智能故障診斷技術(shù)在電力電子電路方面的應(yīng)用

路新惠

（河南工業(yè)貿(mào)易職業(yè)學(xué)院 汽車(chē)工程學(xué)院，河南 鄭州 450000）

0 引 言

智能故障診斷對(duì)電力電子電路而言有重要作用，能保證電力電子電路的穩(wěn)定和可靠運(yùn)行，因此需及時(shí)發(fā)現(xiàn)和解決故障隱患，將故障可能造成的影響和損失降至最低。對(duì)于電力電子電路，如果發(fā)生故障，將對(duì)系統(tǒng)自身各類(lèi)電氣設(shè)備均帶來(lái)很大的影響，進(jìn)而產(chǎn)生實(shí)質(zhì)問(wèn)題，如設(shè)備損壞等，導(dǎo)致系統(tǒng)無(wú)法正常運(yùn)行，停止生產(chǎn)，嚴(yán)重時(shí)還會(huì)產(chǎn)生安全問(wèn)題或事故，存在一定程度的危險(xiǎn)性，甚至釀成人員傷亡。在目前常見(jiàn)電力電子電路類(lèi)型中，發(fā)生率最高的故障為晶閘管損壞，包括短路與開(kāi)路。對(duì)此，為保證電力電子電路得以穩(wěn)定可靠運(yùn)行，充分發(fā)揮應(yīng)有的作用和效果，有必要引入智能故障診斷。

1 電力電子電路

電力電子電路是指采用電力電子器件對(duì)工業(yè)電能實(shí)施變換及控制的電子電路。因電路中沒(méi)有旋轉(zhuǎn)元件和部件，所以還可將其稱(chēng)作靜止式變流電路，與傳統(tǒng)意義上的存在旋轉(zhuǎn)元件和部件的變流電路不同，該電路主要由電動(dòng)機(jī)與發(fā)電機(jī)兩部分構(gòu)成。這兩種相比較，前者基本沒(méi)有磨損，而且噪聲很低，有很高的運(yùn)行，容易實(shí)現(xiàn)自動(dòng)控制及生產(chǎn)，基本無(wú)需建造專(zhuān)用地基?；诖?，從20世紀(jì)60年代開(kāi)始，該電路就開(kāi)始逐步取代傳統(tǒng)的變流電路[1]。

因電力電子電路主要是對(duì)容量極大的工業(yè)電能進(jìn)行處理，所以高效率和低損耗是它的核心目標(biāo)。為有效減少或避免內(nèi)耗，電路中的電力電子器件運(yùn)行在開(kāi)關(guān)狀態(tài)，基于此可將電路看作一種功率很大的開(kāi)關(guān)電路[2]。按照具體的功能，可將電力電子電路分成以下幾種。一是整流電路，即能通過(guò)轉(zhuǎn)換使交流電變成直流電的電路，如圖1所示。二是逆變電路，即能通過(guò)轉(zhuǎn)換使直流電變成交流電的電路，如圖2所示。三是交流變換電路，主要包括交流調(diào)壓電路與變頻電路兩種，如圖3所示。四是直流變換電路，可以更改直流電流的方向及大小。

圖1 整流電路

圖2 逆變電路

圖3 交流變換電路

按照電能轉(zhuǎn)換次數(shù)可將電力電子電路分成基本變換電路和組合變換電路[3]。其中，基本變換電路只通過(guò)一次轉(zhuǎn)換就能完成電能變換，還可稱(chēng)作直接變換電路，而組合變換電路是指通過(guò)多次轉(zhuǎn)換才能完成電能轉(zhuǎn)換，還可稱(chēng)作間接變換電路。

按照組成電路的電力電子器件可將電力電子電路分成以下幾種。一是不控型變換電路，采用不控型器件，電路不對(duì)變換的電能進(jìn)行控制，如圖4所示。二是半控型變換電路，采用半控型器件，僅可以在電路能對(duì)晶閘管進(jìn)行關(guān)斷的情況下正常工作。三是全控型變換電路，采用自關(guān)斷器件，與半控型電路相比技術(shù)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)較好，但實(shí)際的開(kāi)關(guān)容量比半控型變換電路略低[4]。

圖4 不控型變換電路

按照具體的控制方式可將電力電子電路分成以下幾種。一是相控電路，其控制信號(hào)發(fā)生的變化主要表現(xiàn)為控制極脈沖相位發(fā)生變化。二是頻控電路，其信號(hào)發(fā)生的變化主要表現(xiàn)為控制極脈沖重復(fù)頻率發(fā)生變化。三是斬控電路，其控制信號(hào)發(fā)生的變化主要表現(xiàn)為控制極脈寬發(fā)生變化。四是組合控制電路，其是由以上3種不同控制方式組合構(gòu)成的電路。

