鐵路空調(diào)客車逆變器失效分析及智能化故障自動診斷系統(tǒng)的研究

周彬

摘 要：本文分析了在車載使用環(huán)境下，逆變器部件的失效模式，提出研究智能化的逆變器故障自動診斷系統(tǒng)，對于提高逆變器故障檢修的效率與準(zhǔn)確度具有十分重要的意義。

關(guān)鍵詞：逆變器失效模式；智能化；自動診斷系統(tǒng)

1 前言

隨著鐵路提速的不斷進行及運行圖的優(yōu)化，快速空調(diào)列車的增開，不僅帶來了逆變器在數(shù)量上的空前增長，同時故障機組也相應(yīng)增多，這給逆變器的維護與故障檢修帶來了更嚴(yán)格的要求。目前對客車逆變器檢修大都采用人工檢修的辦法。但檢修的質(zhì)量受到檢修人員的智力和經(jīng)驗的制約，容易導(dǎo)致誤檢，從而增加檢修成本與降低工作效率，帶來列車運行中間的不安全因素。利用人工智能中的專家系統(tǒng)技術(shù)來建造客車空調(diào)逆變器的故障診斷系統(tǒng)，可以充分利用工程師與技術(shù)員長期積累起來的經(jīng)驗和知識，使診斷技術(shù)為一般的維護人員所掌握和使用，這對于保證設(shè)備安全可靠運行、提高故障診斷的準(zhǔn)確性和迅速性，以及降低維修成本具有重要的現(xiàn)實意義。

2 逆變器結(jié)構(gòu)及其失效原因

為了合理放置逆變器故障診斷系統(tǒng)的信號測點，進行有效的故障征兆信息的提取，以當(dāng)前在鐵路空調(diào)客車中使用的主流逆變器TGN系列為例，分析逆變器的功能以及其失效原因。

2.1 逆變器整體結(jié)構(gòu)

從其結(jié)構(gòu)來分，TGN系列逆變器可分為控制模塊、電源模塊、IGBT主電路模塊、連接部件等幾大塊。

2.2 弱電半導(dǎo)體器件失效

（1）濕度失效。由于南北溫差和天氣的影響，水氣易進入半導(dǎo)體器件封裝內(nèi)部，從而導(dǎo)致半導(dǎo)體器件的抗潮性變差。當(dāng)塑封中的水分含量到達一定程度時，生成了Al（OH）3即失效半導(dǎo)體器件上常見的“白毛”。同時，在外加電場作用下，產(chǎn)生極化效應(yīng)，相應(yīng)在半導(dǎo)體芯片表面感應(yīng)出符號相反的電荷，形成溝道，對器件性能產(chǎn)生影響。（2）過電應(yīng)力失效。電浪涌，也稱電瞬變，指的是隨機地短時間電壓電流沖擊。逆變器所處的工作環(huán)境中電浪涌現(xiàn)象尤為嚴(yán)重，由于電力機車分段供電，兩區(qū)段之間存在無電的分相區(qū)，高速列車頻繁經(jīng)歷通斷電過程，造成電浪涌。（3）靜電損傷失效。靜電損傷更多產(chǎn)生于逆變器的生產(chǎn)、封裝、實驗、運輸、調(diào)試檢修、維護等時間。塑料與高分子材料導(dǎo)致環(huán)境中靜電荷的積累現(xiàn)象日益嚴(yán)重，同時半導(dǎo)體器件趨于高速化、高集成度、微功耗，這使得它對于靜電損傷更敏感，這種放電將導(dǎo)致器件損傷。（4）機械過應(yīng)力失效。逆變器隨車運行，處于不停的沖擊運動之中，電路板的彈性形變將會在器件的引腳上產(chǎn)生額外的機械應(yīng)力，這種額外應(yīng)力將可能引起器件焊接的脫落、引腳的斷裂或者器件內(nèi)部引線出現(xiàn)問題。（5）溫度失效。半導(dǎo)體材料本身對溫度十分敏感，在一定范圍內(nèi)，溫度上升引起的是半導(dǎo)體器件的工作性能下降，如放大器直流工作點偏移、輸出信號失真、放大性能改變。

2.3 電力半導(dǎo)體器件失效

逆變器使用的PSD為IGBT器件，其失效的主要原因是IGBT的失效。由于實際制造工藝水平的限制，很難使每個IGBT元胞的物理特性均勻一致，結(jié)果造成元胞的分流不均，一部分元胞電流密度過大，處于持續(xù)過載狀況下，從而最終導(dǎo)致IGBT模塊整體失效。

（1）引線故障失效。引線焊接通常被認為是元件封裝中最薄弱的環(huán)節(jié)之一，常見由引線引發(fā)的IGBT模塊失效有：引線脫落，引線的電遷移。引線的電遷移失效最終表現(xiàn)為金屬離子在金屬條一端堆積，另一端耗盡而出現(xiàn)短路或開路失效。（2）過電應(yīng)力失效。過電應(yīng)力將引起IGBT芯片局部過熱，其溫度超過硅片的熔點，從而導(dǎo)致IGBT模塊部分燒毀損傷。（3）溫度失效。逆變器IGBT的溫度失效可以分為過熱應(yīng)力失效與溫度疲勞失效。過熱應(yīng)力失效是指當(dāng)逆變器工作于嚴(yán)重過載狀態(tài)，或者在高溫排熱不良條件下工作時，IGBT模塊嚴(yán)重發(fā)熱。當(dāng)IGBT模塊工作在開關(guān)狀態(tài)時，IGBT模塊三明治結(jié)構(gòu)中各層材料的溫度失配將導(dǎo)致熱應(yīng)力的產(chǎn)生，從而使模塊焊料發(fā)生熱蠕變、熱疲勞失效及彎曲變形，長此以往，熱應(yīng)力導(dǎo)致的焊料層空洞及界面裂紋十分不利于模塊散熱并可能誘發(fā)器件過熱失效。

