（控制科学与工程专业论文）基于小波变换和神经网络的电压型变频器故障诊断系统.pdf

摘要 随着电力电子技术和微电子技术的迅猛发展，作为交流电动机主 要调速方式的变频调速技术取得日新月异的进步。变频器以其优异的 控制性能和显著的节能效果在多个领域得到广泛的应用。与其他生产 设备一样，基于事物内部的矛盾性，变频器经常会出现各种各样的故 障。主电路部分元器件故障是导致系统失效的主要原因。据统计，8 0 的控制系统失效都源于元器件的故障，所以研究变频器中主电路部分 的故障问题，无疑具有重要的应用价值。 由于变频器利用实验实际获取数据困难，所以本文首先对变频调 速系统在m a t l a b 软件中进行仿真，针对市场主流的电压型变频器， 建立其主电路的仿真模型，模拟了实际工况中几种常见的变频器主电 路故障，如晶闸管开路、快速熔断器熔断、触发脉冲丢失等引起的支 路开路故障。对于变频器而言，它的关键部分是逆变部分，所以选用 逆变器输出电流波形作为故障特征信息的来源，以此进行故障诊断。 针对逆变电路由于具有非线性的特征而无法建立精确数学模型 进行故障诊断的问题，提出一种基于小波变换和神经网络的逆变电路 故障检测与诊断方法。以三相输出故障电流作为故障信息，利用小波 分析的方法提取低频能量值作为特征向量，通过神经网络实现逆变电 路故障桥臂定位，最后利用逆变电路同一桥臂故障输出信号对称性的 特点，用一种简单的逻辑判断实现故障元件的分离。仿真结果表明： 该方法可诊断p w m 逆变电路故障，且收敛速度快，诊断准确度高。 本文以t i 公司的t m s 3 2 0 l f 2 8 1 2 为核心，设计了基于小波变换 的变频器故障诊断系统。故障诊断硬件主要包括信号调理、模数转换、 d s p 及其外部接口、电源管理等组成部分。软件部分主要包括波形显 示、谐波分析、小波变换、故障诊断及定位算法等功能模块。 关键词变频器，故障诊断，小波变换，神经网络，d s p a b s t r a c t w i t ht h e r a p i dd e v e l o p m e n to fp o w e re l e c t r o n i c sa n dm i c r o - e l e c t r o n i c s ，f r e q u e n c yc o n v e r s i o nv e l o c i t ym o d u l a t i o na st h em o s tm a i n v e l o c i t ym o d u l a t i o ng e tg r e a td e v e l o p m e n tw i t he a c hp a s s i n gd a y f r e q u e n c yc o n v e r t e ri su s e de x t e n s i v e r l yi nm a n yf i e l d sf o ri t sa d v a n t a g e s o fe x c e l l e n tc o n 仃o lp e r f o r m a n c ea n dp r o m i n e n te f f e c to fp o w e rs a v i n g a st h e 。o t h e re q u i p m e n t s ，f r e q u e n c yc o n v e r t e ro r e ng o e sw r o n gf o rt h e a n t i n o m y t h ef a u l to fe l e c t r o n i cc o m p o n e n t si st h em a i nr e a s o nf o rr e s u l t t h es y s t e mi n v a l i d a t i o n s s t a t i s t i c sh a v ei n d i c a t e dt h a t 8 0 o ft h ec o n t r o l s y s t e mi n v a l i d a t i o n sa r ed u et ot h ef a u l to ft h ee l e c t r o n i cc o m p o n e n t s s o t h er e s e a r c ha b o u tt h ef a u l to fm a i nc i r c u i ti s v e r yv a l u a b l ei nt h e e n g i n e e r i n g b e c a u s eo ft h el i m i to fc o n d i t i o n , w ec a l l tg e tt h ef a u l ti n f o r m a t i o n o nt h ec o n d i t i o no ff a u l tw h i c hc a l lb eu s e da st h eb a s eo ff a u l td e t e c t i o n a n dd i a g n o s i s a tf i r s t ，t h es i m