電力電子電路故障診斷基本概念和方法

張建剛

[摘要]故障診斷是一門綜合性技術(shù)，它涉及現(xiàn)代控制論、信號處理與模式識別、計算機(jī)科學(xué)、人工智能、電子技術(shù)、統(tǒng)計數(shù)學(xué)等學(xué)科?，F(xiàn)代故障診斷技術(shù)已有30多年的發(fā)展歷史，但作為一門綜合性的新學(xué)科——故障診斷學(xué)。

[關(guān)鍵詞]電路故障

中圖分類號：TN710文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A文章編號：1671-7597(2009)0610034-01

一、電力電子電路故障診斷特點(diǎn)

電力電子電路的實(shí)際運(yùn)行表明，大多數(shù)故障表現(xiàn)為功率開關(guān)器件的損壞，即晶閘管的損壞，其中以功率開關(guān)器件的開路和直通最為常見，屬于硬故障。但是，電力電子電路的故障診斷與一般的模擬電路、數(shù)字電路的故障診斷還有一個重要的差別：故障信息僅存在于發(fā)生故障到停電之前的數(shù)毫秒到數(shù)十毫秒之間，因此，需要實(shí)時監(jiān)視、在線診斷。

(一)電力電子電路故障診斷的目的

電力電子設(shè)備一旦發(fā)生故障，小則造成電器產(chǎn)品損壞、交通阻塞、工礦企業(yè)停產(chǎn)，大則會威脅人民生命、財產(chǎn)安全，甚至造成重大的人員傷亡或?yàn)?zāi)難事故，影響國民經(jīng)濟(jì)的正常運(yùn)行。所以，對電力電子設(shè)備進(jìn)行故障檢測和診斷顯得日趨重要。

長期以來，人們采取兩種維修對策：1．等設(shè)備壞了再進(jìn)行維修，稱為事后維修。這種辦法的問題是經(jīng)濟(jì)損失很大。2．定期檢修設(shè)備，稱為預(yù)防維修。這種方法有一定的計劃性和預(yù)防性，但其缺點(diǎn)是如無故障，則經(jīng)濟(jì)損失較大。

電力電子設(shè)備由很多部分組成，包括電力電子主電路、電動機(jī)、發(fā)電機(jī)和各種應(yīng)用電路。對電力電子設(shè)備進(jìn)行故障診斷就是要對所有的這些電路進(jìn)行故障檢測和診斷。電力電子電路是整個電力電子設(shè)備中最關(guān)鍵的部分，對其的故障檢測和診斷就顯得尤其重要。

(二)電力電子故障診斷的作用

1．實(shí)現(xiàn)早期預(yù)報，防止事故發(fā)生；

2．預(yù)知性維修，提高設(shè)備管理水平：

3．方便檢修，縮短了維修時間，提高設(shè)備利用率；

4．對提高設(shè)備的設(shè)計制造水平，改善產(chǎn)品質(zhì)量有指導(dǎo)意義。

二、電力電子電路故障診斷方法

電力電子電路故障診斷技術(shù)包括兩方面的內(nèi)容：1．故障信息的檢測：以一定的檢測技術(shù)，獲取故障發(fā)生時的所需故障信息，供故障分析，推理用；2．故障的診斷：依據(jù)檢測的故障信息，運(yùn)用合適的故障診斷方法，對故障進(jìn)行分析、推理，找出故障發(fā)生的原因并定位故障發(fā)生部位。傳統(tǒng)的故障診斷方法在電力電子電路故障診斷中也得到的廣泛應(yīng)用，如故障字典法、故障樹、專家系統(tǒng)等。

(一)故障字典法。把一組典型的測量特征值和故障值以一定的表格形式存放，通過比較測量值和特征值，判斷故障。先用計算機(jī)對電路正常狀態(tài)和所有硬故障狀態(tài)模擬，建立故障字典。然后對端口測試進(jìn)行分析，以識別故障，即將選定節(jié)點(diǎn)上測出的電壓與故障字典中電壓比較，運(yùn)用某些隔離算法查出對應(yīng)故障。

故障字典法對于模擬電路和數(shù)字電路故障診斷具有很大的實(shí)用價值，但字典法只能解決單故障診斷，多故障的組合數(shù)大，在實(shí)際中很難實(shí)現(xiàn)。

(二)故障樹法。故障樹診斷法就是對可能造成系統(tǒng)失效的各種因素(包括硬件、軟件、環(huán)境、人為因素)進(jìn)行分析，畫出邏輯框圖，即故障樹，從故障樹的頂事件進(jìn)行搜索從而找出故障原因的方法。故障樹表達(dá)了系統(tǒng)內(nèi)在聯(lián)系，并指出元部件故障與系統(tǒng)之間的邏輯關(guān)系。