2.4 電容器失效

鋁電解電容器失效從性能上表現(xiàn)為電容器電性能測試無容量、漏電流大幅度上升、產(chǎn)品內(nèi)部芯包干涸、工作電解液揮發(fā)，個別嚴(yán)重的產(chǎn)品陽極引線條腐蝕、蓋板溶脹，電容器開路。這些失效幾乎都是由于在高頻環(huán)境下，電容器內(nèi)部發(fā)熱溫升大幅提高，引起電容器耐壓下降、工作電解液揮發(fā)、電容器內(nèi)部氣壓很大等結(jié)果所致。

2.5 接觸器失效

接觸器處于不斷的應(yīng)力沖擊之中，兼之溫度、油污、粉塵的影響，更容易造成其彈簧、接觸面等部件機械失效。

3 智能化逆變器故障自動診斷系統(tǒng)

逆變器故障診斷系統(tǒng)由基于DSP的數(shù)據(jù)采集子系統(tǒng)（下位機）與故障分析診斷子系統(tǒng)（上位機）兩部分組成，兩者之間通過串口進行數(shù)據(jù)傳輸。數(shù)據(jù)采集子系統(tǒng)在線采集反映逆變控制電路工作狀態(tài)的主要電量參數(shù)，以及逆變輸出電壓電流值等，上位機顯示逆變器運行的各數(shù)據(jù)，并根據(jù)內(nèi)建的專家系統(tǒng)，判斷逆變工作正常與否，若不正常，則根據(jù)判斷規(guī)則確定故障原因。

4 基于專家系統(tǒng)的逆變器故障診斷

4.1 逆變器故障定義及其分類

所謂逆變器系統(tǒng)故障，是指系統(tǒng)的運行處于不正常狀態(tài)（劣化狀態(tài)），即逆變器相應(yīng)的行為（輸出）超出容許范圍，使逆變器的功能低于規(guī)定的水平，這種劣化狀態(tài)稱為故障。在實際工程中，對于逆變器故障可以從不同的角度給出分類：（1）按發(fā)生時間歷程分為突發(fā)故障與漸進故障；（2）按存在時間歷程可分為永久性故障與間歇性故障；（3）按故障顯現(xiàn)狀況可分為潛在故障與功能故障；（4）按產(chǎn)生原因分，有內(nèi)部故障與外部故障。

逆變器故障診斷按如下步驟進行：（1）檢測逆變器的各種特征信號；（2）從檢測到的逆變器特征信號中提取征兆；（3）根據(jù)逆變器征兆信息識別逆變器狀態(tài)，獲得故障信息。

4.2 故障診斷專家系統(tǒng)

對設(shè)備的運行狀態(tài)進行診斷的技術(shù)幾乎是與設(shè)備的發(fā)明同時產(chǎn)生。最初設(shè)備的故障檢測與排除主要靠感官，簡單儀表和個人經(jīng)驗，我們稱之為傳統(tǒng)診斷技術(shù)。隨著現(xiàn)代工業(yè)及科學(xué)技術(shù)的迅速發(fā)展，生產(chǎn)設(shè)備日趨大型化，高速化，對于逆變器這樣的復(fù)雜系統(tǒng)而言，傳統(tǒng)的診斷技術(shù)效率低，誤診概率大，已經(jīng)遠遠不能適應(yīng)生產(chǎn)需要，設(shè)備一旦因故障停機，就將帶來經(jīng)濟損失。專家系統(tǒng)的出現(xiàn)，為故障診斷技術(shù)的自動化，智能化帶來了新的解決方案。

在逆變器故障診斷專家系統(tǒng)中，診斷知識來源于兩個方面：（1）技術(shù)文獻。例如逆變器設(shè)計資料、專業(yè)書籍、說明文檔、鐵路系統(tǒng)逆變器運行資料等。（2）逆變器檢修維護人員的經(jīng)驗與知識，逆變器設(shè)計生產(chǎn)人員的相關(guān)知識。專家系統(tǒng)開發(fā)研究的一個重要問題就是將專業(yè)領(lǐng)域的大量概念、事實、以及專家處理問題的各類啟發(fā)性知識，用某種方式描述出來，并按一定的知識表示形式將他們轉(zhuǎn)移到計算機中去。知識從外部知識源到計算機內(nèi)部的轉(zhuǎn)換過程通常稱為知識獲取。

5 總結(jié)

本文詳細闡述了引發(fā)空調(diào)列車逆變器故障的各種因素，分析了逆變器故障高發(fā)的原因。針對故障原因，在總結(jié)逆變器維修歷史數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上，確定了逆變器故障診斷應(yīng)提取的信號與征兆，并建立了一個逆變器故障診斷專家系統(tǒng)，該系統(tǒng)可在線監(jiān)測逆變器各種運行參數(shù)，進行初步的故障診斷，具有實用價值。

電力電子裝置的故障診斷是電力電子技術(shù)一個新的研究方向，在我國故障診斷的研究起步較晚，但經(jīng)過幾十年的發(fā)展，故障診斷技術(shù)已經(jīng)成當(dāng)前為學(xué)術(shù)研究的熱點，故障診斷理論和技術(shù)有了很大的發(fā)展，已經(jīng)提出了各種成熟的診斷方法，但仍有很多問題需要繼續(xù)進行深入研究，這些問題也是逆變器故障診斷技術(shù)所需要發(fā)展的方向。

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