[發明專利]傳動系統牽引支撐電容的選型和設計方法

有效

• 申請號: 201910367499.2
• 申請日: 2019-05-05
• 公開（公告）號: CN110083955B
• 公開（公告）日: 2022-03-15
• 發明（設計）人: 葛興來;姚博
• 申請（專利權）人: 西南交通大學
• 主分類號: G06F30/27
• 分類號: G06F30/27;G06N3/04;G06F119/02
• 代理公司: 成都信博專利代理有限責任公司 51200
• 代理人: 舒啟龍

本發明公開了一種傳動系統牽引支撐電容的選型和設計方法。基于牽引傳動模型和薄膜直流環節電容器壽命模型收集不同優劣工況條件下，不同支撐電容參數的多維度壽命估計數據。同時，收集和折算不同制造商的數量和成本數據。進一步引入多層高維深度學習網絡DNN模型預測體積，成本和預期壽命，并通過均方誤差(MSE)驗證模型的準確性。該發明可以快速準確地將電容器的性能參數映射到所選直流環節電容器的體積，成本和預期壽命，并實現將電容器的性能參數用作黑箱，面向用戶的需求，直接針對薄膜直流環節支撐電容器的體積，成本和壽命進行選型和設計。

技術領域

本發明涉及電子元器件的可靠性的選型和設計方法，具體來說是涉及通過牽引傳動系統支撐電容的可靠性分析，對牽引傳動系統支撐電容進行選型和設計的方法。

背景技術

電容器被認為是電力電子系統中最脆弱的部件之一，因此電容器的可靠性日益成為一個突出的問題。在牽引傳動中，直流環節支撐電容主要起到儲能和過濾的作用，其可靠性與高速牽引驅動系統的安全性和性能息息相關。使用具有更高電壓和更長壽命的薄膜電容器來代替鋁電解電容器是一種趨勢。因此，研究牽引傳動系統中薄膜直流環節電容器的可靠性具有重要意義。王懷，F.Blaabjerg給出了薄膜電容器壽命的數學模型，并分析了直流環節電容器的失效機理。王浩然，P.Davari等人提出了一種考慮頻率和電網電壓不平衡影響的電容器壽命估算方法，并給出了薄膜電容器和電解電容器之間的性能比較。M.Horák等人通過加速老化試驗研究了丙烯薄膜電容器參數的非線性變化規律。

同時考慮到電容，電感，電阻等無源元件需要十多年甚至幾十年的運行周期，意味著應在器件設計開始時就仔細考慮和設計器件的壽命和故障率，并根據分析結果反饋到器件的設計指標和參數上。所以在牽引傳動系統運行之前，就應該通過一些電容器的設計方案對電容的選型進行支撐。王浩然等人從可靠性和成本的角度評估了無源直流母線的設計方法，并發明了一種雙端有源電容器，并討論了其設計約束和阻抗建模。隨著CPU性能的提高，深度學習已應用于電力電子領域的設計實踐中。Y.LeCun等人提出了深層神經網絡(DNN)的運用概念，其較高的層數和較多的神經元個數被用于有效地解決圖像識別和相關的設計問題。Shakirov V V等人比較了幾種智能算法的結果表明，DNN可以合理地處理復雜參數并完成不同特征參數的分類。

發明內容

本發明的目的是提出一種基于可靠性分析的牽引傳動系統支撐電容的選型和設計方法，旨在能快速準確地將電容器的性能參數映射到所選直流環節電容器的體積，成本和預期壽命，并實現牽引傳動系統中直流環節薄膜電容器的主動選擇和設計。

本發明的目的是通過如下的手段實現的：

一種基于可靠性分析，采集相關數據，考慮到其電容的運行壽命，購買成本，使用體積對牽引傳動系統支撐電容的選型和設計方法，包括數據的收集和數據的處理兩部分；牽引傳動模型和薄膜直流環節電容器壽命模型收集壽命估計數據；建立適用于支撐電容的多層高維深度學習網絡建立DNN(深度神經網絡)模型預測體積，成本和預期壽命。包含如下的主要步驟：

1)、建立不同優劣工況條件，不同支撐電容參數的多維度電容電參數采集模型，并獲得電容器電壓和電流紋波信號的數據集合。

建立牽引傳動系統的仿真模型，其中包括設置直流鏈路電容器額定電壓V_cap,電容值C_cap和等效電阻ESR的設計參數。

為了反映不同運行環境,不同工況運行的負載變化，根據實際運行情況，在牽引傳動系統中設置不低于兩個測試工況，其中測試工況之間需要有一定的針對性和區別，并反饋給牽引傳動系統的主電路。

為了實現電容器參數的定量設計，通過一系列電參數收集關鍵數據以獲得電容器的電信號。

在工作條件發生變化時，電容器的電壓和電流會存在一定的突變，表明在直流環節中發生了一定的振蕩。隨著C_cap的減小和ESR的增加，直流環節上的振蕩程度也顯著增加。