u l a t i o nm o d e lo fv a r i e d - f r e q u e n c ys y s t e m w a sb u i l t a n do nt h i sb a s e ，a i ma tt h ep o p u l a r v o l t a g es o u r c ef r e q u e n c y c o n v e r t e ri nt h em a r k e t ，t h i sp a p e rb u i l di t ss i m u l a t i o nm o d e la n d s i m u l a t es o m ek i n d so f f r e q u e n c yc o n v e r t e rm a i nc i r c u i tf a u l t st h a tc a nb e m e tu s u a l l y , s u c ha sb r a n c ho p e nc i r c u i tf a u l tw h i c hi sc a u s e db vs c r o p e nc i r c u i t ，f u s ef u s i n g ，p u l s el o s se t c t h ek e yp a r to ff r e q u e n c y c o n v e r t e ri si n v e r t e rm o d u l e s ow ec a l le x t r a c tt h et h r e e - p h a s ec u r r e n to n t h ec o n d i t i o no ft h ef a u l tw h i c hc a nb eu s e da sf a u l td i a g n o s i s f o rt h ec h a r a c t e ro fn o n l i n e a r , i n v e r t e rc a n tu s ea c c u r a t em a t h e m a t i c a lm o d e lf o rf a u l td i a g n o s i s ，an o v e la l g o r i t h mb a s e do nw a v e l e t a n a l y s i sa n dn e u r a ln e t w o r kw a sp r e s e n t e dt od e t e c ta n dd i a g n o s ei n i n v e r t e r n o n li n e a rm a t l a bs i m u l a t i o nm o d e lo f t h r e e - p h a s es i n e p w m i n v e r t e rw a ss e t u p t h r e e - p h a s ec u r r e n ta c t e da sf a u l ti n f o r m a t i o n , d r a w i n go u tt h ef a u l tc h a r a c t e r i s t i c sb yw a v e l e ta n a l y s i sa st h ei n p u t so f n c a l r a ln e t w o r kt op o s i tt h ei n v e r t e rb r i d g ew i t hs w i t c hf a u l t l a s t l y , a s i m p l ej u d g es t r a t e g yf o rl o c a t i n gt h ef a u l ts w i t c h e sb a s e do nt h e s y m m e t r yo ft h r e e - p h a s ef a u l tw a sp r o p o s e d t h es i m u l a t i o nr e s u l t ss h o w t h a tt h ea l g o r i t h mc a nb eu s e dt od i a g n o s et h ep w m i n v e r t e r , a n dt h e a l g o r i t h mi s f a s t e ra n dm o r ea c c u r a t et h a no t h e ra l g o r i t h mi nt h e c o n v e r g e n c er a t ea n df a u l td i a g n o s i s i nt h er e a l i z i n ga s p e c t ，t m s 3 2 0 l f 2 812i su s e da sc o r ec o n t r o lc h i p a n dt h ef a u l td i a g n o s i ss y s t e mf o rc o n t r o l l e dv o