基于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的三電平逆變器故障診斷研究

劉怡君 聶其燕 盧一揚(yáng) 王磊楊 劉 林

（安徽工程大學(xué)電氣工程學(xué)院，安徽 蕪湖241000）

0 引言

逆變器中的功率元器件及其控制電路是最易發(fā)生故障的薄弱環(huán)節(jié)，功率變換器工作在高頻狀態(tài)，損耗較大，發(fā)熱嚴(yán)重，發(fā)生故障的概率最大，而最新研究也表明：變頻調(diào)速系統(tǒng)中功率變換器的故障占整個(gè)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)故障的80%以上。功率變換器發(fā)生故障會(huì)使電動(dòng)機(jī)在非平衡供電狀態(tài)下工作，長(zhǎng)期下去會(huì)使電動(dòng)機(jī)受到嚴(yán)重?fù)p壞。在三電平逆變器系統(tǒng)中，主電路功率開關(guān)器件是其中最易于發(fā)生故障的薄弱環(huán)節(jié)[1-3]。因此，針對(duì)三電平逆變器產(chǎn)生的故障波形進(jìn)行故障診斷具有很好的實(shí)用價(jià)值。本文利用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)方法對(duì)三電平逆變器故障診斷問題進(jìn)行了研究。

1 三電平逆變器故障診斷分析

常見的三電平逆變器的主電路故障模式可分為以下幾種[4]：（l）任一功率開關(guān)管基極驅(qū)動(dòng)電路故障；（2）任一功率開關(guān)管短路故障；（3）任一功率開關(guān)器件管間歇性斷路故障；（4）任一逆變橋臂幾個(gè)功率開關(guān)管同時(shí)斷路故障；（5）任一逆變橋臂幾個(gè)功率開關(guān)管同時(shí)短路故障；（6）交叉兩逆變橋臂幾個(gè)功率開關(guān)管同時(shí)斷路故障；（7）無源元件失效故障。在實(shí)際運(yùn)行中，更多關(guān)注的是功率開關(guān)管的短路和開路故障。因?yàn)檫@兩種故障最為常見，所帶來的損失也比較嚴(yán)重。其中，短路故障發(fā)生時(shí)，若系統(tǒng)中有電流傳感器過流保護(hù)，會(huì)很快引發(fā)過流保護(hù)。短路故障由于存在時(shí)間比較短，若要求在線實(shí)時(shí)的診斷和檢測(cè)可能難度會(huì)很大，并且短路故障最終還是會(huì)表現(xiàn)為開路故障?？紤]以上原因，本文主要研究三電平逆變器主電路中功率開關(guān)管的開路故障，即以上的（1）、（4）和（6）診斷問題。

2 基于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的三電平故障診斷方法

由于BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)簡(jiǎn)單實(shí)用、理論成熟，便于工程應(yīng)用。因此，本文選用BP網(wǎng)絡(luò)作為三電平逆變器故障診斷網(wǎng)絡(luò)。圖1為基于BP網(wǎng)絡(luò)的三電平逆變器故障診斷流程圖。

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果及其分析

圖2為三電平逆變器工作示意圖，供電回路為典型的交-直-交變換電路。三相交流電通過三相橋式整流后得到直流電，三電平逆變器再將直流電變成三相交流電后給負(fù)載供電。圖3為硬件實(shí)驗(yàn)臺(tái)。

圖4 為無故障時(shí)三電平逆變器主電路輸出電壓波形，三電平逆變器輸出的線電壓從波谷到波峰之間的電壓等級(jí)數(shù)為5，輸出的相電壓從波谷到波峰之間的電壓等級(jí)數(shù)為9，這些波形經(jīng)濾波后即為所要求的正弦波形。

在故障診斷時(shí)，人為將三電平逆變器中功率IGBT的驅(qū)動(dòng)信號(hào)去掉，來模擬各類開路故障狀態(tài)。首先，制造25種IGBT典型故障。圖5為A相Sa1開關(guān)管故障時(shí)逆變器輸出電壓波形。圖中看到，Sa1管故障時(shí)，逆變器輸出相電壓在負(fù)半周正常，而在正半周相電壓幅值只有正常工作時(shí)的1/2。

實(shí)驗(yàn)中采樣三電平逆變器系統(tǒng)的三相輸出電壓波形，在一個(gè)周期20ms內(nèi)連續(xù)采樣128點(diǎn)，將采樣數(shù)據(jù)存入緩沖區(qū)。先對(duì)各種典型故障波形用邏輯規(guī)則進(jìn)行判斷，然后查詢典型故障表進(jìn)行故障定位，最后給出正確診斷結(jié)果。采用用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)對(duì)逆變器的非典型進(jìn)行診斷時(shí)，將電壓信號(hào)經(jīng)過d-q變換后，對(duì)這些數(shù)據(jù)進(jìn)行歸一化處理，并作FFT分析，得到8個(gè)特征信號(hào)數(shù)據(jù)：d和q分量各自的直流分量、基波幅值、基波相位、二次諧波相位。將特征信號(hào)輸入已學(xué)習(xí)好的待診神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，在神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)輸出層的6個(gè)輸出節(jié)點(diǎn)可得到其輸出結(jié)果，進(jìn)行四舍五入取整后，就得到最后診斷結(jié)果表示的故障代碼。根據(jù)故障診斷得到的故障代碼與故障編碼表進(jìn)行比較得到診斷是否正確，若完全相符，則表明診斷正確。為了完備的實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，通過改變負(fù)載和輸入電壓大小，對(duì)3組144個(gè)非典型故障樣本進(jìn)行診斷，有125個(gè)故障被正確診斷，正確率為87%。

4 結(jié)論

本文設(shè)計(jì)了基于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的三電平逆變器的故障診斷實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，構(gòu)建了三電平逆變器的主電路，設(shè)計(jì)了DSP的外圍電路，包括信號(hào)緩沖保護(hù)電路、驅(qū)動(dòng)電路、電壓電流檢測(cè)電路、輔助電源等。編寫了三電平逆變器的SVPWM信號(hào)發(fā)生程序和故障診斷程序等。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，本文提出的基于BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的三電平逆變器故障診斷方法具有一定的可行性和實(shí)際應(yīng)用價(jià)值。

［1］安群濤,孫力,孫立志.三相逆變器開關(guān)管故障診斷方法研究進(jìn)展[J].電工技術(shù)學(xué)報(bào),2011,26(4)：135-144.

［2］湯清泉,顏世超.盧松升.三電平逆變器的功率管開路故障診斷[J].中國(guó)電機(jī)工程學(xué)報(bào),2008,28(21)：26-32.

［3］周京華,劉輝臣,姚亞蘭.三電平大功率變頻器故障特征及診斷方法研究[J].電力電子技術(shù),2009,43(6)：1-3.

［4］肖剛.三電平逆變器故障診斷研究[D].西安：西安理工大學(xué),2007.