论文部分内容阅读
摘 要：本文分析了在车载使用环境下，逆变器部件的失效模式，提出研究智能化的逆变器故障自动诊断系统，对于提高逆变器故障检修的效率与准确度具有十分重要的意义。
关键词：逆变器失效模式；智能化；自动诊断系统
1 前言
随着铁路提速的不断进行及运行图的优化，快速空调列车的增开，不仅带来了逆变器在数量上的空前增长，同时故障机组也相应增多，这给逆变器的维护与故障检修带来了更严格的要求。目前对客车逆变器检修大都采用人工检修的办法。但检修的质量受到检修人员的智力和经验的制约，容易导致误检，从而增加检修成本与降低工作效率，带来列车运行中间的不安全因素。利用人工智能中的专家系统技术来建造客车空调逆变器的故障诊断系统，可以充分利用工程师与技术员长期积累起来的经验和知识，使诊断技术为一般的维护人员所掌握和使用，这对于保证设备安全可靠运行、提高故障诊断的准确性和迅速性，以及降低维修成本具有重要的现实意义。
2 逆变器结构及其失效原因
为了合理放置逆变器故障诊断系统的信号测点，进行有效的故障征兆信息的提取，以当前在铁路空调客车中使用的主流逆变器TGN系列为例，分析逆变器的功能以及其失效原因。
2.1 逆变器整体结构
从其结构来分，TGN系列逆变器可分为控制模块、电源模块、IGBT主电路模块、连接部件等几大块。
2.2 弱电半导体器件失效
（1）湿度失效。由于南北温差和天气的影响，水气易进入半导体器件封装内部，从而导致半导体器件的抗潮性变差。当塑封中的水分含量到达一定程度时，生成了Al（OH）3即失效半导体器件上常见的“白毛”。同时，在外加电场作用下，产生极化效应，相应在半导体芯片表面感应出符号相反的电荷，形成沟道，对器件性能产生影响。（2）过电应力失效。电浪涌，也称电瞬变，指的是随机地短时间电压电流冲击。逆变器所处的工作环境中电浪涌现象尤为严重，由于电力机车分段供电，两区段之间存在无电的分相区，高速列车频繁经历通断电过程，造成电浪涌。（3）静电损伤失效。静电损伤更多产生于逆变器的生产、封装、实验、运输、调试检修、维护等时间。塑料与高分子材料导致环境中静电荷的积累现象日益严重，同时半导体器件趋于高速化、高集成度、微功耗，这使得它对于静电损伤更敏感，这种放电将导致器件损伤。（4）机械过应力失效。逆变器随车运行，处于不停的冲击运动之中，电路板的弹性形变将会在器件的引脚上产生额外的机械应力，这种额外应力将可能引起器件焊接的脱落、引脚的断裂或者器件内部引线出现问题。（5）温度失效。半导体材料本身对温度十分敏感，在一定范围内，温度上升引起的是半导体器件的工作性能下降，如放大器直流工作点偏移、输出信号失真、放大性能改变。
2.3 电力半导体器件失效
逆变器使用的PSD为IGBT器件，其失效的主要原因是IGBT的失效。由于实际制造工艺水平的限制，很难使每个IGBT元胞的物理特性均匀一致，结果造成元胞的分流不均，一部分元胞电流密度过大，处于持续过载状况下，从而最终导致IGBT模块整体失效。
（1）引线故障失效。引线焊接通常被认为是元件封装中最薄弱的环节之一，常见由引线引发的IGBT模块失效有：引线脱落，引线的电迁移。引线的电迁移失效最终表现为金属离子在金属条一端堆积，另一端耗尽而出现短路或开路失效。（2）过电應力失效。过电应力将引起IGBT芯片局部过热，其温度超过硅片的熔点，从而导致IGBT模块部分烧毁损伤。（3）温度失效。逆变器IGBT的温度失效可以分为过热应力失效与温度疲劳失效。过热应力失效是指当逆变器工作于严重过载状态，或者在高温排热不良条件下工作时，IGBT模块严重发热。当IGBT模块工作在开关状态时，IGBT模块三明治结构中各层材料的温度失配将导致热应力的产生，从而使模块焊料发生热蠕变、热疲劳失效及弯曲变形，长此以往，热应力导致的焊料层空洞及界面裂纹十分不利于模块散热并可能诱发器件过热失效。