2 基于智能故障診斷的電力電子電路故障診斷模式

2.1 結(jié)構(gòu)性故障

結(jié)構(gòu)性故障主要由電力系統(tǒng)方面的問(wèn)題引起，一般很難通過(guò)檢查發(fā)現(xiàn)，而且通常不會(huì)產(chǎn)生于控制電路。對(duì)電力電子電路而言，其電力系統(tǒng)主要由3個(gè)模塊組成。在電路中，以主電路為主要部分，電路核心為控制電路，這是故障發(fā)生率最高的部分。就當(dāng)前的電路形式可知，輔助電路起到為電路提供輔助的作用，對(duì)電路沒(méi)有太大影響?；诖?，在電路自身結(jié)構(gòu)體系方面最容易產(chǎn)生結(jié)構(gòu)性的故障，但在數(shù)字電路中也比較容易產(chǎn)生。對(duì)數(shù)字電路進(jìn)行控制的系統(tǒng)主要在控制電路，特別是在電感和短路開(kāi)路上，難免給整個(gè)電路造成很大影響。對(duì)此，在實(shí)際的故障診斷過(guò)程中應(yīng)判斷正確診斷模式，在電路的電感部位進(jìn)行智能斷路器的合理設(shè)置，以此保證實(shí)際的診斷效率[5]。

2.2 參數(shù)性故障

設(shè)備損壞產(chǎn)生的原因以電路微感軟件的實(shí)際運(yùn)行不暢為主，特別是在數(shù)字電路當(dāng)中，電路一般為自動(dòng)化運(yùn)行，一旦產(chǎn)生此類(lèi)故障，將導(dǎo)致整個(gè)系統(tǒng)的運(yùn)行陷入紊亂。在不同終端聯(lián)合作用下，難免產(chǎn)生參數(shù)性故障。對(duì)此，要想提高故障診斷過(guò)程及結(jié)果的智能化水平，需要從根本上提高診斷的自動(dòng)化和智能化。對(duì)于智能斷路器，一方面能使電路安全運(yùn)行，另一方面將監(jiān)控和電路系統(tǒng)保護(hù)結(jié)合到一起，能有效保證整個(gè)系統(tǒng)運(yùn)行的穩(wěn)定性與可靠性。基于此，在故障診斷時(shí)應(yīng)充分考慮實(shí)際情況，全面分析具體的診斷模式，使診斷得以有效提高與優(yōu)化。

3 基于智能故障診斷的電力電子電路故障診斷具體方法

對(duì)電力電子電路而言，其儀表必須得到有效優(yōu)化。由于儀表系統(tǒng)屬于智能化系統(tǒng)，所以相關(guān)技術(shù)人員應(yīng)經(jīng)常維護(hù)處理，避免系統(tǒng)產(chǎn)生故障或直接崩潰。在實(shí)際情況中大多采用的是DCS系統(tǒng)，該系統(tǒng)不僅有很高的可靠性，而且故障率很低，還有很強(qiáng)的自診斷及實(shí)時(shí)報(bào)警功能，對(duì)于重要儀表對(duì)應(yīng)的控制回路進(jìn)行冗余配置，能延長(zhǎng)整個(gè)系統(tǒng)及設(shè)備的實(shí)際生命周期，比其他現(xiàn)場(chǎng)儀表設(shè)備要好很多。然而，要想使該系統(tǒng)得以良好運(yùn)行，需做好定期維護(hù)，以此提高自動(dòng)化水平，保證可靠性[6]。

以系統(tǒng)的儀表硬件實(shí)施維護(hù)，可提高其應(yīng)用進(jìn)程，特別是靈敏度可以得到很大提升，在儀表的實(shí)際應(yīng)用過(guò)程中應(yīng)保證科學(xué)性與合理性，準(zhǔn)確把控使用周期，及時(shí)更換一些老化的儀表。此外還要保證參數(shù)測(cè)量結(jié)果的準(zhǔn)確性與可靠性，保證儀表靈敏性，使儀表具有的檢測(cè)功能和修復(fù)功能都得以有效完善。

對(duì)電力電子電路進(jìn)行的診斷主要包含信息檢測(cè)與故障診斷。其中，信息檢測(cè)是指利用合理有效的檢測(cè)技術(shù)與方法對(duì)故障產(chǎn)生時(shí)對(duì)應(yīng)的所有信息予以提取，以此為故障的分析和診斷提供可靠依據(jù)。故障診斷是指以診斷出的各類(lèi)信息為依據(jù)，分析并推理發(fā)生故障的具體部位，以此確定故障產(chǎn)生的主要原因[7]。

