一种矿用电力电子装备健康管理系统及方法与流程

本发明涉及矿用电力电子装备健康管理，特别是涉及一种矿用电力电子装备健康管理系统及方法。

背景技术：

1、近年来，随着我国科技水平的不断提高，煤矿企业得到了一定的发展，对矿用电力电子装备的可靠性也提出了更高的要求。现代电力电子电路因其低噪声、高效率、高功率密度等优点，被广泛应用于煤矿主要用电设备的驱动系统中，例如矿用提升机、煤矿胶带输送机、水泵、风机等，承担着电能变换的作用。但由于矿用电力电子装备运行环境恶劣，负荷变化大，矿用电力电子装备容易发生故障，进而造成一定程度的经济损失和人身危险。所以，对矿用电力电子装备的运行状态进行监测是保证其安全性能的重要手段和依据。

2、电力电子功率器件是矿用电力电子装备的核心组成部分。现代矿用电力电子装备大多通过对电力电子功率器件，如mosfet、igbt等，进行开关控制，以实现所需的功能。作为矿用电力电子装备的核心元件，电力电子功率器件的可靠性已成为矿用电力电子装备安全运行的重要因素，其健康状态对于矿用电力电子装备的安全性和有效性至关重要。然而工业调查显示，电力电子功率器件是矿用电力电子装备中最易失效的组件之一，失效率占了34％。电力电子功率器件的失效原因大致可分为突发性失效和老化失效，突发性失效是由于电力电子功率器件突然承受超过额定范围的电压、电流、温度等应力，具有瞬时性和不可预见性。老化失效是电力电子功率器件在正常工况下，不断承受电热应力的冲击，导致其性能不断退化，这种失效具有缓慢性、累积性和必然性，如果不能及时发现并对发生老化的电力电子功率器件进行及时处理，将会导致灾难性故障的发生。

3、在矿用电力电子装备运行过程中，功率波动、环境变化以及间歇工作状态都会加速电力电子功率器件的老化失效，从而降低矿用电力电子装备的可靠性，因此，监测电力电子功率器件的老化程度并施加相应的延寿管理，对矿用电力电子装备来说具有重要意义。

技术实现思路

1、本发明的目的是提供一种矿用电力电子装备健康管理系统及方法，能够达到监测电力电子功率器件的老化程度并施加相应的延寿管理的目的。

2、为实现上述目的，本发明提供了如下方案：

3、一种矿用电力电子装备健康管理系统，包括：数据采集单元、老化模型单元、老化检测单元以及延寿管理单元；

4、所述数据采集单元的输出端与所述老化检测单元的第一输入端连接；所述老化模型单元的输出端与所述老化检测单元的第二输入端连接；所述老化检测单元的输出端与所述延寿管理单元的输入端连接；

5、所述数据采集单元用于采集在实际工况下目标功率器件运行时的工作参数，并对所述工作参数进行处理以得到所述目标功率器件的工作数据；所述目标功率器件为矿用电力电子装备中的功率器件；所述工作数据包括实际工作电压、实际关断时刻集电极电流、实际关断时间和实际热敏电阻阻值；

