一种牵引变流器器件结温在线计算方法及系统技术方案

本发明专利技术涉及电力电子技术领域，公开了一种牵引变流器器件结温在线计算方法及系统，以实现三电平牵引变流器变频调速系统中关键器件结温波动的在线计算，进一步检测器件的健康，保证系统的稳定性和鲁棒性；针对牵引变流器目标桥臂上的目标器件，建立目标器件功率损耗与交流侧电流及驱动控制信号之间的第一关系模型；建立目标器件的当前周期的通断功耗与上一周期结温之间的第二关系模型、以及目标器件当前周期的通态功耗与上一周期结温之间的第三关系模型；在非第一周期的其他周期内，计算该周期所对应的目标器件到所在外壳之间的第一等效热阻抗、以及目标器件由外壳到外部环境网络之间的第二等效热阻抗；然后计算目标器件在该周期的结温值。

An on-line calculation method and system for junction temperature of traction converter

The invention relates to the field of power electronics technology, and discloses an on-line calculation method and system for junction temperature of traction converter device, so as to realize on-line calculation of junction temperature fluctuation of key device in three-level traction converter frequency conversion speed regulation system, further improve the health of detector device and ensure the stability and robustness of the system for traction converter. The first relation model between the power loss of the target device and the AC side current and the driving control signal is established; the second relation model between the on-off power loss of the target device in the current cycle and the junction temperature of the last cycle is established; and the on-state power loss of the target device in the current cycle and the last cycle are also established. The third relation model between junction temperatures is used to calculate the first equivalent thermal impedance from the target device to the outer shell and the second equivalent thermal impedance from the outer shell to the external environment network in other periods of the non-first cycle.

【技术实现步骤摘要】
一种牵引变流器器件结温在线计算方法及系统
本专利技术涉及电力电子
，尤其涉及一种牵引变流器器件结温在线计算方法及系统。
技术介绍
