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溫度是導(dǎo)致電力電子變流裝置功率器件故障與失效的主要原因，電力電子器件失效應(yīng)力源及檢修作業(yè)量分布如圖1所示。圖1a為導(dǎo)致功率器件失效的主要應(yīng)力源及所占的比例，可以看出，電力電子器件失效的主要應(yīng)力源為溫度應(yīng)力。因此，溫度對功率變流裝置的可靠性至關(guān)重要，溫度越高，其可靠性和耐久性就會越差。

散熱器作為變流器散熱的重要部件，其作用是將功率器件的熱量及時交換到外界，使功率器件運(yùn)行在正常的溫度范圍內(nèi)，保證功率器件的可靠運(yùn)行和使用壽命。但在長期運(yùn)行中，外界環(huán)境中的污垢隨氣流進(jìn)入到散熱器風(fēng)道，使得散熱器散熱性能下降，最終導(dǎo)致功率器件運(yùn)行在高溫下，發(fā)生故障并失效。

圖1器件失效應(yīng)力源及檢修作業(yè)量分布

軌道交通領(lǐng)域?qū)α熊嚿崞鳡顟B(tài)的檢測手段大多采用人工定期巡檢維護(hù)的方法，此方法需要在列車停車時進(jìn)行，且存在定期巡檢的盲目性和人眼評估的不準(zhǔn)確性，經(jīng)常造成散熱器的“過維護(hù)”和“欠維護(hù)”問題，且浪費(fèi)大量的人力成本和維護(hù)成本。

圖1b為某雙饋?zhàn)兞髌鳈z修作業(yè)量分布，可以看出，散熱系統(tǒng)日常維護(hù)在檢修工作量中占據(jù)較高比重。因此，預(yù)測散熱器的性能是保證變流器可靠性和延長電子器件壽命的重要工作之一，將極大地減少檢修維護(hù)工作量，大幅節(jié)約運(yùn)維成本。

北京交通大學(xué)電氣工程學(xué)院等單位的研究人員在以上研究的基礎(chǔ)上，針對現(xiàn)階段存在的不足，對散熱器性能的退化機(jī)理進(jìn)行理論分析，并基于變流器現(xiàn)有傳感器，提出一種散熱性能智能在線檢測模型，可實(shí)時檢測散熱器狀態(tài)，為運(yùn)維決策提供數(shù)據(jù)支持，實(shí)現(xiàn)散熱器的狀態(tài)檢修，節(jié)省大量的運(yùn)維成本。

圖2 散熱器狀態(tài)在線預(yù)測模型流程

他們指出，散熱器在復(fù)雜的環(huán)境中長時間運(yùn)行，會導(dǎo)致其散熱性能的下降，其主要原因是污垢使得風(fēng)道內(nèi)的壓降呈指數(shù)增加，散熱風(fēng)扇P-Q曲線決定了風(fēng)扇所能提供的風(fēng)量，因此使得風(fēng)道內(nèi)的風(fēng)量呈指數(shù)下降，同時污垢相當(dāng)于隔熱層，兩部分原因使得散熱器的熱阻增加。

圖3 實(shí)驗(yàn)平臺實(shí)物

實(shí)驗(yàn)研究表明，散熱器的穩(wěn)態(tài)熱阻、熱容、熱時間常數(shù)與堵塞程度都呈指數(shù)關(guān)系，因此為散熱器的在線狀態(tài)預(yù)測提供可行方案，工程應(yīng)用中可以降低大量的運(yùn)維成本，代替離線式人工檢測，提高檢測效率。

本文編自2021年第20期《電工技術(shù)學(xué)報(bào)》，論文標(biāo)題為“電力電子變流裝置散熱器狀態(tài)智能預(yù)測方法”，作者為付和平、陳杰 等。