（电力电子与电力传动专业论文）基于人工神经网络的变频器故障诊断系统的研究.pdf

沈阳工业大学硕士学位论文 t h e s t u d y o ft h ef a u l t d i a g n o s es y s t e m o ft h ei n v e r t e r b a s e do na r t i f i c i a ln e u r a ln e t w o r k a b s t r a c t t h ed i s s e r t a t i o nd e s c r i b e st h ef a u l td i a g l o s eo ft h en a a mc i r c u i to ft h ei n v e r t e rw i t l lt h e d e v e l o p m e n t o f t h e a p p a r a t u so f t h ep o w e re l e c t r o n i c s ，t h ei m p r o v e m e n t o f t h e p o w e r , e x p e c i a l y t h eh i g h v o l t a g eh i g h p o w e ri n v e r t e r , t h ed e v i c ei sm o l la n dm o l ti n t r i c a t e a n y w h e r et h a ti s t r u s t l e s sp o s s i b l i l ym a k et h ed e v i c eb r e a k d o w n t h ec o n v e n f i a lp a r a m e t e ra l a r me a r l ts a t i s f yt h e i l q u s ti n c r e a s i n g l y o t h e r w i s e , a c c o r d i n gt ot h es t a t i s t i c t h e 8 0p e r c e n to ft h ef a u l th a p p e n i n gi n t h ec o n t r o ls y s t e mi sc a u s e db yt h ea p p a r a t u so fac i r c u i t s o ，d e s i g m n gar e a s o n a b l ef a u l t d i a g n o s es y s t e mi sc o n v e m e m t oc o n f i r mt h ep o s i t i o na n dc h a r a c t e ro f t h ef a u l tq u i c m y , t og e t r i do f t h ef a u l t ，t or e d u c et h et i m eo f t h es t o p t oi l s l l m et h ep r o d u c e ，w h i c hu n d o u b t e d l yh a v e l a r g et h e o r y a n d a p p l i c a t i o n v a l u e t h em o d e lo ft h ei n v e r t e ri sn o n l i n c a r i ti sv e r yd i f f i c u l tt od i a g n o s et h ed i s s e r t a t i o na p p l y t h en e u r a ln e t w o r kf o rt h ed i a g n o s et h ec h a r a c t e ro f i n p u ta n do u t p u to f t h e n e u r a ln e t w o r ki s n o n l i n e a rm a p l m n g ，h a v et h es t r o n ga b i l i t yo fl e a n a n ga n dh o l d i n gw i t hw r o n g , i sg o o d 戤 a s s o c i a t i o n ，s u m ，s p i l a d , a n o l o g y ，e t c mn e u r a l n e t w o r kc a l ll e a ma n ds t o r a g et h ei l l a t i o n b e t w e e nt h ef a u l ti n f o r m a t i o na n dt h ef a u l t 够p e n 研1t h el e a r n e dn e u r a ln e t w o r kc a nb eu s e dt o f a u l td i a g n o s e a c c o r d i n g t ot h ec