2.4 电容器失效
铝电解电容器失效从性能上表现为电容器电性能测试无容量、漏电流大幅度上升、产品内部芯包干涸、工作电解液挥发，个别严重的产品阳极引线条腐蚀、盖板溶胀，电容器开路。这些失效几乎都是由于在高频环境下，电容器内部发热温升大幅提高，引起电容器耐压下降、工作电解液挥发、电容器内部气压很大等结果所致。
2.5 接触器失效
接触器处于不断的应力冲击之中，兼之温度、油污、粉尘的影响，更容易造成其弹簧、接触面等部件机械失效。
3 智能化逆变器故障自动诊断系统
逆变器故障诊断系统由基于DSP的数据采集子系统（下位机）与故障分析诊断子系统（上位机）两部分组成，两者之间通过串口进行数据传输。数据采集子系统在线采集反映逆变控制电路工作状态的主要电量参数，以及逆变输出电压电流值等，上位机显示逆变器运行的各数据，并根据内建的专家系统，判断逆变工作正常与否，若不正常，则根据判断规则确定故障原因。
4 基于专家系统的逆变器故障诊断
4.1 逆变器故障定义及其分类
所谓逆变器系统故障，是指系统的运行处于不正常状态（劣化状态），即逆变器相应的行为（输出）超出容许范围，使逆变器的功能低于规定的水平，这种劣化状态称为故障。在实际工程中，对于逆变器故障可以从不同的角度给出分类：（1）按发生时间历程分为突发故障与渐进故障；（2）按存在时间历程可分为永久性故障与间歇性故障；（3）按故障显现状况可分为潜在故障与功能故障；（4）按产生原因分，有内部故障与外部故障。
逆变器故障诊断按如下步骤进行：（1）检测逆变器的各种特征信号；（2）从检测到的逆变器特征信号中提取征兆；（3）根据逆变器征兆信息识别逆变器状态，获得故障信息。
4.2 故障诊断专家系统
对设备的运行状态进行诊断的技术几乎是与设备的发明同时产生。最初设备的故障检测与排除主要靠感官，简单仪表和个人经验，我们称之为传统诊断技术。随着现代工业及科学技术的迅速发展，生产设备日趋大型化，高速化，对于逆变器这样的复杂系统而言，传统的诊断技术效率低，误诊概率大，已经远远不能适应生产需要，设备一旦因故障停机，就将带来经济损失。专家系统的出现，为故障诊断技术的自动化，智能化带来了新的解决方案。
在逆变器故障诊断专家系统中，诊断知识来源于两个方面：（1）技术文献。例如逆变器设计资料、专业书籍、说明文档、铁路系统逆变器运行资料等。（2）逆变器检修维护人员的经验与知识，逆变器设计生产人员的相关知识。专家系统开发研究的一个重要问题就是将专业领域的大量概念、事实、以及专家处理问题的各类启发性知识，用某种方式描述出来，并按一定的知识表示形式将他们转移到计算机中去。知识从外部知识源到计算机内部的转换过程通常称为知识获取。
5 总结
本文详细阐述了引发空调列车逆变器故障的各种因素，分析了逆变器故障高发的原因。针对故障原因，在总结逆变器维修历史数据的基础上，确定了逆变器故障诊断应提取的信号与征兆，并建立了一个逆变器故障诊断专家系统，该系统可在线监测逆变器各种运行参数，进行初步的故障诊断，具有实用价值。
电力电子装置的故障诊断是电力电子技术一个新的研究方向，在我国故障诊断的研究起步较晚，但经过几十年的发展，故障诊断技术已经成当前为学术研究的热点，故障诊断理论和技术有了很大的发展，已经提出了各种成熟的诊断方法，但仍有很多问题需要继续进行深入研究，这些问题也是逆变器故障诊断技术所需要发展的方向。
参考文献
[1]徐林云.首列机车供电空调列车供电系统简介[J].铁道车辆，1999，4：5～6.
[2]李嘉骏.关于定期检修周期问题的探讨[J].铁道车辆，2002，12：37～39.
