[发明专利]考虑牵引传动系统故障影响的支撑电容寿命评估方法

说明书

本发明公开了一种考虑牵引传动系统故障影响的支撑电容寿命评估方法，具体为：分别建立整流器和逆变器中IGBT和二极管发生故障的四种功率模块故障模型，收集支撑电容的电参数离散数据；引入牛顿冷却定律建立电容热点温度的优化模型，获得电容的时间‑温度变化趋势规律；建立衡量系统故障对电容器寿命影响的解决方案；将故障参数折算到寿命的损失率，建立优化的牵引传动系统支撑电容寿命评估模型；本发明考虑牵引传动系统故障影响，从而更合理的评估支撑电容的可靠性和寿命。

技术领域

本发明属于电力电子器件的可靠性技术领域，涉及到电力牵引交流传动系统的故障采集模型，故障对支撑电容电参数的影响，以及支撑电容寿命的优化评估方法，具体涉及一种考虑牵引传动系统故障影响的支撑电容寿命评估方法。

背景技术

研究牵引传动系统中高压和高电容直流环节电容器的可靠性具有重要意义。对现在的电容器寿命模型进行分析是估算电容器可靠性的有效方法。王怀，F.Blaabjerg分析了适用于支撑电容寿命评估的数学模型，并给出了支撑电容的失效判定。王浩然，P.Davari等人提出了一种考虑到频率和电网电压不平衡影响的电容器寿命估算方法，并通过基于自然增长影响模型的任务剖面建立了电容的长期累积损耗模型。然而，现有的电容寿命模型没有讨论系统发生故障时对电容的短时间冲击影响，而功率模块故障是电力电子设备中最常见的故障之一。

发明内容

为完善和解决直流环节支撑电容的寿命预测问题，更合理的评估支撑电容的可靠性和寿命，本发明提供一种考虑牵引传动系统故障影响的支撑电容寿命评估方法。

本发明的具体步骤为：

步骤一：分别建立整流器和逆变器中IGBT和二极管发生故障的四种功率模块故障模型，收集支撑电容的电参数离散数据，包括电流均方根值I_rms和电压V_cap，从而将故障发生的影响进一步量化。

步骤二：引入牛顿冷却定律建立电容热点温度的优化模型：

式中T_h，T_c分别表示实际的电容热点温度和壳体温度，T₂，T₁表示散热过程中两个测试时间点t₂和t₁时刻的电容壳体温度，T_m表示最终电容的冷却温度，t_r表示t₂和t₁的时间间隔。

收集T₂、T₁以及T_m的大量数据，获得电容的时间-温度变化趋势规律。

步骤三：对电流均方根值I_rms离散点数据进行离散傅里叶DFT分析，拟合厂家给出的等效电阻ESR随温度和频率的变化规律，同时代入实际的环境温度变化曲线T_a，热阻R_ha；进一步将步骤2得到的时间-温度变化趋势规律代入到电容热点温度的方程中，从而得到在系统发生四种故障时的电容热点温度与电容正常温度相比的突变程度。

步骤四：将故障参数折算到寿命的损失率，建立优化的牵引传动系统支撑电容寿命评估模型：

式中，其中L′表示支撑电容优化的寿命值，L₀表示额定寿命，V和V₀表示实际电容器电压和额定电容器电压，T₀和T_h分别表示额定温度和正常时的实际热点温度，n和p分别代表两个经验系数；Loss表示故障的总体量化后的损失率，其计算式为：