頻譜分析在故障診斷過(guò)程中屬于一種信號(hào)分析方式，常用頻譜為傅里葉譜與沃爾什譜。通過(guò)頻譜分析能有效減小信號(hào)再生，為信息的提取創(chuàng)造方便。在產(chǎn)生故障信號(hào)之后，相應(yīng)信號(hào)的波形將無(wú)法反映出故障特征，對(duì)工作人員的故障判斷造成影響。然而，在不同的電力電子電路中，其故障信息通常存在一定規(guī)律，而且還有周期性?；诖耍赏ㄟ^(guò)傅里葉變換使故障變形，從時(shí)域變成頻域，實(shí)現(xiàn)對(duì)故障信息的凸顯，進(jìn)而完成故障診斷。事實(shí)上，無(wú)論是傅里葉譜還是沃爾什譜均屬于對(duì)周期函數(shù)進(jìn)行的分解，但前者是將周期函數(shù)分解為頻率不同的正弦分量，而后者則將周期函數(shù)分解成沃爾什函數(shù)分量，以上兩種方法的工作原理基本相同[8]。

對(duì)數(shù)字信號(hào)處理而言，目前最常用的為自適應(yīng)濾波。該處理方法十分簡(jiǎn)單且直接，對(duì)工作人員沒(méi)有太高的要求，可直接利用現(xiàn)有的資料來(lái)分析，再通過(guò)運(yùn)算對(duì)濾波器各項(xiàng)參數(shù)予以更改。通過(guò)這樣的方式，濾波器的實(shí)際輸出將對(duì)信號(hào)特征發(fā)生的變化予以自動(dòng)跟蹤。對(duì)自適應(yīng)處理而言，其最大的優(yōu)勢(shì)在于可以在噪聲背景中提取故障信息具有的特征，進(jìn)而為相關(guān)人員對(duì)故障的診斷提供可靠參考依據(jù)。從測(cè)量方法角度講，可以分成檢測(cè)濾波器、狀態(tài)估計(jì)以及參數(shù)辨識(shí)幾種，現(xiàn)在常用的為前兩種。第一種方法較為簡(jiǎn)單，僅需工作人員將故障實(shí)際輸出方向固定于特定方向上即可，該方法有很強(qiáng)的可操作性，且作用效果顯著[9]。而第二種方法則沒(méi)有第一種直接，需要對(duì)系統(tǒng)狀態(tài)發(fā)生的變化予以監(jiān)測(cè)，在實(shí)際的故障診斷過(guò)程中利用觀測(cè)器對(duì)系統(tǒng)實(shí)際輸出進(jìn)行觀測(cè)，以得出系統(tǒng)輸出對(duì)應(yīng)的估計(jì)值。該估計(jì)值與實(shí)際輸出之間存在一定偏差，該偏差就是量測(cè)殘差。在該量測(cè)殘差中存在很多系統(tǒng)內(nèi)部變化對(duì)應(yīng)的信息，相關(guān)工作人員可根據(jù)這些信息對(duì)故障信息予以判斷。盡管這種方法耗時(shí)較長(zhǎng)，但其計(jì)算量相對(duì)較小，且診斷速度很快，有很高的準(zhǔn)確率。除以上幾種方法外，還存在一種以人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)為基礎(chǔ)的故障診斷方法，該方法將人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)作為核心，通過(guò)自主學(xué)習(xí)明確故障信號(hào)和類(lèi)型之間的關(guān)系，其科學(xué)性很高，且速度很快，準(zhǔn)確率高[10]。

除以上幾種方法外，還可采用粗糙集的方法，該方法主要建立在分類(lèi)不發(fā)生變化的基礎(chǔ)上，通過(guò)知識(shí)約簡(jiǎn)化對(duì)概念分類(lèi)予以推導(dǎo)，其主要特點(diǎn)為可分析并處理精確度和完整性均不高的信息，可以在其中找出隱含的信息，并根據(jù)這些信息揭露出其中的規(guī)律性。然而，因該方法是從精確與完整性均較差的信息中對(duì)診斷規(guī)則進(jìn)行推導(dǎo)，所以難免產(chǎn)生一定誤差，在實(shí)際工作中采用這種方法時(shí)需要對(duì)其高度重視。

4 結(jié) 論

在工業(yè)快速發(fā)展的時(shí)期中，電力電子電路具有的功能得以進(jìn)一步發(fā)揮，為了使電路發(fā)揮出應(yīng)有的作用功能，有必要引入智能故障診斷技術(shù)，以此及時(shí)發(fā)現(xiàn)和處理電路中的各類(lèi)故障，將故障發(fā)生后可能造成的損失降至最低。在應(yīng)用智能故障診斷的過(guò)程中需要對(duì)儀表實(shí)施必要的優(yōu)化，并根據(jù)電路的實(shí)際情況采用恰當(dāng)?shù)姆椒▉?lái)處理電路問(wèn)題，使電力系統(tǒng)得以全面且有效的優(yōu)化，進(jìn)而使智能故障診斷實(shí)際應(yīng)用價(jià)值得以體現(xiàn)。