h a r a c t e ro f s i g n a li nt h ec i r c u i t , t h ed i s s e r t a t i o na d o p t t h em e t h o dw h i c hi s u s e dt or e a l i z et h ef a u l td i a g n o s eo fu s i n gt h en e u r a ln e t w o r kt od i r e c t l ya n a l y s et h ew a v e d a t e t h a ti st os a y ，t h ed a t ao f a c y c l e i sd i i 僦l yi t st h ei n p u to f t h en e l i l a ln e t w o r k , a n dt h ef a u l t c o d ei sa st h eo u t p u to f t h en e u r a ln e t w o r k s oar e l a t i o no f m a p p i n gi ss e tu p t h e nt h en e u r a l n e t w o r ki sb et r a i n e d , a n da tl a s tt h et r a i n e dn e t w o r ki su s e dt of a u l td i a g n o s e o t h e r 啪s e ，w h e n t h ei n v e r t e rg o e sw r o n g ，a c c o r d i n gt ot h ew a v eo f t h ec u r r e n ta n dt h ev o l t a g ei ns o m ep o i n to f t h ec i r c u i t , t h es a l t e d e x p e r t c a n j u d g e t h e p o s i t i o n o f t h e f a u l t t h e e x p e r i e n t i a lk n o w l e d g e c a n b eu s e dw h e n d i a g n o s i n gs o t h em e t h o do f w a v ei se a s yt os e e i ti se a s yt oc o n f i r mt h er e l a t i o n b e t w e e n t h e t h e c h a r a c t e r o f t h e w a v e o f t h e f a u l t a n d t h e t y p e o f t h e f a u l t 一2 沈阳t 业大学硕士学位论文 t h ed i s s e r t a t i o ni ss t u d i e du s i n gt h em e t h o dm e n t i o n e da b o v et h es i m u l a t m nr e s u l t ss h o w t h a tt h em e t h o do ft h ef a u l td i a g n o s eo ft h ei n v e r t e rb a s e do nt h en e u r a ln e t w o r ka n dt h e a n a l y s i so ft h ew a v ei sf e a s i b l e t h en e u r a ln e t w o r k c a l lm a k ec o r r e c tf a u l td i a g n o s e ，a n di ti s f e a s i b l et h a tt h en e u r a ln e t w o r ki su s e dt of a u l td i a g n o s e k e y w o r d s ：i n v e r t e rf a u l td i a g n o s e a r t i f i c i a ln e u r a ln e t w o r k 3 一 独创性说明 本人郑重声明：所呈交的沦文是我个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的研究成果，也不包含为获得 沈阳工业大学或其他教育机构的学位或证书所使用过的材料。与我一同 一：作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中做了明确的说明并表 示了谢意。 签名：因垄毒日期：圣! 啤垒因三兰 关于论文使用授权的说明 本人完令了解沈阳工业大学有关保留、使用学位论文的规定，即： 学校有权保留送交论文的复印件，允许论文被查阅和借阅；学校可以公 布论文的伞部或部分内容，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论 文。 