品设其耐环境强度S服从正态分布，图1中用概率PS表示，而设产品使用中经受到的环境应力E亦呈正态分布，图1中用概率PE表示。

当产品耐受环境强度S远大于使用环境应力E时，两个分布的重叠区极小即耐环境强度S小于使用环境应力E的概率较小，此时产品是较安全的。

因此，设计上应力图使两曲线分开，以提高产品的可靠性。实际上，这样的目标由于经济上和客观条件的限制是不易实现的。

常见的情况是两条曲线有部分重叠，见图1a中的阴影区。该阴影区表明，产品中有一部分耐受环境强度的能力小于使用中实际能遇到的环境应力。这些薄弱部分很可能在使用条件下被激发而发展成为故障。

图1

环境应力筛选，是在产品出厂前，先给产品施加一远高于环境应力均值的筛选应力，迫使产品中耐环境应力能力小于所施加的环境应力的薄弱部分，提前以故障形式暴露出来，并加以修复，使交付产品中各部分耐环境的能力均大于施加的环境筛选应力，从而使图1b中阴影区的面积大大缩小，扩大了安全范围，提高了产品在实际使用环境中的可靠性。

2 环境应力的种类及选择

用于筛选的环境应力，有随机振动、温度循环、功率循环、高温等，各种文献均指出温度循环及随机振动是最有效的两种应力。

3环境应力筛选的种类

一般可分为常规筛选和定量筛选，几种常见应力定量筛选的数学模型如下：

1. 热循环筛选应力的数学模型：

热循环应力强度 可按下式计算：

式中：

18. -温度范围，单位为摄氏度（℃）

V--温变率，单位为摄氏度每分钟（℃/min）；

N--热循环次数；

e--自然对数。

2. 随机振动筛选应力的数学模型：

随机振动的筛选度 可按下式计算：

式中：

--加速度均方根值

--筛选时间，单位为分钟（min）。

3. 恒定高温筛选应力的数学模型：

恒定高温的筛选度 可按下式计算：

式中：

R--高温温度与室温之差（室温一般取25℃）；

t--恒定高温持续时间，单位为小时（h）。

4环境应力筛选实施的等级

产品组装等级一般分为4个层级，即元器件级、组件级、单元级和设备级（系统级）。

由于任何一级组装和加工都会产生新的引入缺陷，任何一级上的筛选都不能代替高一等级上进行的筛选。为了保证能够彻底地消除早期故障，应在各个组装等级安排环境应力筛选，随着组装等级的提高，其筛选检出度将降低，而筛选成本亦会随着提高。只有从低层次到高层次各级产品都进行环境应力筛选， 才能保证整机产品的可靠性。一般环境应力筛选也应尽量在低层次产品上进行。但在每个产品组装等级上均安排进行的话，对于一般的工业品而言，在费用和生产周期上是不可承受的，这就需要在设计ESS 大纲时，结合产品指标、维修策略、质保策略、成本优化等制订合理的筛选策略。

5风电变流器厂家出厂筛选情况

考虑到实际应用情况，部分应力无法实施，如振动等，同时考虑到产品的质量惯性较大，温度循环也不切实际，目前主型厂家大部分都选择了功率考核或者高温功率考核的形式。

6风电变流器典型出厂筛选方案的实施

针对风电变流器产品特点，采用整机常规筛选，不针对某一部件，筛选方案。

根据该方案实施的前100台产品的筛选发挥了较大功效，拦截了断路器漏油的批量物料故障，以及其他分散故障。

通过对故障数据的统计和分析，筛选时间可以进行缩短或者延长。

7结论

本文通过对ESS原理、种类、应力的种类和等级的分析，并结合了目前业界的主型风电变流器厂家的实施情况，论述了一种效果较好、易实施的整机动态老化方法，在实际实施过程中可以提前暴露一些早期问题，ESS已经成为确保产品可靠性的必要出厂流程，随着ESS技术的应用，将会为企业带来长远的利益。

参考文献:

1. 陈丹明.赵书平著.环境应力筛选(ESS)应力参数的确定及其考虑因素 [J]. 装备环境工程. 2006 (01)

2. 杨咏著.产品环境应力筛选方法研究 [J].机电设备.2007-09-15 .

3. 李根成 著.环境应力筛选与应力激发试验 [J].装备环境工程.2005-08-15.

4. 林彬著.环境应力筛选有关问题的探讨 [J].电子产品可靠性与环境试验.2000-10-22

5. 张利军著.环境试验与环境应力筛选试验辨析[J]机械管理开发.2011-12-15

6. 陈莉著.环境应力筛选和环境试验[J].声学与电子工程.2007 (04)

作者简介：王婷（1980-）女，高级工程师，研究方向：变流技术。

1收稿日期：2021-12-16

作者简介：王婷（1980-）女，高级工程师，研究方向：变流技术。

2

3

4



3