牵引传动系统被誉为轨道交通装备的“心脏”，不仅是整个轨道交通装备的核心动力单元，更是其运行安全的关键系统之一，对牵引传动系统中关键器件的健康监测至关重要。牵引传动系统由牵引变压器、牵引变流器等主电路设备，以及牵引电机等装置构成，其中，牵引变流器包括脉冲整流器、中间直流环节以及牵引逆变器。因此，牵引变流器是这枚“心脏”的“起搏器”，由于长期在高温、高压等恶劣的工作环境下，牵引变流器是牵引传动系统的高发故障源。牵引变流器中关键器件，主要是开关管和二极管的性能退化带来的安全隐患若不能及时监测到并得到及时正确的处理，都有可能引发器件的损坏失效，进而导致系统发生连锁事故。因此，保证牵引变流器及其关键器件安全可靠地工作不仅是确保牵引传动系统安全运行的关键，也是确保轨道交通装备安全运行的关键。由开关管和二极管的失效机理分析可知，55％以上的失效原因与器件的结温波动有关，即，器件结温的频繁波动将加速器件键合线脱落和焊料层出现空穴等老化问题，进而引起器件的性能退化，最后导致器件的损坏失效。因此，对关键器件进行结温波动的在线监测将为器件剩余寿命、老化程度的估计和失效机理的分析提供了重要的数据支撑。目前，直接在线测量开关管和二极管的结温的方案大多需要增加额外的测温传感器或模块，虽然精度较高，但成本也较高，且不符合当下及未来工业界对关键器件轻量化和集成化设计的需求。因此，建立系统中关键器件的功耗和结温等模型，通过系统中已有的传感器模块，间接评估器件结温波动成为一种有效的途径。但目前的研究成果主要为两电平的变流器拓扑结构，且集中于恒频工况和采用正弦脉宽调制(SinusoidalPulseWidthModulation，SPWM)策略的应用环境，如风力发电，电网能量传输等，难以适用于三电平，变频调速工况和采用空间矢量脉宽调制(SpaceVectorPulseWidthModulation，SVPWM)策略的应用环境，如CRH2型高速列车牵引传动系统即为变频调速系统，采用的三电平牵引变流器拓扑，其中，脉冲整流器采用SPWM调制策略，牵引逆变器采用SVPWM调制策略。因此，现需提供一种能实现三电平牵引变流器变频调速系统中关键器件结温波动的在线计算与监测的牵引变流器器件结温在线计算方法及系统。
技术实现思路
本专利技术目的在于提供一种牵引变流器器件结温在线计算方法及系统，以实现三电平牵引变流器变频调速系统中关键器件结温波动的在线计算，进一步检测器件的健康，保证系统的稳定性和鲁棒性。为实现上述目的，本专利技术提供了一种牵引变流器器件结温在线计算方法，包括以下步骤：针对牵引变流器目标桥臂上的目标器件，建立所述目标器件功率损耗与交流侧电流及驱动控制信号之间的第一关系模型；所述目标器件为二极管或开关管，所述功率损耗包括通断功耗和通态功耗；考虑电热耦合，建立所述目标器件的当前周期的通断功耗与上一周期结温之间的第二关系模型、以及所述目标器件当前周期的通态功耗与上一周期结温之间的第三关系模型；在非第一周期的其他周期内，根据所述第一、第二及第三关系模型计算所述目标器件在该周期的平均功率，并计算该周期所对应的所述目标器件到所在外壳之间的第一等效热阻抗、以及所述目标器件由外壳到外部环境网络之间的第二等效热阻抗；然后根据所述平均功率、第一等效阻抗及第二等效阻抗计算所述目标器件在该周期的结温值。与上述方法相对应地，本专利技术还提供一种牵引变流器器件结温在线计算系统，包括存储器、处理器以及存储在存储器上并可在处理器上运行的计算机程序，所述处理器执行所述计算机程序时实现上述方法的步骤。本专利技术具有以下有益效果：1、本专利技术提供的一种牵引变流器器件结温在线计算方法及系统，实现了计及电热耦合下牵引变流器关键器件结温波动的在线监测，能在线计算牵引变流器中目标器件的结温变化。2、本专利技术提供的一种牵引变流器器件结温在线计算方法及系统，仅利用系统中已有的电流传感器数据和各开关管的驱动控制信号，不受系统调制策略和恒频工作条件的约束，能实现变频和不同调制策略条件下牵引变流器关键器件结温的在线计算，提高了器件结温在线计算的灵活性，为牵引变流器系统的健康监测与管理提供了有力的科学支撑。下面将参照附图，对本专利技术作进一步详细的说明。附图说明构成本申请的一部分的附图用来提供对本专利技术的进一步理解，本专利技术的示意性实施例及其说明用于解释本专利技术，并不构成对本专利技术的不当限定。