签名： ( 保密的论文在解密后应遵循此规定) 导师签名：型芏日期：兰! ! 埠：圣目5 多 沈阳t 业大学硕上学位论文 引言 应用变频器简化 r 异步电机的调速控制方式，国内外机电一体化设备中已普遍采用 r 变频调速技术。然而，由于对变频器的使用性能了解不够充分，传统的电工维护方式 已经不完全适崩，使_ = i 维护不当，设备上变频器损坏已时有发，# ，经济损失很大，必须 引起重视。所以，本课题对变频器故障诊断系统进行了研究。其日的就是快速查出故障 所处1 ：、7 - 嚣，减少停机时问，从而减少经济损失。 神经网络具有很强的学爿能力和容错性能，善于联想、概括、类比、推广等，基于 神经网络的故障诊断方法在许多领域中得到了研究并取得了一些成功应用。可以借鉴这 些研究成果，并结合电力电了电路的具体情况，对基于神经网络的电力电予电路故障诊 断方法进行研究，以提高故障诊断的性能。 众所周知，变频器可以运行存不同的频率时剩，则在不同频率时亥4 都有可能发生故 障，所以本文就对不同频率时刻进行了分析。而且，通过使用神经网络还可以知道系统 足在哪个频率下发生r 故障，这样做的好处是不但可以知道故障发生的位置，而且可以 知道系统是运行存什么状况下发生的故障，尽快找出发生此类故障的原斟，杜绝类似故 障的冉次发生。 本课题对变频器主电路电力电子器件的故障诊断系统进行了研究，需要有几点说 叫： 1 ) 本课题进行的是故障诊断系统的研究，所以与保护的意义是不样的。不能与保 护等同。保护是在故障尚未发生时，就切断相应的电路进行保护。而这里的故障诊断是 在故障发生后，及时确定故障发生的位置或原因，便十快速检修。 2 ) 在本课题中该故障诊断系统采用了故障信息间接获取法，所以在检测故障信号 时，小需要额t j l - j 口传感器，可以与原系统共用传感器。这样就简化了故障诊断电路，降 低了成本。而日本文应用了神经网络理论进行故障诊断，这样将神经网络与这种方法相 结合，就可以将所获得的故障信息作为神经网络的输入样本，输 = 卜 样本为故障原因。从 而实现故障诊断。这样整个故障诊断系统与原系统是独立的，小对原系统造成任何影 响。 沈阳工业大学硕士学位论文 5 ) 众所刷知，b p 网络存在收敛速度慢的问题，我们可以采用离线训练的方式，将 训练好的神经网络应用到故障诊断系统中去，只要处理器速度足够快，可以达到快速的 故障诊断。另外，本课题只是做试探性的研究，还不完善，要做到在线训练还存在一定 问题。实际中可以应用比b p 网络性能好的神经网络，再加入一些改进的算法，将网络 训练速度增快，这样就可以进行在线训练和诊断了。 2 沈阳t 业大学硕上学位沧文 1 绪论 奉章首先对变频器进行1 r 概述，然后说明了变频器故障诊断的目的和意义和故障诊 断的方法，最后对本课题的目的和意义以及本课题的概貌进行r 说明。 1 1 变频器概述 为r 实现异步电动机的变频调速，必须有单独的频率可调的变颇电源，给被调速 的异步电动机供电。这就足变频调速的关键环节。过去采用变频机组，变频机组由直流 电动机和同步发电机组成。直流电动机作为同步发电机的原动机，同步发电机的磁场不 变，调节直流电动机的转速，就能改变同步发电机的频率，即成为频率可调的变频电 源。变频机组虽然能够达到调速的日的，但是装置笨重，占地也大，旋转装置又不易维 护，使得变频调速的推广受到限制。实际卜，变频机组的作用就是把直流电变为频率可 调的交流电，现在已经用静止的变频装置替代，称为变频器。 变频器的任务是把电压和频率恒定的电网电摊变为电压和频率可调的交流电。人 多数情况卜，是将工频交流电转变为电压频率可调的交流电。这里有两种方式，一是先 ； j 整流器将交流电变成直流电，再j 丰| 逆变器将直流电变为频率可调的交流电。这时变频 器是由糕流器和逆变器组成，这种变频方式叫间接变频，其所用的变频器称为间接变频 器，也叫交一直一交变颓器，是变频器中的种主要结构形式。另一种是把工频交流电 直接变成频率可调的交流电。相对前者，它称为直接变频器，也叫交一交变频器，又称 为循环变频器。不论是交一直一交变频器还是交一交变频器，根据变频电源的性质，又 可分为电压犁变频器和电流犁变频器。如果变频电源接近理想的电压源，称为电压型变 频器，也叫电压源变频器；如果变频电源接近理想的电流源，称为电流型变频器，也叫 电流源变频器。 1 2 变频器故障诊断的目的和意义 随着工业的发展，对大容量变频调速装置的要求越来越高。在要求其具有开关技术 高频化，控制技术智能化等性能的同时，变频装胃的可靠性也直受到研究者门的关 一3 沈阳工业大学硕上学位论文 注，变频器河部各种类型的故障都有可能发生，因此，设计周密且功能完善的故障自诊 断系统对变频器来说是非常重要的。 然而，其中的功率半导体器件及其控制电路足最易发生故障的薄弱环节，其可靠性 问题一商没有得到有效解决，这会直接影响其在工业领域中的进一步推广。最新研究也 表明：变频调速系统中功率变换器的故障占整个驱动系统故障的8 2 5 ，是驱动系统巾 最易发生故障的薄弱环节。工业驱动的发展趋势是广泛使用变频调速系统。