變頻器故障診斷技術(shù)研究與分析

唐山港集團(tuán)股份有限公司 和德明

故障診斷技術(shù)是指對(duì)運(yùn)行的設(shè)備或者是機(jī)械的異常情況（異常狀態(tài)及原因）進(jìn)行檢查識(shí)別以及對(duì)異常狀態(tài)的預(yù)測(cè)等，故障診斷技術(shù)是從上個(gè)世紀(jì)中期開(kāi)始發(fā)展起來(lái)的，到現(xiàn)在已經(jīng)有了六十多年的歷史了。隨著現(xiàn)代工業(yè)和科技的不斷發(fā)展和進(jìn)步，一些大型化、自動(dòng)化和智能化的設(shè)備越來(lái)越多的被用于生產(chǎn)當(dāng)中，因此設(shè)備系統(tǒng)就變得越來(lái)越復(fù)雜，所以設(shè)備的故障診斷技術(shù)成為了人們關(guān)注的熱點(diǎn)問(wèn)題，也是行業(yè)研究的方向。近些年來(lái)，電力電子技術(shù)和微電子技術(shù)得到了快速的發(fā)展，而變頻器作為交流電動(dòng)機(jī)的主要的調(diào)速方式，也有了一定的發(fā)展和進(jìn)步，被越來(lái)越廣泛的運(yùn)用于各個(gè)領(lǐng)域中，而變頻器發(fā)生故障是在所難免的，而且一旦發(fā)生故障，對(duì)生產(chǎn)造成的損失是及其嚴(yán)重的，因此對(duì)于變頻器的故障問(wèn)題要予以高度的重視。對(duì)變頻器的故障的診斷技術(shù)進(jìn)行研究是有必要的，同時(shí)也有著一定的意義。

1.變頻器的分類

按照電路的結(jié)構(gòu)形式可以將變頻器分為兩類，即就是：交-交變頻器和交-直-交變頻器，前者是指主電路沒(méi)有直流的中間環(huán)節(jié)，后者的主電路有直流中間環(huán)節(jié)。

2.變頻器的故障分類

故障通俗易懂的說(shuō)，就是系統(tǒng)內(nèi)部的某些特性偏離了正常的范圍，使得系統(tǒng)表現(xiàn)出了一些異常的現(xiàn)象。按照不同的原則，可以對(duì)變頻器的故障進(jìn)行不同形式的劃分。

2.1 按照故障發(fā)生的時(shí)間進(jìn)行劃分

按照故障的時(shí)間對(duì)變頻器的故障進(jìn)行劃分，可以分為：第一，突發(fā)性故障，就是突然出現(xiàn)導(dǎo)致系統(tǒng)的某種功能不能正常得到發(fā)揮的情況；第二，間歇性故障，使得系統(tǒng)的某些功能表現(xiàn)出不穩(wěn)定性；第三，老化性故障，由于任何設(shè)備都有一定的使用壽命，因此這種故障經(jīng)常會(huì)出現(xiàn)在設(shè)備運(yùn)行壽命的后期。

2.2 按照故障發(fā)生的部位劃分

按照故障發(fā)生的部位對(duì)變頻器的故障進(jìn)行劃分，可以分為：第一，電源故障，也就是變頻器的供電電源存在一定的問(wèn)題；第二，內(nèi)部故障，也就是變頻器自身的故障，內(nèi)部故障主要包括直流環(huán)節(jié)故障、控制系統(tǒng)的故障以及逆變器的故障；第三，負(fù)載故障。

2.3 按照故障發(fā)生的性質(zhì)劃分

按照故障發(fā)生的性質(zhì)可以將變頻器的故障類型分為：第一，永久性故障，也就是說(shuō)由于某種原因?qū)е伦冾l器的故障持續(xù)存在；第二，偶發(fā)性故障，這種故障和間歇性故障相似，發(fā)生的時(shí)間是隨機(jī)的，具有不確定性，時(shí)有時(shí)無(wú)。

