摘要
摘要
整流二极管作为地铁牵引整流装置中的核心器件，其长期安全可靠的工作对于整
个地铁供电系统的稳定运营至关重要。根据电力电子系统的可靠性调研报告，功率器
件的失效因素中，约55%是由温度导致的，结温的监测对于评价器件健康状态具有重
要意义。因此本文基于整流二极管的结温，对其进行了故障诊断、结温提取、寿命预
测三个方面的研究，并设计了上位机系统对二极管状态进行监测。
针对地铁整流柜内二极管发生短路、开路故障的问题，本文提出了一种基于二极
管功率变化特征的故障判别方法。在地铁牵引供电系统模型的基础上，仿真分析了当
二极管发生短路、开路故障时，整流电路内各个二极管的功率变化特征。由于二极管
的功率与结温呈正相关，基于此利用故障管的结温变化特征判断出二极管的故障位置，
利用其他位置二极管的结温变化特征判断出二极管的故障类型，最后通过仿真验证了
所提方法的正确性。
温度作为诱发二极管失效的主要原因，对结温进行精确提取是监测二极管健康状
态的基础。结温的提取通常需要破坏模块封装，为了不破坏二极管结构，本文采用热
网络模型法间接测得二极管结温。首先根据二极管与散热器的各层材料参数构建了双
向散热的Cauer热网络模型，然后结合地铁牵引供电模型中的二极管运行功耗，仿真
得到各物理层的温度。最后通过建立有限元热仿真进行结果对比，验证了热网络模型
的正确性。
为了提前预警二极管老化失效，本文对整流二极管的剩余寿命预测进行了研究。
以热阻作为评估老化的特征参量，将二极管的老化进程分为若干个阶段，建立分段寿
命模型。然后采用雨流计数法对结温波动曲线进行热载荷提取，将载荷代入到寿命模
型中，得到寿命与热阻的关系。结合热网络模型中热阻与结温的关系，即可通过监测
结温预测二极管的剩余寿命。
最后，本文以实验室虚拟仪器工程平台作为上位机开发环境，设计了二极管状态
监测系统，上位机功能主要包括：二极管故障诊断、二极管结温监测、二极管与散热
器温度分布监测、二极管剩余寿命预测。其中二极管的结温监测采用射频识别技术与
热网络模型相结合的方法，实现了对二极管结温的无线测量。
关键词：地铁牵引整流器二极管；故障诊断；结温提取；寿命预测
论文类型：应用研究
I
目录
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摘要I
ABSTRACTIII
目录V
第1章绪论1
1.1课题背景及研究意义1
1.2国内外研究现状2
1.2.1二极管故障诊断研究现状2
1.2.2二极管结温测量研究现状2
1.2.3二极管寿命预测研究现状4
1.3研究内容及章节安排5
第2章地铁牵引整流器二极管故障诊断研究7
2.1二十四脉波整流机组工作原理7
2.2地铁牵引供电系统建模9
2.2.1电源模型9
2.2.2整流系统建模10
2.3基于功率损耗的故障诊断方法12
2.3.1诊断思路12
2.3.2二极管故障波形分析12
2.3.3二极管开路、短路故障下功率变化特征分析14
2.3.4二极管故障识别16
2.3.5仿真验证17
2.4本章小结18
第3章地铁牵引整流器二极管结温提取研究19
3.1热网络模型介绍19
3.2Cauer热网络模型的搭建20
3.2.1热阻、热容参数20
3.2.2传热角度20