[3]陈焕新，张俊.客车空调机组故障诊断专家系统[J].制冷学报，2002，1：69～73.
关键词：逆变器失效模式；智能化；自动诊断系统
1 前言
随着铁路提速的不断进行及运行图的优化，快速空调列车的增开，不仅带来了逆变器在数量上的空前增长，同时故障机组也相应增多，这给逆变器的维护与故障检修带来了更严格的要求。目前对客车逆变器检修大都采用人工检修的办法。但检修的质量受到检修人员的智力和经验的制约，容易导致误检，从而增加检修成本与降低工作效率，带来列车运行中间的不安全因素。利用人工智能中的专家系统技术来建造客车空调逆变器的故障诊断系统，可以充分利用工程师与技术员长期积累起来的经验和知识，使诊断技术为一般的维护人员所掌握和使用，这对于保证设备安全可靠运行、提高故障诊断的准确性和迅速性，以及降低维修成本具有重要的现实意义。
2 逆变器结构及其失效原因
为了合理放置逆变器故障诊断系统的信号测点，进行有效的故障征兆信息的提取，以当前在铁路空调客车中使用的主流逆变器TGN系列为例，分析逆变器的功能以及其失效原因。
2.1 逆变器整体结构
从其结构来分，TGN系列逆变器可分为控制模块、电源模块、IGBT主电路模块、连接部件等几大块。
2.2 弱电半导体器件失效
（1）湿度失效。由于南北温差和天气的影响，水气易进入半导体器件封装内部，从而导致半导体器件的抗潮性变差。当塑封中的水分含量到达一定程度时，生成了Al（OH）3即失效半导体器件上常见的“白毛”。同时，在外加电场作用下，产生极化效应，相应在半导体芯片表面感应出符号相反的电荷，形成沟道，对器件性能产生影响。（2）过电应力失效。电浪涌，也称电瞬变，指的是随机地短时间电压电流冲击。逆变器所处的工作环境中电浪涌现象尤为严重，由于电力机车分段供电，两区段之间存在无电的分相区，高速列车频繁经历通断电过程，造成电浪涌。（3）静电损伤失效。静电损伤更多产生于逆变器的生产、封装、实验、运输、调试检修、维护等时间。塑料与高分子材料导致环境中静电荷的积累现象日益严重，同时半导体器件趋于高速化、高集成度、微功耗，这使得它对于静电损伤更敏感，这种放电将导致器件损伤。（4）机械过应力失效。逆变器随车运行，处于不停的冲击运动之中，电路板的弹性形变将会在器件的引脚上产生额外的机械应力，这种额外应力将可能引起器件焊接的脱落、引脚的断裂或者器件内部引线出现问题。（5）温度失效。半导体材料本身对温度十分敏感，在一定范围内，温度上升引起的是半导体器件的工作性能下降，如放大器直流工作点偏移、输出信号失真、放大性能改变。
2.3 电力半导体器件失效
逆变器使用的PSD为IGBT器件，其失效的主要原因是IGBT的失效。由于实际制造工艺水平的限制，很难使每个IGBT元胞的物理特性均匀一致，结果造成元胞的分流不均，一部分元胞电流密度过大，处于持续过载状况下，从而最终导致IGBT模块整体失效。
（1）引线故障失效。引线焊接通常被认为是元件封装中最薄弱的环节之一，常见由引线引发的IGBT模块失效有：引线脱落，引线的电迁移。引线的电迁移失效最终表现为金属离子在金属条一端堆积，另一端耗尽而出现短路或开路失效。（2）过电應力失效。过电应力将引起IGBT芯片局部过热，其温度超过硅片的熔点，从而导致IGBT模块部分烧毁损伤。（3）温度失效。逆变器IGBT的温度失效可以分为过热应力失效与温度疲劳失效。过热应力失效是指当逆变器工作于严重过载状态，或者在高温排热不良条件下工作时，IGBT模块严重发热。当IGBT模块工作在开关状态时，IGBT模块三明治结构中各层材料的温度失配将导致热应力的产生，从而使模块焊料发生热蠕变、热疲劳失效及弯曲变形，长此以往，热应力导致的焊料层空洞及界面裂纹十分不利于模块散热并可能诱发器件过热失效。