可以想象， 一旦功率变换器( 或逆变器) 发生故障，整个驱动系统便丧失正常工作能力，轻者影响 工j 【l 生产的正常进行，重者会发生重大事故。尽管人们为提高调速系统的可靠性而采取 降额设计电力电了电路或使用并联冗余元件或电路等方法，但这两种设计方法会使电源 造价过高，仅适用于空问条件许可的场合。而在有些空问极为有限的场合，采用冗余元 件或电路设计方法却受到严格限制。为改变这种状况，国外已有研究者提出逆变器容错 技术，但是，容错技术的核心问题是逆变器的故障检测与诊断。因此，研究电动机驱动 系统t i 逆变器的故障诊断有利于减少因逆变器故障而造成的停机时间，提高劳动生产 率。由以上分析可知，对变频器主电路电力电子器件进行故障诊断是十分有必要而且是 十分有意义的。【6 i 1 _ 3 故障诊断方法的研究 所谓故障诊断，有两种涵义：一种是指某些专削的仪器，如对于压缩机等旋转机械 设各，就是“旋转机械振动检测仪”可以检测出这类机械设备的运转是否正常；另种 是指由计算机利用系统的解析冗余，完成工况分析，对生产是否正常和是什么原因引起 故障，故障的程度有多大等闯题进行分析、判断，得出结论。 故障诊断技术是一门综合性技术，它的开发涉及多门学科，如现代控制理论、可 靠性理论、数理统计、模糊集理论、信号处理、模式识别、人工智能等学科理论。故障 诊断的任务，由低级到高级，可分为四个方面的内容：i 7 l 1 故障建模按照先验信息和输入输出关系，建立系统故障的数学模型，作为故 障检测与诊断的依据。 2 故障检测从可测或不可测的估计变量中，判断运行的系统是否发生故障，一 日- 系统发生意外变化，应发出报警。 4 沈阳工业大学硕士学位论文 3 故障的分离与估计如果系统发生了故障，给出故障源的位置，区别h j 故障原因 是执行器、传感器和被控对象等或者是特大扰动。故障估计是在弄清故障性质的同时， 计算故障的程度、大小及故障发生的时间等参数。 4 故障的分类、评价与决策判断故障的严重程度，以及故障对系统的影响和发展趋 势，针对小同的工况采取小同的措施，其中包括保护系统的启动。 故障诊断是在故障信息检测和故障特征分析的基础上对电路故障的种类、原因和部 位做出判断和推断。目前，故障诊断方法分为基于被诊断电路数学模型的方法和不依赖 于被诊断电路数学模型的方法两大类。 1 基于被诊断电路数学模型的方法 基于电力电子电路数学模犁的故障诊断方法主要有参数估计法和残劳法等。 1 ) 参数估计诊断法 参数估计诊断法的基本思想是，许多电路的故障可以看作是电路参数的变动，象电 阻、电容、电感等。这些电路参数可以隐含在电路模型的参数中。电路参数在电路模型 中可以是定常的，也可以是时变的。通常电路模型是动态模型，可以描述为 q o y ( f ) + f ，；( f ) + + y 扣= 6 。“0 ) + 6 。 ( f ) + + b m t l 扣o ) ( 1 1 ) 2 1 状态估计诊断法 被控过程的状态直接反映系统运行状态，通过估计出系统的状态，并结合适当模型 则可进行故障诊断。首先重构被控过程状态，并构造残差序列，残差序列t 中包含各种故 障信息，基本残差序列，通过构造适当的模型并采用统计检验法，才能把故障从中检测 m 来，并作进一步分离、估计及决策。通常可用l u e n b e r g e r 观测器及# 尔曼滤波器进行 状态估计。 采用状念估计诊断方法的a i 提条件： 夺具备过程数学模型知讽结构和参数) ； 夺已知噪声的统计特性； 夺系统可观测或部分可观测； 夺方程解析应有一定的精度； z f 许多场合卜- 要将模型线性化，并假设干扰为白噪声。 5 一 沈阳丁业大学硕士学位论文 2 不依赖十被诊断电路数学模型 l 勺方法 不依赖于被诊断电路数学模型的方法辛要有：直接测量功率器件两端电j 筒戈桥臂电 流方法、直接测景电路的输入输出方法、基十因果关系的信号处理方法、字典库诊断 法、故障树诊断法、状态次序法、基于专家系统的诊断方法、基于人工神经网络的诊断 方法等。 1 ) 直接测量系统的输入输出 在正常情况卜i ，被控过程的输入输出在正常范围内变化，当此范i 重l 被突破时，可以 认为故障已经发生或将要发生。另外，还可以通过测量输入输出的变化率来判另u 故障是 含发生。 2 ) 输出信号处理法 系统的输出在幅值、相位、频率及相关性上与故障源之间会存在一定的联系，这些 联系可以用一定的数学形式( 如输出景的频谱等) 表达，在发生故障时，则可以利用这些 甓进行分析与处理，来判断故障源的所在，常用的方法有频潜分析法、概率密度法、相 关分析法及互功率谱分析法等。 3 ) 基于神经网络的故障诊断方法 由于神经网络具有复杂多模式及进行联想、推测和记忆功能，它非常适合应用于故 障诊断系统。它具有自组织自学习能力、能克服传统专家系统当启发式规则未考虑到时 就无法工作的缺陷。因此，将神经网络应用于过程检测系统已成为一个非常活跃的研究 领域，并有不少成功的应用实例。 _ 神经网络进行控制系统故障诊断，可以有以f 两种方式。 第一种是离线诊断，它的学习过程和使用过程是分开的。当控制系统出现故障时， 把故障信息或现象输入神经元网络，神经元网络经过自组织、自学习，输出合理的解决 方法，然后去维修控制系统。