3.對(duì)變頻器研究的現(xiàn)狀

在當(dāng)前，計(jì)算機(jī)軟件和硬件的可靠性已經(jīng)非常高了，而系統(tǒng)出現(xiàn)故障的主要原因就是主電路的一些元器件失效。因此，對(duì)變頻器的故障的研究，應(yīng)該主要對(duì)變頻器主要電路的故障診斷問(wèn)題進(jìn)行研究，這將有著非常重要的作用和意義。在當(dāng)前變頻器的故障報(bào)警系統(tǒng)是通過(guò)快速檢測(cè)電路，將其工作的狀態(tài)反饋給微處理器進(jìn)行相應(yīng)的處理之后，對(duì)變頻器的運(yùn)行情況進(jìn)行分析進(jìn)而給出相應(yīng)的報(bào)警信號(hào)。這種方式有著很多缺點(diǎn)：過(guò)程當(dāng)中所需的時(shí)間長(zhǎng)，報(bào)警的精確性無(wú)法得到保證。當(dāng)前故障診斷的理論在變頻器中的應(yīng)用還不成熟，因此國(guó)內(nèi)外對(duì)這一問(wèn)題都引起了高度的重視，相繼進(jìn)行了一些研究分析。而主電路是最容易出現(xiàn)故障的，同時(shí)結(jié)構(gòu)也比較簡(jiǎn)單，而且主電路的運(yùn)行狀態(tài)的正常與否會(huì)直接影響到整個(gè)系統(tǒng)的安全和可靠性，所以對(duì)變頻器的故障的研究主要是對(duì)主電路部分的研究。

3.1 基于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的變頻器故障診斷

神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制器無(wú)需對(duì)象的數(shù)據(jù)模型，因此可以將神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)用語(yǔ)故障的預(yù)測(cè)和診斷，這種方法是科學(xué)合理的，尤其是無(wú)法描述故障的信號(hào)和故障的類型之間的邏輯關(guān)系的時(shí)候，這種方法更為合理。變頻裝置系統(tǒng)具有較強(qiáng)的隨機(jī)性和模糊性，傳統(tǒng)的故障檢測(cè)方法已經(jīng)無(wú)法適用了，而這時(shí)適用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)可以很好的解決這一問(wèn)題。神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)故障診斷有很多的優(yōu)點(diǎn)，但同時(shí)也有一些問(wèn)題，這些問(wèn)題主要表現(xiàn)在：第一，樣本獲取比較困難；第二，難以理解網(wǎng)絡(luò)權(quán)值形式的表達(dá)方式；第三，沒(méi)有重視專家的經(jīng)驗(yàn)知識(shí)。

3.2 基于故障樹(shù)的變頻器故障診斷

故障樹(shù)模型作為一種定性的因果模型，是基于診斷對(duì)象的一些行為特征的模型，將系統(tǒng)不愿意發(fā)生的情況作為頂事件，而把導(dǎo)致這些不希望的情況發(fā)生的原因作為中間事件和底事件，并用邏輯門(mén)將它們之間的聯(lián)系表示出來(lái)，這就是故障樹(shù)模型的基本思路。邏輯樹(shù)模型可以清楚的反映出特征量和故障量之間的邏輯關(guān)系。

具體的方法步驟為：第一，選擇診斷對(duì)象作為相事件；第二，描述出合理的故障樹(shù)，依據(jù)變頻器的具體故障情況進(jìn)行相應(yīng)的分析，所建立的故障樹(shù)如圖1所示；第三，運(yùn)用科學(xué)合理的搜尋方法，對(duì)故障進(jìn)行查找病診斷。

通過(guò)使用故障樹(shù)的方法對(duì)變頻器的故障進(jìn)行搜尋，有很多的優(yōu)點(diǎn)，如：有較強(qiáng)的適用性，簡(jiǎn)單直觀以及靈活性高等，該種方法是以正確的故障樹(shù)的結(jié)構(gòu)作為基礎(chǔ)的，所以必須要建立正確的故障樹(shù)，才能真正實(shí)現(xiàn)變頻器的診斷。

圖1 頻器的故障診斷樹(shù)

3.3 基于信號(hào)處理的變頻器故障診斷

第一，可以通過(guò)傅里葉分析法對(duì)三相全控制流電流的故障進(jìn)行診斷，基本的思路就是通過(guò)對(duì)一些關(guān)鍵點(diǎn)進(jìn)行分析，把時(shí)域信息轉(zhuǎn)換到頻域范圍之內(nèi)進(jìn)行分析，再根據(jù)蝙蝠值的具體特征對(duì)故障進(jìn)行診斷，進(jìn)而確定出故障的類型，然后再用相位的特征對(duì)這些故障進(jìn)行具體的診斷，進(jìn)而確定出故障出現(xiàn)的部位；第二，通過(guò)使用基于沃爾什分析法對(duì)三相全控制流電流的故障進(jìn)行診斷，基本的思路就是對(duì)電路中具體的故障的關(guān)鍵點(diǎn)的波形通過(guò)沃爾什法進(jìn)行變換之后，把形成一個(gè)周期的時(shí)域中波轉(zhuǎn)換到頻域當(dāng)中，通過(guò)頻域中的故障的具體特征，進(jìn)而對(duì)變頻器的故障進(jìn)行檢測(cè)和確定。