6、所述老化模型单元用于储存结温检测模型和关断时间预测模型；

7、所述老化检测单元用于基于所述工作数据、所述结温检测模型和所述关断时间预测模型，确定所述目标功率器件的老化程度；所述老化程度包括未老化、轻微老化和严重老化；

8、所述延寿管理单元用于当所述目标功率器件的老化程度为轻微老化或严重老化时，确定延寿管理措施；所述延寿管理措施用于对所述目标功率器件进行延寿管理。

9、可选的，所述数据采集单元包括传感器模块、信息处理模块及信息输出模块；

10、所述传感器模块用于采集在实际工况下目标功率器件运行时的工作参数；

11、所述信息处理模块用于对所述工作参数进行处理以得到所述目标功率器件的工作数据；

12、所述信息输出模块用于输出所述目标功率器件的工作数据。

13、可选的，所述老化模型单元包括第一储存模块、第二储存模块、老化阈值计算模块和模型输出模块；

14、所述第一储存模块用于储存结温检测模型；所述结温检测模型为表征不同老化程度下热敏电阻阻值和结温之间关系的二维数据模型；

15、所述第二储存模块用于储存关断时间预测模型；所述关断时间预测模型为表征不同老化程度下关断时间、工作电压和关断时刻集电极电流之间关系的三维数据模型；

16、所述老化阈值计算模块用于计算第一相对偏差值和第二相对偏差值；所述第一相对偏差值和所述第二相对偏差值用于划分功率器件的老化程度；

17、所述模型输出模块用于输出所述结温检测模型、所述关断时间预测模型、所述第一相对偏差值和所述第二相对偏差值。

18、可选的，所述老化检测单元包括结温检测模块、预测模块、比较模块及老化判定模块；

19、所述结温检测模块用于根据所述实际热敏电阻阻值和所述结温检测模型，确定所述目标功率器件的实际结温；

20、所述预测模块用于根据所述实际工作电压、所述实际关断时刻集电极电流、所述实际结温和所述关断时间预测模型，确定所述目标功率器件的预测关断时间；

21、所述比较模块用于将所述实际关断时间和所述预测关断时间之间的差值的绝对值确定为实际偏差值；

22、所述老化判定模块用于：

23、将所述实际偏差值分别与所述第一相对偏差值和所述第二相对偏差值进行比较；

24、当所述实际偏差值小于或者等于所述第一相对偏差值时，确定所述目标功率器件的老化程度为未老化；

25、当所述实际偏差值大于所述第一相对偏差值且所述实际偏差值小于所述第二相对偏差值时，确定所述目标功率器件的老化程度为轻微老化；

26、当所述实际偏差值大于或者等于所述第二相对偏差值时，确定所述目标功率器件的老化程度为严重老化。

27、可选的，所述延寿管理单元用于：

28、当所述目标功率器件的老化程度为轻微老化，确定延寿管理措施为及时提升器件冷却能力和减小负载功率；

29、当所述目标功率器件的老化程度为严重老化时，确定延寿管理措施为更换所述目标功率器件。

30、一种矿用电力电子装备健康管理方法，包括：

31、对标记功率器件进行老化标定实验，以获取所述标记功率器件的实验数据；所述实验数据包括实验关断时间、实验工作电压、实验关断时刻集电极电流、实验结温和实验热敏电阻阻值；所述标记功率器件为与目标功率器件同规格的功率器件；所述目标功率器件为矿用电力电子装备中的功率器件；

32、基于所述标记功率器件的实验数据，构建结温检测模型和关断时间预测模型；

33、监测并记录在实际工况下所述目标功率器件运行时的工作参数；

34、基于所述工作参数、所述结温检测模型和所述关断时间预测模型，确定所述目标功率器件的老化程度；所述老化程度包括未老化、轻微老化和严重老化；

35、当所述目标功率器件的老化程度为轻微老化或严重老化时，确定延寿管理措施；所述延寿管理措施用于对所述目标功率器件进行延寿管理。

36、可选的，所述基于所述工作参数、所述结温检测模型和所述关断时间预测模型，确定所述目标功率器件的老化程度，具体包括：

37、对所述工作参数进行预处理，以得到所述目标功率器件的工作数据；所述工作数据包括实际工作电压、实际关断时刻集电极电流、实际关断时间和实际热敏电阻阻值；

38、根据所述实际热敏电阻阻值和所述结温检测模型，确定所述目标功率器件的实际结温；

39、根据所述实际结温、所述实际工作电压、所述实际关断时刻集电极电流和所述关断时间预测模型，确定所述目标功率器件的预测关断时间；

40、根据所述实际关断时间和所述预测关断时间，确定所述目标功率器件的老化程度。

41、可选的，所述根据所述实际关断时间和所述预测关断时间，确定所述目标功率器件的老化程度，具体包括：

42、将所述实际关断时间和所述预测关断时间之间的差值的绝对值确定为实际偏差值；

43、当所述实际偏差值小于或者等于第一相对偏差值时，确定所述目标功率器件的老化程度为未老化；

44、当所述实际偏差值大于所述第一相对偏差值且所述实际偏差值小于第二相对偏差值时，确定所述目标功率器件的老化程度为轻微老化；

45、当所述实际偏差值大于或者等于所述第二相对偏差值时，确定所述目标功率器件的老化程度为严重老化。

46、可选的，当所述目标功率器件的老化程度为轻微老化或严重老化时，确定延寿管理措施，具体包括：

47、当所述目标功率器件的老化程度为轻微老化，确定延寿管理措施为及时提升器件冷却能力和减小负载功率；

48、当所述目标功率器件的老化程度为严重老化时，确定延寿管理措施为更换所述目标功率器件。

49、可选的，所述基于所述标记功率器件的实验数据，构建结温检测模型和关断时间预测模型，具体包括：

50、根据所述实验结温和所述实验热敏电阻阻值，构建结温检测模型；所述结温检测模型为表征不同老化程度下热敏电阻阻值和结温之间关系的二维数据模型；

51、根据所述实验关断时间、所述实验工作电压和所述实验关断时刻集电极电流，构建关断时间预测模型；所述关断时间预测模型为表征不同老化程度下关断时间、工作电压和关断时刻集电极电流之间关系的三维数据模型。

52、根据本发明提供的具体实施例，本发明公开了以下技术效果：

53、本发明的目的是提供一种矿用电力电子装备健康管理系统及方法，能够达到监测电力电子功率器件的老化程度并施加相应的延寿管理的目的。

54、为实现上述目的，本发明提供了如下方案：

55、本发明提供了一种矿用电力电子装备健康管理系统及方法，包括：数据采集单元、老化模型单元、老化检测单元以及延寿管理单元。本发明通过实际工作电压、实际关断时刻集电极电流、实际关断时间、实际热敏电阻阻值、结温检测模型和关断时间预测模型，确定目标功率器件的老化程度，并根据目标功率器件的老化程度确定延寿管理措施，从而达到监测电力电子功率器件的老化程度并施加相应的延寿管理的目的。