l t a g es o u r c ef r e q u e n c y c o n v e r t e ro nw a v e l e ta n a l y s i si sd e v e l o p e d 砀ef a u l td i a g n o s i sh a r d w a r e i n c l u d e sf o rf i v ep a r t s ：s i g n a la d j u s t m e n ta n dc o m m u n i c a t i o ni n t e r f a c e ， a d ，d s p , p o w e rm a n a g e s o f t w a r ei n c l u d e sw a v es h o w , h a r m o n i c s a n a l y s i s ，w a v e l e ta n a l y s i s ，f a u l td i a g n o s i sa n di d e n t i f ya l g o r i t h m ，a n ds o o n k e yw o r d s f r e q u e n c yc o n v e r t e r , f a u l td i a g n o s i s ，w a v e l e t t r a n s f o r m , n e u r a ln e t w o r k ，d s p m 原创性声明 本人声明，所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究 工作及取得的研究成果。尽我所知，除了论文中特别加以标注和致谢 的地方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不 包含为获得中南大学或其他单位的学位或证书而使用过的材料。与我 共同工作的同志对本研究所作的贡献均已在论文中作了明确的说明。 作者签名： 学位论文版权使用授权书 本人了解中南大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校 有权保留学位论文并根据国家或湖南省有关部门规定送交学位论文， 允许学位论文被查阅和借阅；学校可以公布学位论文的全部或部分内 容，可以采用复印、缩印或其它手段保存学位论文。同时授权中国科 学技术信息研究所将本学位论文收录到中国学位论文全文数据库， 并通过网络向社会公众提供信息服务。 作者签名： 师签名逝日期：丝呈年魈日 硕士学位论文 第一章绪论 1 1 研究背景与意义 第一章绪论 近年来，随着电力电子技术、计算机技术、自动控制技术的迅速发展，电气 传动技术面临着一场历史性的革命，即交流调速取代直流调速和计算机数字控制 技术取代模拟控制技术。目前，交流调速传动已经上升为电气调速传动的主流【。 在中、小容量范围内，采用自关断器件的全数字控制p w m 变频器已经实现通用 化，全数字控制方式的软件功能不但考虑到通用变频器自身的内在性能，而且还 融入了大量的使用经验和技术、技巧、使得通用变频器的r a s 三性( r e l i a b i l i t y 可靠性、a v a i l a b i l i t y 可使用性、s e r v i c e a b i l i t y 可维修性) 功能得以充实。由于变 频器具有调速范围宽、调速精度高、动态响应快、运行效率高、功率因素高、操 作方便且便于同其他设备接口等一系列优点，所以应用越来越广泛，经济效益十 分显著。 然而，基于事物内部的矛盾性，各种各样的原因使变频器在运行时出现各种 故障，一旦发生故障，轻则使调速系统不能正常工作，重则使设备损坏，影响生 产。因此，除了在设计变频器时采用各种方案预防故障的发生和保证制造质量之 外，应建立高可靠性的变频器故障诊断系统，在故障发生前防患于未然，在故障 发生以后，能及时进行保护动作、停机或容错，同时进行故障分析，指出故障类 型，以便进行维修，及时恢复生产，将损失降低到最小。 目前，计算机硬件和软件的可靠性已达到了较高水平，而主电路部分元器件 的失效已成为导致系统失效的主要原因。据有关统计，8 0 0 , 4 的控制系统失效都是 起因于元器件的故障【2 】，所以，研究变频器中主电路部分的故障诊断问题，无疑 会具有重大的理论和应用价值。 1 2 变频器故障诊断技术国内外研究现状 故障诊断【3 】( f d ，f a u l td i a g n o s i s ) 始于机械设备故障诊断。现代设备技术水平 和复杂度不断提高，设备故障对生产的影响也显著增加，因此要保证设备可靠、 有效地运行，充分发挥其效益，必须发展故障诊断技术。 故障诊断技术借助于现代测试、监控和计算机分析等手段，研究设备在运行 中或相对静止条件下的状态信息，分析设备的技术状态，诊断其故障的性质和起 因，并预测故障趋势，进而确定必要的对策。利用故障诊断技术可以早发现故障 征兆和原因，有利于及早排除故障和安全隐患，避免不必要的损失，因而具有很 硕士学位论文第一章绪论 高的经济和社会效益。