Байда В. Д. Методи та інформаційна технологія діагностування відмов у напівпровідникових перетворювачах електроенергії на основі цифрових двійників

У дисертаційній роботі розв’язано важливе наукове завдання підвищення ефективності онлайн-виявлення та ідентифікації відмов у напівпровідникових перетворювачах електроенергії шляхом розроблення нових методів та інформаційної технології діагностування на основі цифрових двійників, що забезпечують автоматизовану діагностику дефектів компонентів в онлайн-режимі без необхідності вимірювань працездатності окремих елементів пристрою. Запропонований підхід поєднує метаевристичну оптимізацію для ідентифікації паразитних параметрів компонентів як складових математичної моделі (калібрування цифрового двійника під конкретний екземпляр пристрою), якісний аналіз відхилень вихідних сигналів для локалізації несправностей та технології дистанційних лабораторій для експериментальної верифікації. У першому розділі виконано аналіз сучасних підходів до діагностики електронних пристроїв, зокрема методів на основі вбудованого самотестування, сигнатурного аналізу та машинного навчання. Розглянуто концепцію цифрових двійників як інструменту діагностики, проаналізовано методи побудови цифрових двійників та ідентифікації параметрів моделей силових електронних перетворювачів. Досліджено сучасний стан технологій дистанційних лабораторій та їхній потенціал для верифікації діагностичних систем. Виявлено основні обмеження існуючих підходів. Сформульовано мету і виконано постановку задач дослідження. У другому розділі розроблено новий інтегрований метод онлайн-діагностування напівпровідникових перетворювачів електроенергії на основі цифрового двійника. Метод базується на представленні вхідних та вихідних параметрів пристрою у вигляді векторів і формуванні таблиці відповідності між відхиленнями вихідних сигналів від еталонних та можливими причинами несправностей. Еталонні значення отримуються за допомогою цифрового двійника, відкаліброваного під конкретний екземпляр пристрою. Запропоновано підхід із дискретними станами відхилень, що забезпечує стійкість до шумів вимірювань та низькі вимоги до обчислювальних ресурсів на етапі експлуатації, оскільки всі ресурсомісткі обчислення виконуються на етапі ініціалізації системи. Систематизовано чотири основні методи генерації таблиць відповідності: систематичного моделювання, аналітичного виводу, формалізації експертних знань та експериментальний метод, а також гібридний підхід, який за результатами якісного порівняння рекомендується для практичних застосувань. У третьому розділі обґрунтовано вибір генетичного алгоритму для розв’язання задачі ідентифікації паразитних параметрів силового перетворювача постійного струму для калібрування його цифрового двійника. Запропоновано визначати еталонний сигнал для калібрування за критерієм рівновіддаленості його показників від граничних значень експериментальної вибірки, завдяки чому відхилення відкаліброваної моделі є симетричними і безпосередньо використовуються як початкові пороги діагностування. Проведено порівняльний аналіз градієнтних методів, методу оптимізації рою частинок, алгоритму «сірого вовка» та генетичного алгоритму. Сформульовано математичну модель задачі ідентифікації як задачу глобальної мінімізації відхилення між виходами моделі та реального пристрою. Введено підхід із логарифмічним кодуванням генів, що забезпечує ефективне оброблення параметрів, які охоплюють до 9 порядків величини. Апробовано метод на перетворювачі постійного струму з ідентифікацією семи паразитних параметрів на основі експериментальних вимірювань. У четвертому розділі отримали подальший розвиток технологічні підходи до формування архітектури дистанційних інженерних лабораторій: розроблено метод багатокритеріального порівняльного аналізу інформаційних технологій їх побудови, що дає змогу перейти від емпіричного до науково аргументованого вибору технологічної платформи. Запропоновано систему з шести критеріїв із обґрунтованими ваговими коефіцієнтами: рівень технологій, оновлення та підтримка, можливість інтеграції з LMS, простота архітектури, швидкодія в режимі реального часу та простота конфігурації. У п’ятому розділі виконано експериментальну валідацію запропонованих методів. Розроблено метод порівняння інформаційних технологій бекенду для взаємодії з LabDiscoveryEngine, завдяки чому кількісно обґрунтовано вибір програмної платформи для реалізації дистанційної лабораторії. Розроблено програмно-апаратний комплекс дистанційної лабораторії силової електроніки на основі технології LabDiscoveryEngine для напівпровідникових перетворювачів постійного струму. Реалізовано інтеграцію цифрового двійника, побудованого з використанням PySpice та Ngspice, із системою діагностики на основі запропонованого методу. Отримані результати мають практичне значення, оскільки запропоновані інформаційні технології та методи можуть бути використані для побудови систем автоматизованої діагностики та предиктивного технічного обслуговування силових електронних перетворювачів, а також як базова архітектура для створення дистанційних лабораторій електронного спрямування.