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溫度是導(dǎo)致電力電子變流裝置功率器件故障與失效的主要原因，電力電子器件失效應(yīng)力源及檢修作業(yè)量分布如圖1所示。圖1a為導(dǎo)致功率器件失效的主要應(yīng)力源及所占的比例，可以看出，電力電子器件失效的主要應(yīng)力源為溫度應(yīng)力。因此，溫度對(duì)功率變流裝置的可靠性至關(guān)重要，溫度越高，其可靠性和耐久性就會(huì)越差。

散熱器作為變流器散熱的重要部件，其作用是將功率器件的熱量及時(shí)交換到外界，使功率器件運(yùn)行在正常的溫度范圍內(nèi)，保證功率器件的可靠運(yùn)行和使用壽命。但在長(zhǎng)期運(yùn)行中，外界環(huán)境中的污垢隨氣流進(jìn)入到散熱器風(fēng)道，使得散熱器散熱性能下降，最終導(dǎo)致功率器件運(yùn)行在高溫下，發(fā)生故障并失效。

圖1器件失效應(yīng)力源及檢修作業(yè)量分布

軌道交通領(lǐng)域?qū)α熊嚿崞鳡顟B(tài)的檢測(cè)手段大多采用人工定期巡檢維護(hù)的方法，此方法需要在列車停車時(shí)進(jìn)行，且存在定期巡檢的盲目性和人眼評(píng)估的不準(zhǔn)確性，經(jīng)常造成散熱器的“過維護(hù)”和“欠維護(hù)”問題，且浪費(fèi)大量的人力成本和維護(hù)成本。

圖1b為某雙饋?zhàn)兞髌鳈z修作業(yè)量分布，可以看出，散熱系統(tǒng)日常維護(hù)在檢修工作量中占據(jù)較高比重。因此，預(yù)測(cè)散熱器的性能是保證變流器可靠性和延長(zhǎng)電子器件壽命的重要工作之一，將極大地減少檢修維護(hù)工作量，大幅節(jié)約運(yùn)維成本。

北京交通大學(xué)電氣工程學(xué)院等單位的研究人員在以上研究的基礎(chǔ)上，針對(duì)現(xiàn)階段存在的不足，對(duì)散熱器性能的退化機(jī)理進(jìn)行理論分析，并基于變流器現(xiàn)有傳感器，提出一種散熱性能智能在線檢測(cè)模型，可實(shí)時(shí)檢測(cè)散熱器狀態(tài)，為運(yùn)維決策提供數(shù)據(jù)支持，實(shí)現(xiàn)散熱器的狀態(tài)檢修，節(jié)省大量的運(yùn)維成本。

圖2 散熱器狀態(tài)在線預(yù)測(cè)模型流程

他們指出，散熱器在復(fù)雜的環(huán)境中長(zhǎng)時(shí)間運(yùn)行，會(huì)導(dǎo)致其散熱性能的下降，其主要原因是污垢使得風(fēng)道內(nèi)的壓降呈指數(shù)增加，散熱風(fēng)扇P-Q曲線決定了風(fēng)扇所能提供的風(fēng)量，因此使得風(fēng)道內(nèi)的風(fēng)量呈指數(shù)下降，同時(shí)污垢相當(dāng)于隔熱層，兩部分原因使得散熱器的熱阻增加。

圖3 實(shí)驗(yàn)平臺(tái)實(shí)物

實(shí)驗(yàn)研究表明，散熱器的穩(wěn)態(tài)熱阻、熱容、熱時(shí)間常數(shù)與堵塞程度都呈指數(shù)關(guān)系，因此為散熱器的在線狀態(tài)預(yù)測(cè)提供可行方案，工程應(yīng)用中可以降低大量的運(yùn)維成本，代替離線式人工檢測(cè)，提高檢測(cè)效率。

本文編自2021年第20期《電工技術(shù)學(xué)報(bào)》，論文標(biāo)題為“電力電子變流裝置散熱器狀態(tài)智能預(yù)測(cè)方法”，作者為付和平、陳杰 等。