2.4 电容器失效
铝电解电容器失效从性能上表现为电容器电性能测试无容量、漏电流大幅度上升、产品内部芯包干涸、工作电解液挥发，个别严重的产品阳极引线条腐蚀、盖板溶胀，电容器开路。这些失效几乎都是由于在高频环境下，电容器内部发热温升大幅提高，引起电容器耐压下降、工作电解液挥发、电容器内部气压很大等结果所致。
2.5 接触器失效
接触器处于不断的应力冲击之中，兼之温度、油污、粉尘的影响，更容易造成其弹簧、接触面等部件机械失效。
3 智能化逆变器故障自动诊断系统
逆变器故障诊断系统由基于DSP的数据采集子系统（下位机）与故障分析诊断子系统（上位机）两部分组成，两者之间通过串口进行数据传输。数据采集子系统在线采集反映逆变控制电路工作状态的主要电量参数，以及逆变输出电压电流值等，上位机显示逆变器运行的各数据，并根据内建的专家系统，判断逆变工作正常与否，若不正常，则根据判断规则确定故障原因。
4 基于专家系统的逆变器故障诊断
4.1 逆变器故障定义及其分类
所谓逆变器系统故障，是指系统的运行处于不正常状态（劣化状态），即逆变器相应的行为（输出）超出容许范围，使逆变器的功能低于规定的水平，这种劣化状态称为故障。在实际工程中，对于逆变器故障可以从不同的角度给出分类：（1）按发生时间历程分为突发故障与渐进故障；（2）按存在时间历程可分为永久性故障与间歇性故障；（3）按故障显现状况可分为潜在故障与功能故障；（4）按产生原因分，有内部故障与外部故障。
逆变器故障诊断按如下步骤进行：（1）检测逆变器的各种特征信号；（2）从检测到的逆变器特征信号中提取征兆；（3）根据逆变器征兆信息识别逆变器状态，获得故障信息。
4.2 故障诊断专家系统
对设备的运行状态进行诊断的技术几乎是与设备的发明同时产生。最初设备的故障检测与排除主要靠感官，简单仪表和个人经验，我们称之为传统诊断技术。随着现代工业及科学技术的迅速发展，生产设备日趋大型化，高速化，对于逆变器这样的复杂系统而言，传统的诊断技术效率低，误诊概率大，已经远远不能适应生产需要，设备一旦因故障停机，就将带来经济损失。专家系统的出现，为故障诊断技术的自动化，智能化带来了新的解决方案。
在逆变器故障诊断专家系统中，诊断知识来源于两个方面：（1）技术文献。例如逆变器设计资料、专业书籍、说明文档、铁路系统逆变器运行资料等。（2）逆变器检修维护人员的经验与知识，逆变器设计生产人员的相关知识。专家系统开发研究的一个重要问题就是将专业领域的大量概念、事实、以及专家处理问题的各类启发性知识，用某种方式描述出来，并按一定的知识表示形式将他们转移到计算机中去。知识从外部知识源到计算机内部的转换过程通常称为知识获取。
5 总结
本文详细阐述了引发空调列车逆变器故障的各种因素，分析了逆变器故障高发的原因。针对故障原因，在总结逆变器维修历史数据的基础上，确定了逆变器故障诊断应提取的信号与征兆，并建立了一个逆变器故障诊断专家系统，该系统可在线监测逆变器各种运行参数，进行初步的故障诊断，具有实用价值。
电力电子装置的故障诊断是电力电子技术一个新的研究方向，在我国故障诊断的研究起步较晚，但经过几十年的发展，故障诊断技术已经成当前为学术研究的热点，故障诊断理论和技术有了很大的发展，已经提出了各种成熟的诊断方法，但仍有很多问题需要继续进行深入研究，这些问题也是逆变器故障诊断技术所需要发展的方向。
参考文献
[1]徐林云.首列机车供电空调列车供电系统简介[J].铁道车辆，1999，4：5～6.
[2]李嘉骏.关于定期检修周期问题的探讨[J].铁道车辆，2002，12：37～39.
[3]陈焕新，张俊.客车空调机组故障诊断专家系统[J].制冷学报，2002，1：69～73.