传统的故障诊断专家系统，因为是以启发式规则为基础 的，所以当遇到未见过的新故障信息或现象时，就不能正确处理。而神经元网络是利用 它的相似性、联想能力进行诊断的。给神经元存入大量样本，神经元网络即对这些样本 进行学习，当n 个类似的样本被学习后，根据样本的相似性，把它们归类并按相似的权 值分布。当n + 1 个相似的样本输入时，神经元网络的归类标准表现在权值的分布上。这 一6 沈阳工业大学硕士学位论文 样，专部分信息丢失时，如1 3 个样本种丢失了n ，个，那么神经元嘲络还可通过另外n 1 1 ，个样本去学习，并不影响全局。这种学习过程称为“有导师的学习”。 第= 种是在线诊断。将神经元网络与控制系统直接连接，让其自动获得故障信息及 现象，然后由神经网络内部自组织、自学习，这就使学习过程和使用过程合而为一。这 种学习过程是“无导师学习”。 目前神经网络在信号处理、模式识别、智能控制等领域中得到的许多成功的应用。 神经i 】b 4 络理论的研究止越来越深化，其框架体系日趋完善，神经网络硬件的快速发展以 及在各个领域巾应_ h j 的成功经验，正促使它向实用化转变。 将神经网络州于故障诊断可以克服基于数学模型的诊断方法难以建模的问题和基于 操作经验的专家系统方法无法处理新闯题新情况的问题。 1 4 本课题研究的目的和意义 故障自动诊断技术是提高电力电子装置可维护性的一个有效手段，作为实现电力电 子电路装置故障诊断的重要环节之一，对电力电子电路的故障诊断进行研究具有极为重 要的意义。有许多学者在电力电子电路故障诊断方面进行n 开究，并取得了一些成果。 但目前已有的一些电力电子电路故障诊断方法还存在一定的局限洼，使故障诊断的 性能和应用范围受到限制，如：参数估计诊断法和残差法需要对被诊断的电力电子电路 建立数学模型，许多情况下，要建一个合适的模型不是一件容易的事；直接检测功率器 件两端电压或桥臂电流方法所需检测的测点信号较多，需专门的检测电路，直接测量电 路的输入输出方法抗干扰性差；基于凼果关系的信号处理方法中故障特征判别参数的设 定有一定难度；字典库诊断法需要大量的经验数据；故障树诊断法建树工作量大，易错 漏；状态次序法应用范围比较窄；基于专家系统的诊断方法中知识库的维护比较困难； 基于人工神经网络的电力电子电路故障诊断方法目前有文献报道的还比较少。 冈此，有必要对电力电子电路的故障诊断方法作进一步研究，对已有方法进行改进 和推广应用，并研究新的诊断方法，以提高故障诊断的性能，减少诊断方法的局限性， 使故障诊断易于实现，扩大可被诊断的电力电子电路范围。 神经网络具有很强的学习能力和容错性能，善于联想、概括、类比、推广等，基于 神经网络的故障诊断方法在许多领域中得n t 研究并取得了一些成功应用。可以借鉴这 7 沈阳t 业大学硕士学位论文 些研究成果，并结合电力电子电路的具体情况，对基于神经网络的电力电子电路故障诊 断方法进行研究，以提高故障诊断的性能。 因此，基于神经网络的电力电子电路故障诊断方法是有必要进行深入研究并且是可 行的。 1 5 本课题的概貌 本课题主要对逆变器中的电力电子器件进行r 故障诊断。主要内容如下： 1 1 对变频调速系统进行了建模。 2 1 确立故障信号的获取方式。在m a t l a b 的s m n h 心k 环境中对该系统在不同故 障的不同频率情况下进行了仿真。采集了故障信号。 3 、确立故障信号的处理方式。利用此方法获得用于训练神经网络的样本对。 4 1 确立用于故障诊断的神经网络模犁，将样本对送入该神经网络进行t i j t l 练。并验 证该网络的可行性。 5 1 最后给出结论。 一8 沈阳工业大学硕上学位论文 2 本研究所选的故障诊断的对象及其模型 异步电动机变频调速系统的十体部分是变频器。变频器的基本构成如图2 1 所示， 它由整流部分、中间滤波部分以及逆变部分以及控制回路等部分组成。交流电源经整 流、滤波后变成直流电源，控制回路有规则的控制逆变器的导通与截止，使之向异步电 动机输出电压和频率可调的电源，驱动电动机运行。对于速度精度和响应快速性要求较 高的系统，还需要由变频器主回路及电机检测反馈信号，经运算到路综合后以控制触发 回路，形成一个闭环系统。整体框图如图2 2 所示。控制指令来自外部的运行指令。0 2 1 交流 电源 交频器 b 删嘴一 图2 1 变频器的基本构成 2 1 变频调逮系统的控皋4 策略 转速开环变频调速系统可以满足一般的平滑调速的要求，但静、动态性能都有限， 要提高静、动态性能，首先要并j 转速反馈的闭环控制。转速闭环系统的静特性比开环系 统强，这是肯定无疑的，但是怎样才能真正提高系统的动态性能呢? 得进一步研究。 我们知道，任何电力拖动自动控制系统都服从基本运动方程式 l 一冕j 一譬 ( 2 1 ) ，l f “l 要提高调速系统的动态性能，主要依靠控制转速的变化率d d o d t ，显然，控制转矩 t 。就能摔制如肋。凶此，归根结底，调速系统的动态性能就是控制其转矩的能力。 一9 沈阳上业大学硕士学位沦文 在异步电动机变频调速系统中，需要控制的是电压( 或电流) 和频率。怎样才能通 过控制电压( 电流) 和频率来控制转矩呢? 这是寻求一个高动态性能调速系统时首先应 该解决的问题。 