故障樹診斷直觀、靈活、通用，但建樹工作量大，繁瑣易錯，對診斷故障空間較小的問題比較合適。

(三)殘差法。殘差法是一種基于解析模型的故障診斷方法。即通過研究實(shí)際系統(tǒng)與參考模型特征輸出量間的殘差來進(jìn)行電力電子裝置主電路在線故障診斷和故障定位的過程。該方法同樣適用于逆變器主電路的故障診斷，參考模型法用于電力電子電路的故障診斷具有檢測量少、判據(jù)簡單且與輸出大小無關(guān)的特點(diǎn)。特別是在復(fù)雜電力電子電路的故障診斷中該法的優(yōu)勢更加明顯。

(四)直接檢測功率器件兩端電壓或橋臂電流的方法。通過檢測各功率器件兩端的電壓，或檢測各橋臂電流，得到功率器件的工作方式，再與觸發(fā)脈沖進(jìn)行時序邏輯比較，從而判斷被診斷對象是否故障，此方法需要檢測每個被診斷器件的電壓和電流，所需測點(diǎn)較多，需要專門的檢測電路和邏輯電路。該方法還可以通過測量電路的輸入輸出來實(shí)現(xiàn)故障診斷。正常工作時，電路的輸入輸出在一定的范圍內(nèi)變動，當(dāng)超出此范圍時，可認(rèn)為故障已經(jīng)發(fā)生。另外，還可以測量輸入輸出變量的變化率是否超出范圍來判斷是否發(fā)生故障。該方法雖然簡單，但抗干擾性差。

(五)專家系統(tǒng)診斷的方法。專家系統(tǒng)就是利用計算機(jī)推理能力和領(lǐng)域?qū)＜业呢S富經(jīng)驗(yàn)，以及系統(tǒng)內(nèi)部因果關(guān)系和人工智能的機(jī)器學(xué)習(xí)功能，設(shè)計出的一種智能計算機(jī)程序系統(tǒng)，解決復(fù)雜的系統(tǒng)故障診斷問題。專家系統(tǒng)對經(jīng)驗(yàn)性的診斷知識進(jìn)行形式化描述，突破個人局限廣為傳播，有利于存儲和推廣專家的經(jīng)驗(yàn)，發(fā)揮專門人才作用，開辟了綜合利用專家知識的新途徑，比人類專家更可靠、靈活，不受環(huán)境影響。專家系統(tǒng)的知識結(jié)構(gòu)中知識庫與推理控制相對獨(dú)立，可重寫增刪，可以結(jié)合其它診斷方法，構(gòu)成知識結(jié)構(gòu)的應(yīng)用程序，擁有人機(jī)聯(lián)診功能，充分發(fā)揮了現(xiàn)場技術(shù)人員的主觀能動性，并能逐步積累經(jīng)驗(yàn)日趨完善，因此是很有生命力的故障診斷法。

專家系統(tǒng)診斷的基本思想是：先通過實(shí)驗(yàn)或仿真建立起一個可靠的知識庫，該知識庫包含了電路的環(huán)境知識、系統(tǒng)知識和一個規(guī)則庫，其中知識庫反映了系統(tǒng)的因果關(guān)系，具體到故障診斷系統(tǒng)中就是系統(tǒng)變量和故障類型、故障點(diǎn)之間的因果關(guān)系：然后通過人機(jī)接口得到實(shí)際運(yùn)行中的特征變量值；將它應(yīng)用到規(guī)則庫進(jìn)行推理，就得到了電路的基本工作狀態(tài)和故障信息。該方法的缺點(diǎn)是知識庫建立困難，特別是知識庫龐大時更是如此。傳統(tǒng)的故障診斷專家系統(tǒng)，大多是基于規(guī)則的專家系統(tǒng)，它將領(lǐng)域知識編成一系列產(chǎn)生式規(guī)則(表示形式為IF…，THEN…)。這種專家系統(tǒng)可以解決許多系統(tǒng)的故障診斷問題，但是由于對復(fù)雜的系統(tǒng)要利用大量的產(chǎn)生式規(guī)則(這種規(guī)則主要依賴人工編寫)，因而故障診斷專家系統(tǒng)運(yùn)行很慢，很難適應(yīng)實(shí)時環(huán)境的要求；另外，當(dāng)遇到未見過的新故障或新信息時，如此建立的專家故障診斷系統(tǒng)往往不能正確處理，會因推理能力弱而出現(xiàn)“匹配沖突”、“組合爆炸”及“無窮遞歸”等問題。要解決這些問題，除非不斷進(jìn)行規(guī)則更新，可是新規(guī)則與原有規(guī)則很有可能相互牽連，這必然導(dǎo)致在規(guī)則添加和刪除時遇到難以處理的困難?？傊?，專家診斷系統(tǒng)存在知識獲取“瓶頸”問題、難以維護(hù)、應(yīng)用面窄以及診斷能力弱和不適應(yīng)模糊問題等缺點(diǎn)。