在附图中：图1是本专利技术优选实施例的牵引变流器器件结温在线计算方法的流程图；图2是本专利技术优选实施例的三电平牵引变流器系统的主电路拓扑结构图；图3是本专利技术优选实施例的牵引逆变器U相上开关管TU1和TU2每个计算周期内功耗的变化示意图；图4是本专利技术优选实施例的牵引逆变器U相上开关管TU3和TU4每个计算周期内功耗的变化示意图；图5是本专利技术优选实施例的牵引逆变器U相上二极管DU1和DU3每个计算周期内功耗的变化示意图；图6是本专利技术优选实施例的牵引逆变器U相上二极管DU12和DU34每个计算周期内功耗的变化示意图；图7是本专利技术优选实施例的牵引逆变器U相上开关管TU1和TU2每个计算周期平均功率变化示意图；图8是本专利技术优选实施例的牵引逆变器U相上开关管TU3和TU4每个计算周期平均功率变化示意图；图9是本专利技术优选实施例的牵引逆变器U相上开关管DU1和DU3每个计算周期平均功率变化示意图；图10是本专利技术优选实施例的牵引逆变器U相上开关管DU12和DU34每个计算周期平均功率变化示意图；图11是本专利技术优选实施例的牵引逆变器U相上开关管TU1和TU2的结温波动示意图；图12是本专利技术优选实施例的牵引逆变器U相上开关管TU3和TU4的结温波动示意图；图13是本专利技术优选实施例的牵引逆变器U相上开关管DU1和DU3的结温波动示意图；图14是本专利技术优选实施例的牵引逆变器U相上开关管DU12和DU34的结温波动示意图。具体实施方式以下结合附图对本专利技术的实施例进行详细说明，但是本专利技术可以由权利要求限定和覆盖的多种不同方式实施。实施例1参见图1，本实施例提供一种牵引变流器器件结温在线计算方法，包括以下步骤：针对牵引变流器目标桥臂上的目标器件，建立目标器件功率损耗与交流侧电流及驱动控制信号之间的第一关系模型；目标器件为二极管或开关管，功率损耗包括通断功耗和通态功耗；考虑电热耦合，建立目标器件的当前周期的通断功耗与上一周期结温之间的第二关系模型、以及目标器件当前周期的通态功耗与上一周期结温之间的第三关系模型；在非第一周期的其他周期内，根据第一、第二及第三关系模型计算目标器件在该周期的平均功率，并计算该周期所对应的目标器件到所在外壳之间的第一等效热阻抗、以及目标器件由外壳到外部环境网络之间的第二等效热阻抗；然后根据平均功率、第一等效阻抗及第二等效阻抗计算目标器件在该周期的结温值。需要说明的是，牵引变流器的目标桥臂，是指脉冲整流器A相、B相，以及牵引逆变器U相、V相、W相五相桥臂中任一相，桥臂上的目标器件，是指牵引变流器中的开关管和二极管，其中每一相桥臂由上往下由四个开关管组成，分别记为Tx1，Tx2，Tx3和Tx4，x＝A,B,U,V,W，且本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种牵引变流器器件结温在线计算方法，其特征在于，包括以下步骤：针对牵引变流器目标桥臂上的目标器件，建立所述目标器件功率损耗与交流侧电流及驱动控制信号之间的第一关系模型；所述目标器件为二极管或开关管，所述功率损耗包括通断功耗和通态功耗；考虑电热耦合，建立所述目标器件的当前周期的通断功耗与上一周期结温之间的第二关系模型、以及所述目标器件当前周期的通态功耗与上一周期结温之间的第三关系模型；在非第一周期的其他周期内，根据所述第一、第二及第三关系模型计算所述目标器件在该周期的平均功率，并计算该周期所对应的所述目标器件到所在外壳之间的第一等效热阻抗、以及所述目标器件由外壳到外部环境网络之间的第二等效热阻抗；根据所述平均功率、第一等效阻抗及第二等效阻抗计算所述目标器件在该周期的结温值。

【技术特征摘要】
1.一种牵引变流器器件结温在线计算方法，其特征在于，包括以下步骤：针对牵引变流器目标桥臂上的目标器件，建立所述目标器件功率损耗与交流侧电流及驱动控制信号之间的第一关系模型；所述目标器件为二极管或开关管，所述功率损耗包括通断功耗和通态功耗；考虑电热耦合，建立所述目标器件的当前周期的通断功耗与上一周期结温之间的第二关系模型、以及所述目标器件当前周期的通态功耗与上一周期结温之间的第三关系模型；在非第一周期的其他周期内，根据所述第一、第二及第三关系模型计算所述目标器件在该周期的平均功率，并计算该周期所对应的所述目标器件到所在外壳之间的第一等效热阻抗、以及所述目标器件由外壳到外部环境网络之间的第二等效热阻抗；根据所述平均功率、第一等效阻抗及第二等效阻抗计算所述目标器件在该周期的结温值。2.