图2 2 变频器的指令与控制 2 1 1 转差频率控制的基本概念 直流电机的转矩与电流成正比，控制电流就能控制转矩，问题就比较简单。因此， 真流敢闭环调速系统转速调节器的输出信号研实际上就代表了转矩给定信号。 在交流异步电机中，影响转矩的因素很多，按照电机学原理中的转矩公式 t = c 拂丸2 c o s 妒2 ( 2 2 ) 1 式巾( o = 音t m 。可以看出，气隙磁通、转子电流、转予功率因数都影响转矩， 一v 二 而这些量又都和转速有关，所以控制交流异步电机转矩的问题复杂得多。卜面仍从稳态 气隙磁通不变这个条件出发来寻找控制转矩的规律。【2 m 1 0 沈阳工业大学硕士学位论文 图2 3 感应电动机稳态等效电路和感应电动势 由图2 3 所示的稳态等效电路可知 代入式( 2 2 ) 得 又 则 一 生 砭2 + g 国：， 疋= c m 九捣 曼 溉诵 e g = 4 4 4 f i n i k n l 丸= i 4 4 4 q l k m 丸 t 疆1 一k 篇 ( 2 3 ) ( 2 4 ) ( 2 5 ) ( 2 6 ) ( 2 7 ) 鲁裔知，蒜耘2 , 2 眨s ， 1 8 6 口1 ( 争) 2 r a ，? ：2 s 。9 。6 q 。砭2 _ hj 。u i 1 2 沈阳工业大学颂十学位论文 实际上是一致的。令，= s 珊。，并定义为转差角频率，则 蹦焉 弦 式中k 。= 去c 。n l k , v 】= 詈胛，j 2 2 v 上 上 当电机稳定运行时，s 很小，因而u 。很小，一般为m ，的2 至5 ，可以认为 蛾：砭，即得转矩的近似关系式 瓦z k 髭鼍 ( 2 1 0 ) 上式表明，在s 很小的范围内，只要能够维持气隙磁通由。不变，异步电机的转矩 就近似与转差角频率u 。成正比。这就是说，在异步机中控制u ；，就和直流电机。p 控制 电流一样，能够达到间接控制转矩的目的。控制转差频率就代表了控制转矩，这就是转 筹频率控制的基本概念。 2 1 2 转差频率控制规律 由图2 3 可见，当。较小时，转矩t 。基本上与u 。成正比；当”。= u 。时， t 巩。、。取d t d dc o 。= o ，可求出转矩的最大值为 k ：攀 ( 2 1 1 ) 。一 2 l ， 而l o s m a x - - i r 22 每 ( 2 1 2 ) 在转差频率控制系统中，只要给。限幅，使其限幅值为 。 ，：当 ( 2 1 3 ) 脚。 织。2 z l 剐 i 。1 2 就可以基本保持t 。与6 0 。的正比关系，也就可以用转差频率控制来代表转矩控制。这是 转差频率控制的基本规律之一。 上述规律是在保持中恒定的前提下成立的，于是问题又转化为，如何_ = 才能保持巾。 恒定? 可以从分析磁通与电流的关系来着手解决这个问题。 我们知道，当忽略饱和与铁损时，气隙磁通巾。与励磁电流i o 成正比，而相量 ，。是定、转子电流相量，。、，：之差，即 1 2 沈阳工业人学颂士学位论文 由剀2 3 可知 代入式( 2 1 4 ) ，得 ，l = e g ，i = 1 2 + ，o ?一e21 o 。j 。c 。o 。l 。l 。m ：!+ j r 王+ j l 1 2 胁l m s 。掣再镤钆气i _ “搿 扣厶鬻 ( 2 1 4 ) ( 2 1 5 ) ( 2 1 6 ) ( 2 1 7 ) 当巾。或i o 不变时，1 1 与转差频率u 。的函数关系应如上式，画成曲线如图2 + 4 所 示。可以看出，它具有1 i 同性质：( 1 ) 当m 。= o 时，i i = i o ，在理想空载时定子电流等于 励磁电流；( 2 ) 若u 。值增大， 丰r 卜式( 2 1 7 ) 分子中含u 。项的系数大于分母中含u 。项的 系数，所以i ，也应增大；( 3 ) 当。斗。时，斗i o f 毕1 ，这是，：厂h ) 的渐近 l l 1 2 线；( 4 ) 织为正、负值时，1 1 的对应值不变，。= ，h ) 的曲线左右对称。 上述关系表明：只要t 。与m 。的关系符合图2 4 和式( 2 1 7 ) 的规律，就能保持巾。恒 定。这样，用转差频率控制代表转矩控制的前提也就解决了。这是转差频率控制的基本 规律之二。 总结起来，转差频率控制的规律是： ( 1 ) 在。s 。的范围内，转矩t e 基本上与( d s 成正比，条件是气隙磁通不变。 1 3 丘啪 一琏。 = l 望鼬竺 币互。 吖一u堕上婀 r 沈阳t 业大学硕上学位论文 ( 2 ) 按式( 2 1 7 ) 或图2 4 的，。= 厂0 ，) 的函数关系控制定子电流，就能保持气隙磁通 由。恒定。 毕，。 l f 2 厂 j ，o a 。o。 图2 4 保持m 。恒定时的1 1 = ，( ) 函数曲线 2 2s p w m 的控制策略 2 2 1s p w m 的工作原理 图2 5 为s p w m 变频器的主电路，图中v t l v r 6 为逆变器的六个功率开关器件。 各由一个续流二极管反并联连接，整个逆变器由三相整流电路提供的恒值电压供电。图 2 6 是它的控制电路，一组三相对称的正弦参考电压信号、由参考信号发生器 提供，其频率决定逆变器输f _ _ i 的基波频率，应在所要求的输出频率范围内可调。