随着现代工业及科学技术的迅速发展，生产设备日趋大型 化、高速化、自动化和智能化，系统的安全性、可靠性和有效性日益变得重要和 复杂，因而设备的故障诊断技术愈来愈受到人们的重视，已成为国际自控界的热 点研究方向之一。 近年来，变频器以其优异的控制性能，在调速领域独树一帜，并在工业领域 及家电产品中得到迅速推广。此时，变频技术和变频器制造已经从一般意义的拖 动技术中分离出来，成为世界各国在工业自动化和机电一体化领域中争强占先的 阵地，各发达国家更是在该技术领域注入了极大的人力、物力和财力，使之目前 已经进入了高新技术行业。但是如果对变频器维护不周或者使用不当，往往导致 变频器不能正常运行，甚至引发设备故障，造成生产中断】。 目前的变频器故障报警系统都是采用快速检测电路，将变频器和电动机的工 作状态反馈至微处理器，并由微处理器按照事先确定的算法处理后，判断变频器 本身和系统是否异常，并给出相应的控制或报警信掣6 】。这种报警方式需要的时 间较长，而且不能实现精确报警。目前故障诊断理论在变频器中的应用还很不成 熟，这一问题已引起国内外学者的高度重视，并在理论上作了一些探讨。由于主 电路是变频器最易发生故障的部位【7 1 ，其运行状态直接关系到整个变频器的安全 性和可靠性，而且这部分的结构相对简单，因此目前对变频器故障诊断的研究主 要集中在主电路部分。目前国内外变频器主要的研究方法有以下几种： l 、基于信号处理的变频器故障诊断 文献 8 】提出用傅立叶方法诊断三相全控整流电路的故障。通过对关键信号 波形进行傅立叶分析，将时域信息变换到频域分析，根据幅值特征诊断出是哪一 种故障，再利用相位特征诊断到故障类型中的具体故障元。文献 9 】提出基于沃 尔什分析法的三相全控整流电路诊断方法。通过电路中包含故障信息的关键点波 形作沃尔什变换，将时域中波形的一个周期变换到频率域中，利用频率域中的故 障特征，实现故障的检测与定位。基于信号处理的故障诊断方法，无需对象的数 学模型，灵敏度高，诊断速度快，实现简单，可在线实时故障诊断，但最大的难 点是故障特征判别参数的设定，没有一种通用的、切实可行的设定方法，通常需 要根据专家经验整理归纳来设定。 2 、基于故障树的变频器故障诊断 ( 1 ) 故障树诊断原理： 故障树模型是一个基于被诊断对象结构、功能特性的行为模型，是一种定型 的因果模型，以系统最不希望事件为顶事件，以可能导致顶事件发生的其他事件 为中间事件和底事件，并用逻辑门表示事件之间联系的一种倒树状结构【姗。它 反映了特征向量和故障向量( 故障原因) 之间的全部逻辑关系。 2 硕士学位论文 第一章绪论 ( 2 ) 基于故障树的变频器故障诊断方法的步骤： - 、选择合理的顶事件，一般以待诊断对象故障为顶事件； b 、建造正确合理的故障树，根据对变频器进行的故障分析，建立如图1 1 所示的故障树【1 1 , 1 2 ； c 、选择合理的搜寻方式( 逻辑推理诊断法和最小割集诊断法) ，进行故障搜 寻与诊断。 耋豪蓬寒_ 控 不正矿 采定 设定 错误 整流 电路 掣娆 娆弧名 主电路 添弧 短开过过过 路路袭压渣 功率元件故障 勰入开路 电路 开路 0 时，其小波变换的模极大值随尺度的增大而增大； 当a 0 时，则随尺度的增大而减小。噪声对应的l i p s c h i t z 指数远小于0 ，而信号 这边沿对应的l i p s c h i t z 指数大于或等于0 。因此，利用小波变换可以区分噪声和 信号边沿，有效地检测出强噪声背景下的信号边沿( 缓变或突变) 。离散正交小 波变换和连续正交小波变换的时域特性相似，二者都能够描述信号的频域随时间 4 硕士学位论文 第一章绪论 变化情况或信号在某时刻附近的频域分布。且离散正交小波变换可以采用m a l l e t 算法，数据量较小，计算速度快 目前利用小波变换进行故障诊断的方法有三种f 3 s 阄： ( 1 ) 利用观测信号的奇异性进行故障诊断 动态系统的故障通常会导致系统的观测信号发生变化，若能采取一定的措施 消除系统状态变化以外的因素的影响，直接利用连续小波变换检测观测信号的奇 异点，就可以检测出系统故障。 ( 2 ) 利用观测信号频率结构的变化进行故障诊断 振动系统的故障通常会导致系统观测信号的频率发生变化。若能采用一定的 措施消除系统状态变化以外的因素对观测信号的影响，则利用离散正交小波变换 分析观测信号的频率结构随时间的变化情况，就可以检测系统的故障。 ( 3 ) 利用脉冲响应函数的小波变换进行故障诊断 e y k h o f f 的连续系统脉冲响应辨识方法的基本思想是将系统脉冲响应函数的 辨识转化为脉冲响应函数在一组正交函数基上的投影系数的辨识。若将e y k h o f f 方法中的正交函数基取为离散正交小波基，所得到的脉冲响应辨识方法除了保持 原方法的有效性外，而且较基于传统正交函数基的e y k h o f f 方法，具有更强的跟 踪参数变化的能力，辨识结果具有明确的频域物理意义。系统脉冲响应函数在最 大尺度下的小波变换系数描述了它在大尺度下的概貌情况，完全可以代表其整体 特征。而且通常这些小波变换系统中只有2 3 个元素具有较大的模，其余元素的 模都非常小。系统故障导致的系统脉冲响应函数的变化也必然反映在这少数几个 小波变换系统的变化中。以系统的状态为参照，根据系统待检状态下辨识得到的 这几个元素或其平均值随时间的变化情况就可以判断有无故障。