根据权利要求1所述的牵引变流器器件结温在线计算方法，其特征在于，所述建立所述目标器件功率损耗与交流侧电流及驱动控制信号之间的第一关系模型具体包括以下步骤：(1)建立目标桥臂上的各开关管的功率损耗与交流侧电流及驱动控制信号之间的关系模型，公式为：式中，EIx1表示桥臂上开关管Tx1的功耗，EIx2表示桥臂上开关管Tx2的功耗，EIx3表示桥臂上开关管Tx3的功耗，和EIx4表示桥臂上开关管Tx4的功耗，其中，x表示所在桥臂，x＝A,B,U,V,W；表示桥臂交流侧电流极性的标志位，ix表示桥臂交流侧电流，sx1表示桥臂上开关管Tx1的开关状态，sx2表示桥臂上开关管Tx2的开关状态，sx3表示桥臂上开关管Tx3的开关状态，sx4表示桥臂上开关管Tx4的开关状态；uce_x1表示桥臂上开关管Tx1的通态压降，uce_x2表示桥臂上开关管Tx2的通态压降，uce_x3表示桥臂上开关管Tx3的通态压降，和uce_x4表示桥臂上开关管Tx4的通态压降，t和t0表示时间；γIx1表示桥臂上开关管Tx1的通断功耗，γIx2表示桥臂上开关管Tx2的通断功耗，γIx3表示桥臂上开关管Tx3的通断功耗，γIx4表示桥臂上开关管Tx4的通断功耗；(2)建立目标桥臂上的各二极管的功率损耗与交流侧电流及驱动控制信号之间的关系模型，公式为：式中，EDx1表示桥臂上二极管Dx1的功耗，EDx2表示桥臂上二极管Dx2的功耗，EDx3表示桥臂上二极管Dx3的功耗，EDx4表示桥臂上二极管Dx4的功耗，EDx12表示桥臂上二极管Dx12的功耗，EDx34表示桥臂上二极管γDx34的功耗，ufd_x1表示桥臂上二极管Dx1的通态压降，ufd_x3表示桥臂上二极管Dx3的通态压降，ufd_x12表示桥臂上二极管Dx12的通态压降，ufd_x34表示桥臂上二极管Dx34的通态压降，γDx1表示桥臂上二极管Dx1的通断功耗，γDx3表示桥臂上二极管Dx3的通断功耗，γDx12表示桥臂上二极管Dx12的通断功耗，γDx34表示桥臂上二极管Dx34的通断功耗；(3)假定在一个控制周期Tctrl内，桥臂交流侧电流ix和开关管与二极管的通态压降近似为恒值，则公式(1)和(2)分别近似为公式(3)和(4)：。3.根据权利要求2所述的牵引变流器器件结温在线计算方法，其特征在于，所述桥臂上开关管的通断功耗的计算公式为：式中，Eon_Ix1表示桥臂上开关管Tx1的导通功耗，Eon_Ix2表示桥臂上开关管Tx2的导通功耗，Eon_Ix3表示桥臂上开关管Tx3的导通功耗，Eon_Ix4表示桥臂上开关管Tx4的导通功耗，Eoff_Ix1表示桥臂上开关管Tx1的关断功耗，Eoff_Ix2表示桥臂上开关管Tx2的关断功耗，Eoff_Ix3表示桥臂上开关管Tx3的关断功耗，Eoff_Ix4表示桥臂上开关管Tx4的关断功耗；所述桥臂上二极管通断功耗的计算公式为：式中，Erec_Dx1表示桥臂上二极管Dx1的导通功耗，Erec_Dx3表示桥臂上二极管Dx3的导通功耗，Erec_Dx12表示桥臂上二极管Dx12的导通功耗，Erec_Dx34表示桥臂上二极管Dx34的导通功耗。4.根据权利要求3所述的牵引变流器器件结温在线计算方法，其特征在于，开关管的通断功耗包括导通功耗和关断功耗，且开关管的通态功耗受初始通态压降和通态等效电阻影响；二极管的通断功耗为反向恢复损耗，且二极管的通态功耗受初始通态压降和通态等效电阻影响；所述建立所述目标器件的当前周期的通断功耗与上一周期结温之间的第二关系模型、以及所述目标器件当前周期的通态功耗与上一周期结温之间的第三关系模型具体包括以下步骤：式中，Tj_Ixi表示目标桥臂上第i个开关管的芯片结温，uceo_xi表示该开关管的初始通态压降，rIon_xi表示该开关管的通态等效电阻，i表示目标桥臂上开关管的编号，i＝1,2,3,4，aceo_xi和cceo_xi表示开关管初始通态压降的拟合系数，aIon_xi和cIon_xi表示开关管通态等效电阻的拟合系数，表示开关管在结温为125℃时的导通功耗，表示开关管在结温为25℃时的导通功耗，表示开关管在结温为125℃时的关断功耗，表示开关管在...

【专利技术属性】
技术研发人员：桂卫华，杨超，彭涛，周璐，阳春华，张境容，陈志文，陶宏伟，
申请(专利权)人：中南大学，
类型：发明
国别省市：湖南,43