参考信 号的幅值也可在一定范围内变化，以决定输出电压的大小。三角载波信号u i 是共用的， 分别与每相参考电压比较后，给出“正”或“零”的饱和输出，产生s p w m 脉冲序列 波u d a 、u 曲、u d c ，作为逆变器功率开关器件的驱动控制信号。3 1 控制方式可以是单极式，也可以是双极式。采用单极式控制时在正弦波的半个周期 内每相只有一个开关器件开通或关断。对于双极式控制方式，其调制方式与单极式相 同，输出基波电压的大小和频率也是通过改变正弦参考信号的幅值和频率而改变的，只 是功率开关器件通断的情况不一样。双极式控制时逆变器同一桥臂卜- 下两个关器件交替 通断，处于互补的工作方式。 1 4 沈阳工业大学硕士学位论文 磐 l ， s 叫吲s 叫 一 叫k jljljl _ c 一 二 】ljljl 6 叫与4 叫写2 叫与 艇流器 滤波回路逆变器 交 流 输 出 圈2 s s p w m 变频器主电路原理图 222 对脉宽调制的制约条件 根据脉宽调制的特点，逆变器主电路的开关器件在其输出电压半周内要开关n 次 ( 假设存半个剧期内有n 个脉冲) ，而器件本身的开关能力与主电路的结构及换流能力有 关。所以把脉宽调制技术应用于交流调速系统必然受到一定条件的制约，主要有下列两 点： 图2 6 s p w m 变频器控制电路框图 琏 1 开关频率 逆变器各功率开关器件的开关损耗限制了脉宽调制逆变器的每秒动作次数。普通晶 闸管的换流能力差，其开关频率一般不超过3 0 0 5 0 0 h z ，现在在s p w m 逆变器中己很 1 5 沈阳工业大学硕士学位论文 少使硝。取而代之的足电力晶体管g t r ( 开关频率可达5 k n z ) 、可关断晶闸管 g t o ( 开关频率为1 2 k h z ) 、功率场效应管p - m o s f e t ( 开关频率可达2 0 k h z 以上) 。 2 调制度 为保证主电路开关器件的安全工作，必须使所调制的脉冲波有个最小脉宽与最小间 隙的限制，以保证脉冲宽度大于开关器件的导通时间与关断时间，这就要求参考信号的 幅值不能超过i 角波峰值的某一百分数( 称为临近百分数1 。一般定义调制度为 ，r j = 二 ( 2 1 8 ) “枷 式中u ，和【分别为正弦调制波参考信号与三角载波的峰值。在理想情况下m 可 在o 1 之间变化，以调节输出电压的幅值，实际上m 总是小于1 的。当调制度超过最 小脉宽的限制时，可以改为按固定的最小脉宽工作，而不再遵守正常的脉宽调制规律。 但这样会使逆变器输出电压的幅值不再是调制电压幅值的线性函数，而是偏低，并引起 输l h 电压谐波的增大。 2 2 3s p w m 逆变器的同步调制与异步调制 定义载波的频率工与调制波频率，之比为载波比，即n = f , f 。视载波比的 变化j 否有同步调制与异步调制之分。 l 同步调制 在同步调制方式中，n = 常数，变频时三角载波的频率与正弦调制波的频率同步变 化，因而逆变器输出电压波形的正、负半波始终保持对称，并能严格保证三相输出波形 间具有互差1 2 0 度的对称关系。但是，当输出频率很低时，由于相邻两脉冲间的间距增 大，谐波会显著增加，使负载电机产生较大的脉动转矩和较强的噪声，这是同步调错0 方 式的主要缺点。 2 异步调制 为r 消除卜述同步调制的缺点，可以采用异步调制方式。顾名思义，在异步调制 中，在逆变器的整个变频范围内，载波b ln 是不等于常数的。般在改变参考信号频率 时保持三角载波频率正不变，因而提高了低频时的载波比。这样逆变器输出电压半 1 6 沈l ；h 业大学硕士学位论文 波内的矩形脉冲数可随输出频率的降低而增加，相应的可减少负载电机的转矩脉动与噪 声，改蒋了低频工作的特性。 有一利必有一弊，异步调制在改善低频工作的同时，又会失去同步调制的优点。当 载波比随着输出频率的降低而连续变化时，势必使逆变器输出电压的波形及其相位都发 生变化，很难保持三相输出间的对称关系，因而引起电动机工作的不平稳。为了扬长避 短，可将同步和异步调制方式结合起来，成为分段同步的调制方式。 3 分段同步调制 在一定频率范围内，采用同步调制，保持输出波形对称的优点。当频率降低较多 时，使载波比分段有级的增加，又采纳了异步调制的长处，这就是分段同步调制方式。 具体的说，把逆变器整个变频范围戈q 分成若干个频段，在每个频段内都维持载波比恒 定，对不同频段取不同的值，频率低时取值大些，一般按等级比级数安排。表2 1 给m 实际系统的频段和载波比分配。 图2 7 所示是相应的z 与z 的关系曲线。由图可见，在逆变器输出频率 的不同 频段内，用不同的值进行同步调制，而各频段载波频率的变化范围基本一致，以满足 功率开芙器件对开关频率的限制。 表2 1 分段同步调制的频段和载波比 逆变器输出频率弭( h z ) 载波比开关频率f , ( h z ： 3 2 6 2 1 8 5 7 6 1 1 1 6 1 6 3 l 3 65 7 6 1 1 1 6 8 1 57 25 7 6 1 0 8 0 4 7 5 1 4 4 5 7 6 1 0 8 0 2 24 s p w m 的控制模式及其实现 s p w m 的控制就是根据三角波与正弦调制波的交点来确定逆变器功率开关器件的 开关时刻。