国产精品不卡在线,精品国产_亚洲人成在线高清,色亚洲一区,91激情网

近年來，中國城市軌道交通發(fā)展迅速，隨著城市軌道交通運(yùn)營里程的增加，列車各部件的故障率也隨之增加。作為城軌車輛的關(guān)鍵子系統(tǒng)，牽引變流器的可靠性直接影響列車運(yùn)行的安全性和穩(wěn)定性。因此，必須確保牽引變流器能夠長時(shí)間無故障運(yùn)行。根據(jù)工業(yè)調(diào)查，絕緣柵雙極性晶體管（Insulated Gate Bipolar Transistor, IGBT）是電力電子變換器中最易受損的器件。因此，研究牽引變流器中IGBT模塊的可靠性具有重要意義。

可靠性是指功率器件能夠長時(shí)間無故障運(yùn)行的能力。過去，大多數(shù)電力電子器件的可靠性信息是從失效產(chǎn)品的統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)中獲得的。 通過上述可靠性信息，構(gòu)建了基于經(jīng)驗(yàn)的數(shù)據(jù)手冊(cè)，例如，Military- Handbook-217F，并以此作為預(yù)測(cè)電力電子變換器壽命的基礎(chǔ)。

這種壽命預(yù)測(cè)的方法均是基于假設(shè)——器件的故障率是恒定的指數(shù)分布。由于該方法無法反映運(yùn)行工況對(duì)器件壽命的影響，因此是不準(zhǔn)確的，并且其無法反映IGBT具體的失效原因和失效機(jī)理。實(shí)際上，IGBT模塊的運(yùn)行狀態(tài)取決于牽引電機(jī)的輸出功率，這會(huì)在很大程度上影響IGBT模塊的失效率。

近年來，主要有兩種方法應(yīng)用于IGBT的壽命預(yù)測(cè)：一種是基于IGBT的端部特性，即采用VCE_ON、VGE、IC、TON/TOFF等電氣參數(shù)進(jìn)行IGBT的壽命預(yù)測(cè)；另一種是基于任務(wù)剖面的方法，即根據(jù)IGBT的運(yùn)行狀態(tài)計(jì)算IGBT承受的應(yīng)力，從而預(yù)測(cè)IGBT的壽命，此方法考慮了IGBT應(yīng)用的電路拓?fù)浜凸ぷ鳁l件。前一種方法需要大量高精度傳感器來測(cè)量可以反映IGBT退化狀態(tài)的電氣參數(shù)，其應(yīng)用于城軌車輛牽引變流器是不實(shí)際的。

目前，由于大多數(shù)風(fēng)力發(fā)電機(jī)是無人值守的，因此，在風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)中，基于任務(wù)剖面的IGBT壽命預(yù)測(cè)得到了廣泛的研究。此外，風(fēng)電變換器的檢查和維護(hù)成本很高，尤其是隨著海上風(fēng)電的興起。因此，有必要確保風(fēng)力發(fā)電變換器可以在規(guī)定的時(shí)間內(nèi)無故障運(yùn)行。

有學(xué)者提出了基于任務(wù)剖面的風(fēng)力發(fā)電機(jī)IGBT模塊壽命預(yù)測(cè)方法。通過該方法，使變換器的應(yīng)用條件與可靠性性能緊密結(jié)合，從而更準(zhǔn)確地評(píng)估和預(yù)測(cè)IGBT的壽命。有學(xué)者為了解決現(xiàn)有模型在一定時(shí)間范圍內(nèi)受限制的問題，根據(jù)電力電子變換器的負(fù)載行為提出了多時(shí)間尺度建模，包括電路級(jí)、系統(tǒng)級(jí)和環(huán)境級(jí)建模，從而能夠比較完整地映射出IGBT的負(fù)載信息，有助于更準(zhǔn)確、更快速地預(yù)測(cè)IGBT的壽命。

基于任務(wù)剖面的IGBT壽命預(yù)測(cè)已經(jīng)廣泛應(yīng)用于風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)，該應(yīng)用場(chǎng)景下IGBT的熱應(yīng)力隨風(fēng)速和環(huán)境溫度的變化而隨機(jī)變化。對(duì)于城軌車輛牽引變流器中的IGBT模塊，熱應(yīng)力通常是周期性的。因此，多時(shí)間尺度建模方法在牽引變流器IGBT壽命預(yù)測(cè)中的應(yīng)用意義并不明顯。

在牽引變流器中，IGBT壽命預(yù)測(cè)的關(guān)鍵是準(zhǔn)確度，從而可以為牽引變流器的設(shè)計(jì)、運(yùn)行和維護(hù)提供指導(dǎo)。有學(xué)者將VCE_ON的初始值增加5%作為壽命終止（End of Life, EOL）的標(biāo)準(zhǔn)，然后驗(yàn)證了基于任務(wù)剖面的IGBT壽命預(yù)測(cè)的準(zhǔn)確性。

基于任務(wù)剖面的IGBT壽命預(yù)測(cè)可應(yīng)用于牽引變流器的設(shè)計(jì)和運(yùn)行階段。在設(shè)計(jì)階段，通過預(yù)測(cè)IGBT的使用壽命來確定其是否滿足可靠性要求。在運(yùn)行階段，計(jì)算出IGBT的累積損傷程度和預(yù)期使用壽命，可以指導(dǎo)牽引變流器的維修和更換。此外，可以優(yōu)化車輛在具體線路上的運(yùn)行控制方式，從而延長IGBT模塊的使用壽命，提高牽引變流器的可靠性和可用性。

北京交通大學(xué)電氣工程學(xué)院的研究人員將基于任務(wù)剖面的IGBT壽命預(yù)測(cè)方法應(yīng)用于城軌車輛牽引變流器。該方法將IGBT的可靠性性能評(píng)估與實(shí)際運(yùn)行條件相結(jié)合，從而為變流器的設(shè)計(jì)和控制優(yōu)化提供基礎(chǔ)。

圖1 牽引變流器IGBT模塊壽命預(yù)測(cè)

他們分析了牽引變流器控制方法對(duì)IGBT壽命的影響。通過仿真比較了不同運(yùn)行區(qū)間下IGBT的功率損耗和穩(wěn)態(tài)結(jié)溫。在恒轉(zhuǎn)矩區(qū)，IGBT的導(dǎo)通損耗Pcond隨著電機(jī)轉(zhuǎn)速的增大而增大，而在方波區(qū)，導(dǎo)通損耗Pcond則減小。開關(guān)損耗Psw在恒轉(zhuǎn)矩區(qū)下變化不大，在方波區(qū)隨著電機(jī)轉(zhuǎn)速的增大而增大。與恒轉(zhuǎn)矩區(qū)相比，方波區(qū)的開關(guān)損耗Psw更低。

研究人員設(shè)計(jì)了以可靠性為導(dǎo)向的牽引變流器控制策略。對(duì)于牽引變流器，有三種主動(dòng)熱控制方法可以實(shí)現(xiàn)可靠性導(dǎo)向的控制。其中，系統(tǒng)控制級(jí)的ATC是相對(duì)較好的實(shí)現(xiàn)方法，它是根據(jù)線路條件優(yōu)化運(yùn)行曲線得到的。本研究采用遺傳算法優(yōu)化得到了運(yùn)行曲線，從而延長了IGBT的使用壽命。

本文編自2021年《電工技術(shù)學(xué)報(bào)》增刊2，論文標(biāo)題為“可靠性導(dǎo)向的城軌車輛牽引變流器控制策略”，作者為林帥、方曉春 等。