由于这些元素或 其平均值和系统的状态相对应，还可以利用它们在突变后的取值并结合系统的经 验知识进行故障分离。 基于小波变换的故障诊断方法具有无需对象的数学模型，且对于输入信号的 要求较低、计算量不大、灵敏度高、克服噪声能力强等特点，是一种很有前途的 故障诊断方法。 1 4 本课题研究的主要内容 本课题研究内容主要包括理论分析和具体实现两个方面。在理论上，本文对 电压型p w m 变频器主电路逆变部分在正常运行和故障状态下的三相输出电流 波形进行了详细分析和研究，从理论上探索其故障诊断方法。在具体实现上，设 计了基于小波变换的变频器故障诊断系统。 具体研究工作主要包括以下几个方面： 5 硕士学位论文第一章绪论 l 、在综合分析研究变频器原理、工作特性以及故障类型的基础上，验证变 频器智能故障诊断技术的可行性。 2 、利用m a t l a b 仿真软件，对电压型p w m 变频器主电路进行仿真研究， 为正确地进行故障诊断打下良好的基础，保证了研究的诊断方法具有合理性和适 应性。 3 、深入分析电压型变频器的逆变部分，针对其逆变电路由于具有非线性的 特征而无法采用精确的数学模型进行故障诊断的问题，提出一种基于小波变换和 神经网络的新型逆变电路故障检测与诊断方法。 4 、基于小波变换的变频器故障诊断系统的硬件设计和上位机软件开发。以 t m s 3 2 0 f 2 8 1 2 为核心，进行硬件电路设计以及用v i s u a lc h 进行上位机软件的 开发。 6 硕士学位论文第二章变频器故障诊断流程分析 第二章变频器故障诊断流程分析 变频器的发展已有数十年的历史，在变频器的发展过程中也曾出现过多种类 型的变频器，本文所研究的对象是目前作为市场主流的交直交电压型p w m 变 频器。 2 1 变频器的基本结构 图2 1 给出了一个典型的电压控制通用变频器的硬件结构框图。虽然变频器 的种类很多，其内部结构也各不相同，但大多数变频器都具有图2 1 所示的结构， 它们的区别仅仅是控制电路和检测电路的实现不同以及控制算法的不同而已。现 在结合图2 1 简单介绍一下通用型变频器各部分电路的基本作用。 剽整流螨 一整流电路 商用电源i 竺兰竺h 竿嗡 控制电路 图2 l 通用型变频器的基本结构 一般的三相变频器的整流电路由三相全波整流桥组成。它的主要作用是对工 频的外部电源进行整流，经中间直流环节滤波后为逆变电路和控制电路提供所需 要的直流电源。整流电路按其控制方式可以是直流电压源，也可以是直流电流源。 电压型变频器的整流电路是属于不可控整流桥直流电压源。 直流中间电路的作用是对整流电路的输出进行平滑，以保证逆变电路和控制 电源能够得到质量较高的直流电源。当整流电路是电压源时，直流中间电路的主 要器件是大容量的电解电容；而当整流电路是电流源时，直流中间电路则主要由 大容量电感组成。此外，由于电动机制动的需要，在直流电路中有时还包括制动 电阻以及其他的辅助电路。 逆变电路是变频器主要组成部分之一它的主要作用是在控制电路的控制 下，将平滑电路输出的直流电源转化为频率和电压都任意可调的交流电源。逆变 器的输出就是变频器的输出，它被用来实现对异步电动机的调速控制。 变频器的控制电路包括主控制电路、信号检测电路、门极( 基极) 驱动电路、 外部接口电路以及保护电路等几个部分，控制电路的优劣决定了变频器性能的优 劣。控制电路的主要作用是将检测电路得到的各种信号送至运算电路，使运算电 路能根据要求为变频器主电路提供必要的门极( 基极) 驱动信号，控制电路还通 7 硕士学位论文第二章变频器故障诊断流程分析 过a d ，d a 等外部接口电路接收发送多种形式的外部信号和给出系统内部工 作状态，以便变频器能够和外部设备配合进行各种高性能的控制。 2 2 变频器分类 变频器按主电路结构形式分为交交( a c a c ) 变频器和交直交( a c d c - a c ) 变频器两大类，如果主电路没有直流中间环节则为交交变频器，若存在直流中 间环节则为交直交变频器【3 7 , 3 舯。 i 、交交变频器 交交变频调速系统中，应用较多的是由三套反并联的桥式晶闸管电路构成的 交交变频器和矩阵式交交变频器。常规的交交变频器也叫周波变流器 ( c y c l o c o n v e r t e r ) 。因为没有中间直流环节，仅用一次变换就实现了变频，所以效 率较高。大功率低速交流电动机调速系统所用的变频器主要是交交变频器。此 变频器由s i e m e n s 公司率先开发成功，在七、八十年代取得了迅速发展。我国在 8 0 年代中期引进了这种系统，并加以国产化研究，于1 9 9 2 年成功研制出第一套 可投入工业生产的兆瓦级装置。其单相电路图如图2 - 2 所示： ，i厂 - 。- 丁j z5z 么s 么么 r r y _ 、 n n n t t ：m ，享l1 厂厂l 弋z5 z zsz szst乡， i 图2 - 2 单相交- 交变频电路图 三相交交变频电路是由三相输出电压相位各差1 2 0 。的单相交交电路组 成，每一相都是一套可逆的三相桥式反并联电路，正相桥和反相桥以无环流方式 切换。适当改变晶闸管的触发周期和触发角，可以得到电压和频率都可调的交流 波形。 