逆變器故障診斷研究

楊巧玲，張海平

（1.蘭州理工大學(xué) 電氣工程與信息工程學(xué)院，甘肅 蘭州 730050;2.天華化工機(jī)械及自動(dòng)化研究設(shè)計(jì)院，甘肅 蘭州 730060）

0 引言

電機(jī)變頻調(diào)速系統(tǒng)中逆變器的功率半導(dǎo)體器件及其控制電路是最易發(fā)生故障的薄弱環(huán)節(jié)，其可靠性問(wèn)題一直沒(méi)有得到充分解決［1］。而最新研究也表明［2］:變頻調(diào)速系統(tǒng)中功率變換器故障占整個(gè)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)故障的82.5%。因此，有效防止逆變器故障是提高電機(jī)變頻調(diào)速系統(tǒng)運(yùn)行安全性、可靠性的根本。目前大多采取降額設(shè)計(jì)或使用并聯(lián)冗余元件或電路的方法降低逆變器故障，但這兩種設(shè)計(jì)方法會(huì)使電源造價(jià)過(guò)高，且僅適用于空間條件許可的場(chǎng)合。電力電子系統(tǒng)故障診斷方法有基于解析模型的方法、基于知識(shí)的方法、基于信號(hào)處理的方法等［3］。這些方法均各有優(yōu)缺點(diǎn)，但都不能很好的解決這個(gè)問(wèn)題。

本文將逆變器輸出的電壓信號(hào)作為特征參量，獲取逆變器輸出的電壓頻譜，利用加窗短時(shí)傅里葉變換提取逆變器輸出電壓的譜特征，實(shí)現(xiàn)逆變器的故障檢測(cè)。該算法運(yùn)算量較小，可以有效節(jié)約運(yùn)算時(shí)間。仿真結(jié)果驗(yàn)證了本方法的有效性。

1 故障模式及特征分析

圖1是電機(jī)逆變器驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)。系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)，工作在高頻開(kāi)關(guān)狀態(tài)的功率管損耗較大、發(fā)熱嚴(yán)重、發(fā)生故障的概率最大［4］，并以功率管開(kāi)路和短路故障最為常見(jiàn)。不論發(fā)生何種故障，迅速準(zhǔn)確的提取相應(yīng)故障特征并確定故障位置對(duì)于故障后的處理至關(guān)重要。

圖1 無(wú)刷直流電機(jī)逆變器驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)

逆變器的輸出電壓直接反映著它的工作狀態(tài)，是最為敏感的特征量。理想狀態(tài)下，電機(jī)在電壓對(duì)稱狀態(tài)下工作，各相輸出電壓波形一致。發(fā)生故障時(shí)，輸出三相電壓不對(duì)稱，電機(jī)在非平衡供電狀態(tài)下工作。通過(guò)對(duì)逆變器輸出電壓信號(hào)進(jìn)行分析就能有效檢測(cè)電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的運(yùn)行狀態(tài)。

正常運(yùn)行時(shí)，逆變器輸出各相電壓可表示為:

此時(shí)，若用開(kāi)關(guān)函數(shù)ki等于1或0來(lái)表示功率管的閉合或斷開(kāi)，則逆變器輸出電壓滿足如下關(guān)系式:

式中，ka、kb、kc為逆變器 a、b、c相開(kāi)關(guān)函數(shù)。ki由調(diào)制信號(hào)與載波信號(hào)共同決定，對(duì)SPWM（Sinusoidal PWM）逆變器，將其按雙傅里葉變換展開(kāi)［5］，并整理得（以A相為例）:

式中，第一部分為直流分量，第二部分為載波信號(hào)諧波及邊頻信號(hào)，在ωc遠(yuǎn)大于ω0時(shí)，對(duì)逆變器故障診斷只考慮其低頻成分。正常運(yùn)行時(shí)，輸出相電壓低頻部分只包含直流成分。

當(dāng)組成逆變器主電路的6個(gè)開(kāi)關(guān)管中的任何一個(gè)發(fā)生了開(kāi)路故障時(shí)，對(duì)應(yīng)橋臂將不能正常導(dǎo)通。此時(shí)，輸出電壓的低頻部分出現(xiàn)了其他的低頻成分。以VT1管發(fā)生開(kāi)路故障為例，此時(shí)A相上橋臂不再導(dǎo)通，逆變器的A相輸出電壓滿足以下關(guān)系式:

輸出電壓不再對(duì)稱，A相電壓將出現(xiàn)負(fù)的直流分量。三相輸出電流之和為零，A、C相電流出現(xiàn)正的直流分量［1］。分別用u'a、u'b、u'c表示故障后各相輸出電壓，則:

（DHT）。離散哈特萊變換定義為［8］:

對(duì)實(shí)數(shù)x（n），xH（k）也是實(shí)數(shù)，故有:

根據(jù)離散傅里葉變換與哈特萊變換的確定關(guān)系，可導(dǎo)出DFT和DHT 的變換關(guān)系［9］:

對(duì)于長(zhǎng)度為N=2m的信號(hào)序列的DHT作時(shí)間抽取，將其分為兩個(gè)長(zhǎng)度為 N/2 的序列，即［10］:

上式表明:當(dāng)一個(gè)開(kāi)關(guān)管發(fā)生開(kāi)路故障時(shí)，逆變器的輸出電壓中不僅含有直流成分，還有調(diào)制信號(hào)及其諧波的頻率成分，這是在逆變器正常運(yùn)行時(shí)所不包含的低頻成分。因此，可選逆變器輸出電壓頻譜，作為單管開(kāi)路的故障特征參量。

2 故障特征提取

故障特征提取時(shí)，若采樣頻率不為信號(hào)頻率的整倍數(shù)則會(huì)發(fā)生譜泄漏。逆變器故障狀態(tài)下的基波頻率是波動(dòng)的，很難保證兩者的整數(shù)倍關(guān)系。嚴(yán)重的譜泄漏會(huì)影響信號(hào)傅里葉變換的準(zhǔn)確性［6，7］。因此，采用加窗傅里葉變換對(duì)信號(hào)進(jìn)行處理成為一種廣為采用的方法。本文采用改進(jìn)的加窗短時(shí)傅里葉變換算法，以得到準(zhǔn)確的故障特征頻譜。短時(shí)傅里葉變換（STFT）的基本思想是:假定非平穩(wěn)信號(hào)在分析窗函數(shù)g（t）的一個(gè)短時(shí)間間隔內(nèi)是平穩(wěn)（近似平穩(wěn)）的，并滑動(dòng)分析窗函數(shù)，使f（t）g（t－τ）在不同的有限時(shí)間寬度內(nèi)是平穩(wěn)信號(hào)，從而計(jì)算出各個(gè)不同時(shí)刻的功率譜。信號(hào)x（t）的STFT為:

即:信號(hào)x（t）在分析時(shí)間t附近的Fourier變換（稱之為“局部頻譜”）。利用窗函數(shù)的滑動(dòng)將信號(hào)分成一系列相互重疊的子段，并假設(shè)每個(gè)子段都是平穩(wěn)的。通過(guò)對(duì)每個(gè)子段的信號(hào)加窗，減少旁瓣泄漏，然后對(duì)每一段進(jìn)行離散傅立葉變換，這樣得到頻譜圖即可表征信號(hào)的時(shí)頻分布特征。離散傅里葉變換硬件實(shí)現(xiàn)復(fù)雜，計(jì)算時(shí)間長(zhǎng)。R.N.Bracewell給出了快速哈特萊算法

其中0≤k≤N－1，由于cas（－x）=cos（x）－sin（x）及其周期對(duì)稱性有:

其中，X2n（k）為 X（2n）的 N/2點(diǎn) DHT，X2n+1（k）為 X（2n+1）的N/2點(diǎn)DHT:

同理有:

由上述四式，代入給出的XH（k）和XF（k）可求出信號(hào)序列的頻譜?？梢钥闯龈倪M(jìn)的加窗短時(shí)傅里葉變換算法運(yùn)算量較小，可以有效地節(jié)約運(yùn)算時(shí)間并避免譜泄露的發(fā)生。

3 仿真結(jié)果及分析

根據(jù)以上分析，對(duì)三相PWM逆變器單管開(kāi)路故障進(jìn)行仿真試 驗(yàn)，電路模型如圖1所示，參數(shù)如下:直 流電壓100 V，調(diào)制信號(hào)頻率60 Hz。對(duì)逆變器正常運(yùn)行和故障狀態(tài)分別仿真，輸出電壓波形如圖2所示:

由前面分析可知，逆 變器單管開(kāi)路故障時(shí)的輸出電壓頻譜中含有調(diào)制信號(hào)及其諧波的頻率成分，對(duì)逆變器正常運(yùn)行和單管開(kāi)路時(shí)的輸出電壓進(jìn)行采樣，為了盡量減小譜泄漏，采用改進(jìn)的加窗短時(shí)傅里葉變換算法，做快速短時(shí)傅里葉分解。得到輸出電壓頻譜如圖3、4所示。

仿真試驗(yàn)結(jié)果表明:故障特征頻率經(jīng)加窗短時(shí)傅里葉變換算法分解提取后較逆變器正常運(yùn)行時(shí)有明顯改變，將故障時(shí)逆變器輸出電壓頻譜與正常狀態(tài)輸出電壓頻譜作比較，可準(zhǔn)確診斷逆變器單管開(kāi)路故障。

4 結(jié)束語(yǔ)

對(duì)電機(jī)逆變器在正常運(yùn)行及開(kāi)路故障狀態(tài)的輸出電壓特征進(jìn)行了分析，并數(shù)學(xué)分析了利用加窗短時(shí)傅里葉變換對(duì)逆變器輸出電壓信號(hào)進(jìn)行故障頻譜特征提取的可行性。在此基礎(chǔ)上，在simulink環(huán)境下搭建仿真模型進(jìn)行仿真試驗(yàn)。試驗(yàn)結(jié)果表明:加窗短時(shí)傅里葉變換可有效提取逆變器故障時(shí)輸出電壓頻譜，同時(shí)減小了譜泄漏，并可以此作為逆變器開(kāi)路故障診斷的依據(jù)，實(shí)現(xiàn)逆變器的開(kāi)路故障診斷。

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