本课题采用自然采样法，具体如下。 根据s p w m 逆变器的工作原理，当载波比为n 时，在逆变器输 _ l _ j 的一个周期内， 它与正弦波相交两次，相麻的逆变器功率器件导通或关断时刻。功率器件导通区间就是 一1 7 一 沈阳工业大学硕士学位论文 脉冲宽度，其关断区间就是脉冲的间隙时阐。这些区间的大小在正弦波频率的不同频段 下是不一样的，并随调制度而异。 图2 7 分段同步调制，和z 关系衄线图 按照正弦波与三角波的交点进行脉冲宽度与问隙时间的采样，从丽生成s p w m 波 形，叫做自然采样法。如图2 8 所示。在图中截取了任意一段正弦调制波与三角载波一 个周期的相交情况。交点a 是发生脉冲的时刻，b 点是结束脉冲的时刻。在三角载波的 一个周期时间l 内，a 点和b 点之间的时间t 2 是逆变器功率开关器件导通工作的区 间，称作脉宽时间。而其余时间均为器件的关断工作区间，称为间隙时间，它在脉宽时 间前后各有一段，分别心t l 和t z 来表示。显然，t 。= t 1 + t 2 + t 3 。 在图2 8 中，若以单位量l 表示三角载波的幅值【k ，则正弦调制波可写作 “，= ms i n m l ， ( 2 1 9 ) 其中诎是正弦调制波的频率，即逆变器的输出频率。 由于a 、b 两点对三角载波中心的不对称性，须把脉宽时间t 2 分成艺与两部分分 别求解。按相似三角形的几何关系可知 2 l + m s i n 国l t d 丽5 r ( 2 2 0 ) 1 8 沈阳工业大学硕士学位论文 经整理可得 r ，2 1 + s i n q f b r ( 2 2 i ) 铲扣：= 詈 + 等( s i f l q ”i 峨钢 。z ， 图2 8 生成s p w m 波形的自然采样法 2 3 变频调速系统的模型及动态响应 给异步电动机提供调频调压电源的电力变换部分，称为丰回路。主回路肯三部分构 成：将工频电源变换为真流电源的“整流器”；吸收由整流器和逆变器回路产生的电压 脉动的“滤波回路”，也是储能回路；将直流功率交换为交流功率的“逆变器”。另 外，异步电动机需要制动时，有时要附加“错0 动单元”。 本课题所建立的变频调速系统原理图，如图2 9 所示。 1 9 沈阳工业人学硕士学位论文 图2 9 交流调速系统原理图 f 面来讲述本课题所建立的交流调速系统主回路模型。 ( 1 ) 整流部分采用不可控二极管整流器，这样可提高对工频交流电源的功率因数。 电路如图2 1 0 所示。 图2 ，1 0 整流电路 ( 2 ) 逆变部分电路，如图2 1 1 所示： 图2 i i 逆变器部分电路图 2 0 沈阳工业大学硕士学位论文 ( 3 ) 电机模犟，如图2 1 2 所示： 图2 1 2 电机圈 主要参数为： 定子电阻= o 4 3 5 q转子电阻r 却8 1 6 q 定子自感l 。= 00 0 2 h 转子自感l r = 0 0 0 2 h 互感l m = 0 0 6 9 3 1 h转动惯量j = 0 0 8 9 k g ( 4 ) s p w m 控制的实现 在本课题中，采用s p w m 的控制策略。调制方式采用分段同步调制，s p w m 的控 制模式为自然采样法。其仿真电路中正弦波产生电路如图2 1 3 所示： m 图2 1 3 正弦波产生电路图 s p w m 产生电路如图2 1 4 所示： “m ”g u l m r _ j o 图2 1 4 s p w m 产生电路图 2 1 沈刚工业大学硕士学位论文 三角波产生电路如图2 1 5 所示： 一 冲 一 o 一 o 廿 图2 1 5 三角波产生电路图 系统的动态响应 利用以上所分析的各个部分，组成一个交流调速系统，在m a t l a b 的 s i m u l i n k 环境下仿真。突加给定，转矩响应曲线，如图2 1 6 所示： 图2 1 6 转矩响应曲线 一2 2 沈阳工业大学硕士学位论文 3 故障诊断中信号的获取、处理和故障诊断的步骤 利用以上所提到的变频调速系统模型，在m a t l a b 的s i m u l i n k 环境下进行仿 真。常见的变频器故障模式有以下几类： 第一大类：单个器件短路( 6 种) 第：二大类：单个器件开足箨( 6 种) 第三大类：器件两两短路( 1 5 种) 第叫大类：器件两两开路( 1 5 种1 第五大类：一个器件开路，另个器件短路( 3 0 种) m 于时间关系而且本课题重点不在此，我只对器件开路和短路以及两个器件同时开 路进行f 分析。 3 1 故障信号的获取方式 故障信息一器件、部件、装置出现放障器件某( 多) 种物理量的表现。例，器件短 路，直接表现是无门级驱动时端电压为零，电流不为零。间接表现是可能引起某处电流 或电压的异常变化：器件开路，直接表现是有门级驱动时电流为零，端电压不为零。间 接表现是可能引起某处电流或电压的异常。 有时我们把直接表现称为故障信号，把间接表现称为含有故障信息的物理量( 如电 流、电胝等1 。故障诊断系统的输入可以是故障信号，也可以是含有故障信息的物理 最，或两者兼有。故障诊断系统的输出是各个检测点的工作状态，一般是正常和故障两 种状态。如果是故障诊