交交变频器与直流传动相同，也分为有环流与无环流两种方式，以上介绍的 是无环流交交变频器。有环流方式具有良好的切换性能，可以提高变频器的输 出频率。但有环流系统的环流电抗器给大容量传动系统增加了负担，使得投资增 大。因此，大容量传动系统一般都采用无环流交交变频器。 交交变频器其突出的优点是变换中间环节少，变换效率高，缺点是输出频率 最高一般只能达到电网频率的1 2 或1 3 ，因此调速范围受到限制，应用也局限 于一些低速的大功率传动场合。 2 、交一直一交变频器 交一直一交变频器是把工频电源先经过整流变为直流电源，再通过逆变器把直 8 硕士学位论文 第二章变频器故障诊断流程分析 流变为频率、幅值均可调的交流电的变频器。和交一交变频器相比，它多了一个 能量储存环节。能量转换率降低，但由于调速范围广，控制性能好，因此获得更 为广泛的应用。 按照电压、频率的控制方式，交一直一交变频器有三种结构形式： ( 1 ) 可控整流器调压、逆变器调频方式。如图2 - 3 ( a ) 所示：其调压与调频功能 分别在两个环节上实现，由控制电路协调配合，因此结构简单、控制方便。由于 装置输入环节采用可控整流，当低频低压运行时，移相触发角u 很大，致使输 入功率因数低下，此外逆变器多用晶闸管型2 阶梯波，每周换流2 次的逆变器， 器件开关频率低，输出谐波成分大，当然，可控器件如i g b t 的出现使得p w m 控制成为可能，可以大大的改善其工作性能，但成本较高。 ( 2 ) 不可控整流器整流、斩波器调压、逆变器调频方式。如图2 3 ( b ) 所示：由 于采用二极管整流，使输入功率因数提高。由于输出逆变环节功率器件采用晶闸 管，仍有输出谐波成分大的弊病。 ( 3 ) 不可控整流整流、脉宽调制型( p w m ) 逆变器同时实现调压调频方式。如 图2 - 3 ( c ) 所示。此时除装置输入功率因数高，又因采用高开关频率的逆变器，输 出谐波很小，性能优良。本文所研究的变频器为市场上主流的交直交电压型变 频器，其结构正属于这一类。 舭自孚仁兰母r 耐蠢谓i癞 ( a ) 5 0 h z 睦叵茸蓬茸口r ( ” 5 0 h z 鹾f 磊乍兰兰丁赢可r目嵇掀e 二二j 一黻茸r ( c ) 图2 - 3 交直交变频器结构图 根据中间回路的储能元件不同分为电压型和电流型两类。交一直一交电压型变 频器采用大电容作为直流环节的储能元件，其输出电压波形为方波或阶梯波。电 压型变频器的特点是将直流电压源转换为交流电压源，中间环节采用电容滤波， 如图2 4 所示，因此电源阻抗很小，类似于电压源，逆变器输出的电压比较平直， 为矩形波；交一直一交电流型变频器采用大电感作为直流环节的储能元件，其输出 硕士学位论文 第二章变频器故障诊断流程分析 的电流波形为方形或阶梯波。电流型变频器的特点是将直流源转换为交流电流 源，中间环节采用电抗器滤波，如图2 5 所示，因此电源阻抗很大，类似于电流 源。 么sz s z 廿 s z 。 一 一么s 卜 卜l b 一 c s z s s 一2 l 1 滤 一 z 交直交变频电压型变频器 整流 中间电路 ss2 ， 么 么 一一 sz 么 么 s 交直交变频电流型变频器 电流型逆变器和电压型逆变器的特点以及广泛的通用变频器的电 路结交直交电压型变频器主电路所用功率开关元件较少，网侧一般为二极 管整功率因数高，线路较简单，控制可以多样化，故应用最为广泛。因此本 文只此种变频器的故障诊断方法。 2 频器故障诊断系统结构 系统对交直交变频调速系统各部分进行信息采集、处理、采用电 机故断子模块、电源诊断子模块和综合诊断模块并行处理的方式，将处理的 原始、变频器报警故障信息、电源故障诊断的诊断结果和电动机故障诊断子 模块送入综合诊断模块。通过系统的处理，排除电源故障、负载故障的可能 性，故障发生部位为交直交变频器主电路部分，再利用变频器故障诊断子 模块工作，工作方式如图2 - 6 所示： 作方式的原因如下：( 1 ) 交直交变频器在整个系统中处于连接电源1 0 硕士学位论文第二章变频器故障诊断流程分析 与电机的位置，则二者故障都将影响其正常运行，且变频器内部信号不能获取， 只能通过输入输出信息对变频器自身故障进行判断，故首先应排除影响变频器输 入、输出的其他原因，再根据输入、输出信息对变频器故障进行判断，因此该诊 断模块应在故障诊断流程的最后；( 2 ) 电源不稳定、缺相等故障可以直接判断， 作为变频器输入其模块诊断结果和工作状态可以作为独立的信息提供给综合处 理模块；( 3 ) 电动机故障诊断系统是非常复杂的诊断系统，其由轴承振动信号分 析和转子电流信号检测等多种方法综合对电动机故障进行诊断，作为变频器的负 载，其模块诊断结果和电动机状态可以作为独立的信息提供给综合处理模块。 一变篓器h 交流鼻动机 号检巡信号检测 弓信号检测毒弓 数据处理 迫弓j 乡 弓 电源故障诊k _ j 综合处i 一电机故障诊 断子模块r 1 理模块r 刁断子模块 j 变频器故障 诊断子模块 j 多 故障原因 图2 6 变频器故障诊断系统 交直交变频器通常都设置有常见的故障报警标志，由于变频器故障报警对 应的故障源有多种，仅以故障征兆，不对信息进行判断是无法确定具体故障原因。 因此将对整个系统的信息进行采集，根据各诊断子模块确定故障源。 