基于信號(hào)處理故障的診斷方法，由于不需要對(duì)象的的數(shù)學(xué)模型，具有很多的優(yōu)點(diǎn)，如：診斷速度快、靈敏度高、操作起來(lái)比較簡(jiǎn)單同時(shí)還可以進(jìn)行各種在線的故障診斷。但是這種方法也有一定的難點(diǎn)，就是對(duì)故障參數(shù)的設(shè)定比較困難，在目前還沒(méi)有通用和切實(shí)可行的設(shè)定方法，在一般情況下，都是通過(guò)專家的經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行整理歸納來(lái)進(jìn)行設(shè)計(jì)的。

3.4 其它的方法

由于對(duì)變頻器的故障的診斷會(huì)關(guān)系到設(shè)備的可靠性，所以對(duì)其的開(kāi)發(fā)和研究也越來(lái)越深入了，研究的方法也越來(lái)越多，除了上文中提到的三種，國(guó)內(nèi)外的很多學(xué)者從不同的角度研究出了很多的變頻器故障的診斷技術(shù)。如：采用狀態(tài)次序法診斷整流電路和逆變電路中的六路觸發(fā)脈沖故障的方法、基于逆變器三相平均輸出電流Park矢量的電壓源逆變器故障診斷方法以及在線診斷PWM逆變器觸發(fā)脈沖間歇性丟失故障的方法。

在變頻器的整個(gè)系統(tǒng)中，直流側(cè)電解電容的壽命比其它的元器件的壽命都要短，所以對(duì)直流側(cè)電解電容的診斷就顯得十分重要，要引起高度的重視，應(yīng)該采取可形象較強(qiáng)的方法對(duì)其進(jìn)行預(yù)測(cè)和診斷，進(jìn)而避免其發(fā)生故障影響整個(gè)系統(tǒng)的運(yùn)行。

4.變頻器故障診斷技術(shù)的發(fā)展方向

隨著變頻在各行業(yè)領(lǐng)域的廣泛運(yùn)用，對(duì)其的診斷技術(shù)進(jìn)行研究的意義和作用也越來(lái)越大，在未來(lái)對(duì)變頻器故障診斷技術(shù)的研究應(yīng)該集中在：第一，要盡量引進(jìn)一些新的理論，尤其是可行性較強(qiáng)的理論，對(duì)故障中的一些關(guān)鍵信息進(jìn)行良好的處理；第二，該領(lǐng)域作為一個(gè)新領(lǐng)域，目前所采用的方法有一定的缺陷，譬如：預(yù)測(cè)和診斷速度慢、有局部極小點(diǎn)而且一旦加入新的樣本又要重新進(jìn)行學(xué)習(xí)，所以早今后的研究中可以引入神經(jīng)網(wǎng)理論進(jìn)行故障的預(yù)測(cè)和診斷；第三，要將多種方法融合在一起，對(duì)變頻器的故障進(jìn)行預(yù)測(cè)和診斷，這樣可以吸取多種方法中的優(yōu)點(diǎn)，進(jìn)而更加準(zhǔn)確的診斷出變頻器的故障問(wèn)題；第四，在當(dāng)前對(duì)變頻器的故障的研究只是土停留在對(duì)某一個(gè)單一的故障類型的分析上，在未來(lái)將變頻器的故障作為一個(gè)系統(tǒng)進(jìn)行研究雖然有一定的難度和挑戰(zhàn)，但還是有著廣闊的發(fā)展前景；第五，對(duì)變頻器故障的機(jī)理進(jìn)行深入的分析研究，建立相應(yīng)的預(yù)警系統(tǒng)，進(jìn)而做到防患于未然，這樣在一定程度上可以減少故障對(duì)生產(chǎn)所造成的影響，使得用于設(shè)備維修的費(fèi)用減少，進(jìn)而降低生產(chǎn)的總成本；第六，通過(guò)使用DSP數(shù)字處理芯片實(shí)現(xiàn)預(yù)警，將其作為一個(gè)專用的電路接入到變頻器當(dāng)中，這樣可以使得理論研究變?yōu)楝F(xiàn)實(shí)，切實(shí)起到了作用。

5.結(jié)束語(yǔ)

總之，變頻器的系統(tǒng)是非常復(fù)雜的，所以對(duì)變頻器故障的診斷的技術(shù)越來(lái)越被人們所重視，這在一定程度上促進(jìn)了變頻器故障診斷技術(shù)的發(fā)展。文中提出來(lái)未來(lái)對(duì)變頻器故障研究的具體思路，并將多種診斷方法融合在一起，對(duì)變頻器故障的診斷技術(shù)進(jìn)行深入的研究，通過(guò)建立所需的預(yù)警系統(tǒng)，將研究的理論變?yōu)楝F(xiàn)實(shí)，變頻器的故障針對(duì)技術(shù)研究有著廣闊的發(fā)展前景。

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