鐵路空調客車逆變器失效分析及智能化故障自動診斷系統的研究

周彬

摘 要：本文分析了在車載使用環境下，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，對于提高逆變器故障檢修的效率與準確度具有十分重要的意義。

關鍵詞：逆變器失效模式；智能化；自動診斷系統

1 前言

隨著鐵路提速的不斷進行及運行圖的優化，快速空調列車的增開，不僅帶來了逆變器在數量上的空前增長，同時故障機組也相應增多，這給逆變器的維護與故障檢修帶來了更嚴格的要求。目前對客車逆變器檢修大都采用人工檢修的辦法。但檢修的質量受到檢修人員的智力和經驗的制約，容易導致誤檢，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技術來建造客車空調逆變器的故障診斷系統，可以充分利用工程師與技術員長期積累起來的經驗和知識，使診斷技術為一般的維護人員所掌握和使用，這對于保證設備安全可靠運行、提高故障診斷的準確性和迅速性，以及降低維修成本具有重要的現實意義。

2 逆變器結構及其失效原因

為了合理放置逆變器故障診斷系統的信號測點，進行有效的故障征兆信息的提取，以當前在鐵路空調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 逆變器整體結構

從其結構來分，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，水氣易進入半導體器件封裝內部，從而導致半導體器件的抗潮性變差。當塑封中的水分含量到達一定程度時，生成了Al（OH）3即失效半導體器件上常見的“白毛”。同時，在外加電場作用下，產生極化效應，相應在半導體芯片表面感應出符號相反的電荷，形成溝道，對器件性能產生影響。（2）過電應力失效。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境中電浪涌現象尤為嚴重，由于電力機車分段供電，兩區段之間存在無電的分相區，高速列車頻繁經歷通斷電過程，造成電浪涌。（3）靜電損傷失效。靜電損傷更多產生于逆變器的生產、封裝、實驗、運輸、調試檢修、維護等時間。塑料與高分子材料導致環境中靜電荷的積累現象日益嚴重，同時半導體器件趨于高速化、高集成度、微功耗，這使得它對于靜電損傷更敏感，這種放電將導致器件損傷。（4）機械過應力失效。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生額外的機械應力，這種額外應力將可能引起器件焊接的脫落、引腳的斷裂或者器件內部引線出現問題。（5）溫度失效。半導體材料本身對溫度十分敏感，在一定范圍內，溫度上升引起的是半導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，處于持續過載狀況下，從而最終導致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節之一，常見由引線引發的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為金屬離子在金屬條一端堆積，另一端耗盡而出現短路或開路失效。（2）過電應力失效。過電應力將引起IGBT芯片局部過熱，其溫度超過硅片的熔點，從而導致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力失效與溫度疲勞失效。過熱應力失效是指當逆變器工作于嚴重過載狀態，或者在高溫排熱不良條件下工作時，IGBT模塊嚴重發熱。當IGBT模塊工作在開關狀態時，IGBT模塊三明治結構中各層材料的溫度失配將導致熱應力的產生，從而使模塊焊料發生熱蠕變、熱疲勞失效及彎曲變形，長此以往，熱應力導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為電容器電性能測試無容量、漏電流大幅度上升、產品內部芯包干涸、工作電解液揮發，個別嚴重的產品陽極引線條腐蝕、蓋板溶脹，電容器開路。這些失效幾乎都是由于在高頻環境下，電容器內部發熱溫升大幅提高，引起電容器耐壓下降、工作電解液揮發、電容器內部氣壓很大等結果所致。

2.5 接觸器失效

接觸器處于不斷的應力沖擊之中，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

逆變器故障診斷系統由基于DSP的數據采集子系統（下位機）與故障分析診斷子系統（上位機）兩部分組成，兩者之間通過串口進行數據傳輸。數據采集子系統在線采集反映逆變控制電路工作狀態的主要電量參數，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據，并根據內建的專家系統，判斷逆變工作正常與否，若不正常，則根據判斷規則確定故障原因。

4 基于專家系統的逆變器故障診斷

4.1 逆變器故障定義及其分類

所謂逆變器系統故障，是指系統的運行處于不正常狀態（劣化狀態），即逆變器相應的行為（輸出）超出容許范圍，使逆變器的功能低于規定的水平，這種劣化狀態稱為故障。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）按發生時間歷程分為突發故障與漸進故障；（2）按存在時間歷程可分為永久性故障與間歇性故障；（3）按故障顯現狀況可分為潛在故障與功能故障；（4）按產生原因分，有內部故障與外部故障。

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）根據逆變器征兆信息識別逆變器狀態，獲得故障信息。

4.2 故障診斷專家系統

對設備的運行狀態進行診斷的技術幾乎是與設備的發明同時產生。最初設備的故障檢測與排除主要靠感官，簡單儀表和個人經驗，我們稱之為傳統診斷技術。隨著現代工業及科學技術的迅速發展，生產設備日趨大型化，高速化，對于逆變器這樣的復雜系統而言，傳統的診斷技術效率低，誤診概率大，已經遠遠不能適應生產需要，設備一旦因故障停機，就將帶來經濟損失。專家系統的出現，為故障診斷技術的自動化，智能化帶來了新的解決方案。

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

5 總結

本文詳細闡述了引發空調列車逆變器故障的各種因素，分析了逆變器故障高發的原因。針對故障原因，在總結逆變器維修歷史數據的基礎上，確定了逆變器故障診斷應提取的信號與征兆，并建立了一個逆變器故障診斷專家系統，該系統可在線監測逆變器各種運行參數，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一個新的研究方向，在我國故障診斷的研究起步較晚，但經過幾十年的發展，故障診斷技術已經成當前為學術研究的熱點，故障診斷理論和技術有了很大的發展，已經提出了各種成熟的診斷方法，但仍有很多問題需要繼續進行深入研究，這些問題也是逆變器故障診斷技術所需要發展的方向。

參考文獻

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