淺談電力電子電路故障診斷基本概念和方法

高福華　高向

【摘 要】故障診斷是一門(mén)綜合性技術(shù)，它涉及現(xiàn)代控制論、信號(hào)處理與模式識(shí)別、計(jì)算機(jī)科學(xué)、人工智能、電子技術(shù)、統(tǒng)計(jì)數(shù)學(xué)等學(xué)科。現(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(mén)綜合性的新學(xué)科——故障診斷學(xué)。

【關(guān)鍵詞】電路；故障；診斷

1.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(kāi)關(guān)器件的損壞，即晶閘管的損壞，其中以功率開(kāi)關(guān)器件的開(kāi)路和直通最為常見(jiàn)，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(gè)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(shí)監(jiān)視、在線診斷。

1.1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(huì)威脅人民生命、財(cái)產(chǎn)安全，甚至造成重大的人員傷亡或?yàn)?zāi)難事故，影響國(guó)民經(jīng)濟(jì)的正常運(yùn)行。所以，對(duì)電力電子設(shè)備進(jìn)行故障檢測(cè)和診斷顯得日趨重要。

長(zhǎng)期以來(lái)，人們采取兩種維修對(duì)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(wèn)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(jì)劃性和預(yù)防性，但其缺點(diǎn)是如無(wú)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(dòng)機(jī)、發(fā)電機(jī)和各種應(yīng)用電路。對(duì)電力電子設(shè)備進(jìn)行故障診斷就是要對(duì)所有的這些電路進(jìn)行故障檢測(cè)和診斷。電力電子電路是整個(gè)電力電子設(shè)備中最關(guān)鍵的部分，對(duì)其的故障檢測(cè)和診斷就顯得尤其重要。

1.2電力電子故障診斷的作用

（1）實(shí)現(xiàn)早期預(yù)報(bào)，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(shí)間，提高設(shè)備利用率。

（4）對(duì)提高設(shè)備的設(shè)計(jì)制造水平，改善產(chǎn)品質(zhì)量有指導(dǎo)意義。

2.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(cè)：以一定的檢測(cè)技術(shù)，獲取故障發(fā)生時(shí)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(cè)的故障信息，運(yùn)用合適的故障診斷方法，對(duì)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(shù)、專家系統(tǒng)等。

2.1故障字典法

把一組典型的測(cè)量特征值和故障值以一定的表格形式存放，通過(guò)比較測(cè)量值和特征值，判斷故障。先用計(jì)算機(jī)對(duì)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(duì)端口測(cè)試進(jìn)行分析，以識(shí)別故障，即將選定節(jié)點(diǎn)上測(cè)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(duì)應(yīng)故障。

故障字典法對(duì)于模擬電路和數(shù)字電路故障診斷具有很大的實(shí)用價(jià)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)。

2.2故障樹(shù)法

故障樹(shù)診斷法就是對(duì)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(huà)出邏輯框圖，即故障樹(shù)，從故障樹(shù)的頂事件進(jìn)行搜索從而找出故障原因的方法。故障樹(shù)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(shù)診斷直觀、靈活、通用，但建樹(shù)工作量大，繁瑣易錯(cuò)，對(duì)診斷故障空間較小的問(wèn)題比較合適。

2.3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(guò)研究實(shí)際系統(tǒng)與參考模型特征輸出量間的殘差來(lái)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(guò)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(cè)量少、判據(jù)簡(jiǎn)單且與輸出大小無(wú)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(shì)更加明顯。

2.4直接檢測(cè)功率器件兩端電壓或橋臂電流的方法

通過(guò)檢測(cè)各功率器件兩端的電壓，或檢測(cè)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(shí)序邏輯比較，從而判斷被診斷對(duì)象是否故障，此方法需要檢測(cè)每個(gè)被診斷器件的電壓和電流，所需測(cè)點(diǎn)較多，需要專門(mén)的檢測(cè)電路和邏輯電路。該方法還可以通過(guò)測(cè)量電路的輸入輸出來(lái)實(shí)現(xiàn)故障診斷。正常工作時(shí)，電路的輸入輸出在一定的范圍內(nèi)變動(dòng)，當(dāng)超出此范圍時(shí)，可認(rèn)為故障已經(jīng)發(fā)生。另外，還可以測(cè)量輸入輸出變量的變化率是否超出范圍來(lái)判斷是否發(fā)生故障。該方法雖然簡(jiǎn)單，但抗干擾性差。

2.5專家系統(tǒng)診斷的方法

專家系統(tǒng)就是利用計(jì)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(jì)出的一種智能計(jì)算機(jī)程序系統(tǒng)，解決復(fù)雜的系統(tǒng)故障診斷問(wèn)題。專家系統(tǒng)對(duì)經(jīng)驗(yàn)性的診斷知識(shí)進(jìn)行形式化描述，突破個(gè)人局限廣為傳播，有利于存儲(chǔ)和推廣專家的經(jīng)驗(yàn)，發(fā)揮專門(mén)人才作用，開(kāi)辟了綜合利用專家知識(shí)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(shí)結(jié)構(gòu)中知識(shí)庫(kù)與推理控制相對(duì)獨(dú)立，可重寫(xiě)增刪，可以結(jié)合其它診斷方法，構(gòu)成知識(shí)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(chǎng)技術(shù)人員的主觀能動(dòng)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(guò)實(shí)驗(yàn)或仿真建立起一個(gè)可靠的知識(shí)庫(kù)，該知識(shí)庫(kù)包含了電路的環(huán)境知識(shí)、系統(tǒng)知識(shí)和一個(gè)規(guī)則庫(kù)，其中知識(shí)庫(kù)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(guò)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(kù)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(shí)庫(kù)建立困難，特別是知識(shí)庫(kù)龐大時(shí)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(shí)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(wèn)題，但是由于對(duì)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(xiě)），因而故障診斷專家系統(tǒng)運(yùn)行很慢，很難適應(yīng)實(shí)時(shí)環(huán)境的要求；另外，當(dāng)遇到未見(jiàn)過(guò)的新故障或新信息時(shí)，如此建立的專家故障診斷系統(tǒng)往往不能正確處理，會(huì)因推理能力弱而出現(xiàn)“匹配沖突”、“組合爆炸”及“無(wú)窮遞歸”等問(wèn)題。要解決這些問(wèn)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(shí)遇到難以處理的困難?？傊?，專家診斷系統(tǒng)存在知識(shí)獲取“瓶頸”問(wèn)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(wèn)題等缺點(diǎn)。

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