2 3 1 信号检测与处理 l 、信号检测 状态检测的任务是了解和掌握设备的运行状态，包括采用各种检测、测量、 监测、分析和判别方法。结合系统的历史和现状，考虑环境因素，对开关设备运 行状态进行评估，判断其处于正常或非正常状态，并对状态进行显示和记录，对 异常状态做出报警，以便运行人员及时加以处理，并为开关设备的故障分析、性 能评估、合理使用和安全工作提供信息和准备基础数据。 要实现故障诊断首先要采集到所需要的各部位的状态检测信号。检测信号有 电源侧电压、电流值大小以及波形、输出侧功率、功率因数、电动机负载、电动 机旋转速度、电风扇附近振动信号、变频器内温度等。 变频器工作过程中，产生故障的原因是多方面的，要确定故障原因，进行实 时故障诊断，需要采集大量的数据。传感器采集的数据必须经过数据处理，再按 照一定的规则送入故障诊断系统。 硕士学位论文第二章变频器故障诊断流程分析 由于变频器的开关元件是它的主要组成部分，各开关器件的状态在变频器主 电路中都会有一定的表现，也就是说，变频器主电路的电流或电压在一定程度上 都会受到各开关器件状态的影响。因此只要检测到主电路电流或电压的状态和变 化情况，经过分析，就有可能确定各开关器件的状态。由此就带来了本系统的一 个优点，即所需采集的信号量比较少，只需要少量的传感器，减少了由于传感器 的存在带来的误差问题以及成本高的问题等。 2 、信号处理 系统持续对数据进行采集，进行故障诊断所需要的信号由传感器采集后，存 在着不完全、有突变和噪声等问题，通过小波消噪，以获得较为理想的参数。然 后将信号进行分类、加工。获得能表征其特征的信息，也称特征提取过程，如对 电流信号进行小波分解即是这个过程。对于本课题而言，将采集到的三相输出电 流信号进行小波分解，获取其低频能量值作为其特征信号。 3 、状态识别 状态识别的作用主要就是根据获取的特征信息来判断故障的发生情况。在这 一部分中，神经网络是关键部分，直接关系到诊断的正确与否，因此应慎重选择 神经网络。 将经过处理后获得的变频器的特征参数送入神经网络，由神经网络判别变频 器处于何种状态，并由此判定主电路哪部分处于故障状态。 对于本诊断方法而言，主要针对主电路的一些比较严重的故障而言，诸如开 关元件的短路、开路，触发脉冲丢失、快速熔断器熔断等。在这种情况下，变频 器须立即停机，以减少损失。故障处理部分相对来说较简单，所以本课题集中在 故障诊断部分，即如何正确的诊断故障发生的具体部位、类型和元器件。 2 3 2 多故障源诊断流程图 综合处理模块是针对一个故障表达可能对应多个故障源的特点，在获取这些 故障源信息的基础上，对故障表达的真实故障源进行准确定位，因此该模块主要 通过过电流，过电压等故障诊断流程图完成工作，对故障进行定位。故障诊断流 程图的主要目的是排除电动机、电源产生的故障，将故障定位到变频器内部故障， 即该故障是由变频器的功率管或控制电路的损坏所引起的，从而引入对变频器内 部主电路故障诊断的研究 3 9 , 4 0 1 。 图2 - 7 - - 2 1 2 分别对几种常见故障进行分析，并提出诊断流程图。 1 、过电流故障： 故障原因：可能是短路、接地、过负载、负载突变、加减速时间设定太短、 转矩提升量设定不合理、变频器内部故障或谐波干扰大等。故障诊断流程图如图 2 7 所示。 1 2 硕士学位论文第二章变频器故障诊断流程分析 图2 - 7 过电流故障诊断流程图 2 、过电压故障 故障原因：电源电压过高、制动力矩不足、中间回路直流电压过高、加减 速时间设定的太短、电动机突然甩负载、负载惯性大、载波频率设定不合适等。 故障诊断流程图如图2 8 所示。 图2 - 8 过电压故障诊断流程图 1 3 硕士学位论文第二章变频器故障诊断流程分析 3 、欠电压故障 故障原因：电源电压偏低、电源断相、在同一电源系统中有大启动电流的负 载启动、变频器内部故障等。故障诊断流程如图2 - 9 所示。 欠电压l u复位再启动 警黼件纠鬻裟障或连接不良?i 和改正连接 瓣徽粥燃蛔规定范围内? 有大启动电流负载? 接触器合闸时动作? 否 l 是j r 是 改鬻嘉警障 符合规范要求 l 芑否l u 在断路器和电磁是 接触器合闸时动作? 夕- - 由于干扰造成误 动作变频器控制 电路故障 是 主电路直流电 压( p 和n 之间) 是否大于1 3 5 倍电源电压 否 可能是变频器故障 图2 - 9 欠电压故障诊断流程图 4 、变频器过热故障 故障原因：负载过大、环境温度高、散热片吸附灰尘太多、冷却风扇工作不 正常或散热片堵塞、变频器内部故障等。故障诊断流程图如图2 1 0 所示。 图2 1 0 变频器过热故障诊断流程图 1 4 5 、变频器过载、电动机过载故障 故障原因：负载过大或变频器容量太小、电子热继电器保护设定值太小、变 频器内部故障等。故障诊断流程图如图2 - 1 1 所示 交频器过 载o u j 电动机过载 0 l l ，o l 2 电子热继电器的设 定值是否合适? 电子热过载继电器 特性与电动机的过 载特性是否匹配? 是 负载是否过大? 是 减小负载或增大变频 器容量 否 否 改为使用外接热继电 器 改正设定值 硼甄愿蕊 图2 1 1 变频器过载、电动机过载故障诊断流程图 6 、电动机不能正常运行故障 故障原因：电动机运行不正常故障主要与接线错误、参数设定错误、变频器 容量太小、负载过大、变频器或电动机本身的故障等原因有关。故障诊断流程图 如图2 1 2 所示。 按键设 定频率 调整设 定参数 电动机不能正常运行 电动机不能 启动运行 变频器是否 输入正转或 反转命令? 弋i 。 是否上限频率 和设定频率低 于启动频率? 取李鬻毫豢 是 电动机 故障 圭墨 负载是否过 大? 万 转矩过小 电动机不 能调速 最高频率 是否设定 太低? 二匠 频率设定 上下限不 当? 改 变 设 定 参 数 电动机加 速失速 工 加速时间 设定过 短? 二叵 电动机端 子电压是 否降低? 二匠 负载转矩 是否过 大? i 转矩提升 是否合 适? 转矩升量过小 图2 1 2 电动机不能正常运行故障诊断图 1 5 改变设 定参数 电动锯与变 频器之间连 接线加粗或 缩短距离 减小负 载转矩 变频器故障 或干扰秦型铲 一抓帅嫉一 一瓣 厂 一交 硕士学位论文第二章变频器故障诊断流程分析 2 3 3 变频器主电路故障诊断 通过以上流程图能确定故障源的具体位置，若故障源为变频器故障，则将调 用对变频器主电路故障诊断模块。变频器本身故障主要是电器元件的故障，如功 率管故障或控制电路的故障，同时由于生产中变频器其内部信息不易获取，故选 择利用输入、输出电压或电流作为检测对象，根据故障引起输入、输出变化，来 诊断交频器内部故障，因此本文主要针对交直交电压型p w m 变频器主电路的 故障诊断作进一步研究。 2 4 小结 本章系统全面地描述了变频器的基本结构及其分类，详细介绍了变频器故障 诊断系统的框架，通过综合处理故障流程图排除电动机、电源产生的故障，将故 障定位到变频器主电路故障，即该故障是由变频器的功率管或控制电路的损坏所 引起的，从而引入对变频器主电路内部故障诊断的研究。 1 6 硕士学位论文第三章变频器故障诊断仿真研究 第三章变频器故障诊断仿真研究 变频器是一种高成本装置，通过实物实验获取故障数据，可行性差，因此选 择对系统建模，进行仿真获取需要的诊断信息。在对基本原理的分析和掌握的基 础上，利用m a t l a b 对交直交电压型变频器进行建模、仿真，并模拟在工作 环境中功率管常见的开路故障，获取神经网络的训练数据，通过对仿真波形的理 论分析，证明仿真结果的正确性。 3 1 仿真工具s i m u l i n k 简介 美国m a t hw o r k 公司于1 9 9 2 年推出了动态系统通用仿真软件s i m u l i n k ，它 运行在m a t l a b 平台上【4 1 4 2 】。s i m u l i n k 是一个用来对实际系统进行建模、仿真 和分析的软件系统，它支持连续时间、离散时间及两者混合的线性、非线性系统， 也支持多个变量、多速率系统。 s i m u l i n k 为用户提供了用方框图进行建模的图形用户接口，用户只需用鼠标 选中各模块，并放进新建的模块图，最后用连线将各模块连接起来，即完成对特 定系统模型的创建。电力系统工具箱( p o w e rs y s t e mb l o c k s e t ，简称p s b ) 是 s i m u l i n k 中的一个子模块库，主要包括：连接器库( c o n n e c t o r s ) ，电源模块库 ( e l e c t r i c a ls o u r c e s ) ，电器元件模块库( e l e m e n t s ) ，电机模块库( m a c h i n e s ) ，电力电 子元件模块库( p o w e re l e c t r o n i c s ) ，测量仪器模块库( m e a s u r e m e n t s ) ，附加电气模 块库( e x t r al i b r a r y ) 。 3 2 三相桥式不可控整流电路建模 在交一直一交电压型变频器中，一般其a d d c 变换部分采用不可控整流电路， 以获得较高的功率因数，为逆变器提供稳定的直流电压，并且中间直流环节采用 大电容滤波，这类电路的仿真既可以在可控整流的基础上设控制角为a = 0 0 ，也 可以使用不可控的整流模块来仿真。由于三相桥式全控整流电路是应用最广泛的 整流电路，因此本文建立三相桥式全控整流电路模型，设置控制角为a - - 0 0 代表 不可控整流器。 三相桥式整流电路的仿真使用m a t l a b 模型库中的三相桥和触发器的集成 模块是很方便的。用模型库中元器件组成的三相桥式整流电路的仿真模型如图 3 1 所示。 1 7 硕士学位论文 第三章变频器故障诊断仿真研究 帼一曰 u kh 。l 广 l t 值n b r m r 7 i i 3 8 0 v 1 1 7 3 v v 4 l r - - lih，rr v 粕 - 1 u l ” 广j i i l l 。 - i 一 # 如 ：伞 h c 。j 。 b cycc c i i rtl8m0vii15v 岫 t h y d s t o r b d d g e 一 “卵l a r m w _ 螂 - i ：v i 2 ； i - 。 肥。 一= 。- i 叫：1 b 卜- 1 。 ：fv 卜jl ； c b 瞅 j 高ll 。帆hf 羽 。i 广 i cy o 1 l 。