變頻器故障診斷技術(shù)探討

賈衛(wèi)東

（中國(guó)石油大慶石化分公司熱電廠，黑龍江 大慶 163000）

熱電廠配備使用變頻器，有效地改變了熱電廠內(nèi)的生產(chǎn)方式，為生產(chǎn)工作的進(jìn)行創(chuàng)造了良好的條件。一些熱電廠的變頻器在使用的過(guò)程中面臨著故障頻發(fā)的問(wèn)題，因?yàn)榛虼蠡蛐〉母黝惞收希瑖?yán)重干擾了變頻器的正常使用，變頻器的運(yùn)行穩(wěn)定受到了巨大的威脅。為發(fā)揮變頻器在生產(chǎn)中的作用，各個(gè)熱電廠都需根據(jù)自己的實(shí)際情況，重視變頻器故障的處理，并應(yīng)用先進(jìn)的故障診斷技術(shù)，實(shí)現(xiàn)對(duì)變頻器故障的精準(zhǔn)識(shí)別與處理。

1 變頻器發(fā)展的現(xiàn)狀

隨著變頻技術(shù)的日漸進(jìn)步，在生產(chǎn)生活領(lǐng)域都配備了各種的變頻器，各種類型的變頻器配備和使用，簡(jiǎn)化了工作流程，由于設(shè)備體積較小，維修工作更為便捷，可降低設(shè)備故障頻率。一些大型機(jī)械設(shè)備中，都配備有變頻器，對(duì)熱電廠來(lái)說(shuō)，變頻器有著不可替代的作用，多年以來(lái)，由于變頻器應(yīng)用范圍的顯著擴(kuò)大，我國(guó)的變頻器市場(chǎng)發(fā)展迅猛。但總體來(lái)看，國(guó)內(nèi)變頻器的發(fā)展速度還遠(yuǎn)遠(yuǎn)落后于國(guó)外，相關(guān)人員加大了對(duì)變頻器的研究力度，一些新型的變頻器陸續(xù)出現(xiàn)，這些變頻器的功能多樣、性能完善，可保持較大的穩(wěn)定性。變頻器使用后，可科學(xué)調(diào)節(jié)速度，從本質(zhì)上看，變頻器為一種特殊的驅(qū)動(dòng)方式，經(jīng)由變頻技術(shù)與微電子技術(shù)等的結(jié)合，可改變電機(jī)工作電源頻率，控制交流電動(dòng)機(jī)。在當(dāng)下的條件下，經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展迅速，工業(yè)生產(chǎn)表現(xiàn)出了自動(dòng)化特征，而這些發(fā)展趨勢(shì)給變頻器的應(yīng)用提供了更大的可能性，變頻器被應(yīng)用到了更多的領(lǐng)域。此外，在當(dāng)下的發(fā)展條件下，人們對(duì)生活質(zhì)量有了更高的追求，節(jié)能環(huán)保成為人們關(guān)注的重點(diǎn)方面，在生產(chǎn)領(lǐng)域的變頻器使用，可起到節(jié)能效果，降低機(jī)械設(shè)備在運(yùn)行過(guò)程中的電能消耗，保持設(shè)備的高效、穩(wěn)定運(yùn)行。因此，不論從經(jīng)濟(jì)性、技術(shù)性還是節(jié)能性的角度，變頻器的使用都十分重要。

2 變頻器的故障診斷

在當(dāng)前的工業(yè)領(lǐng)域，變頻器有著十分廣泛的應(yīng)用，通過(guò)變頻器的配置，有效地發(fā)揮了變頻器的作用。但工業(yè)生產(chǎn)中的變頻器，卻存在著故障頻發(fā)的問(wèn)題，根據(jù)行業(yè)內(nèi)變頻器的故障情況調(diào)查，主要存在一類、二類和三類故障，不同類型的變頻器故障都有各自適用的診斷方法。

2.1 變頻器的一類故障診斷

在變頻器的使用過(guò)程中，一類故障是比較常見的故障，結(jié)合其故障表現(xiàn)與頻次，很多時(shí)候?qū)⒁活惞收戏Q為無(wú)損故障。當(dāng)在變頻器的使用中遇到了這一故障時(shí)，可在故障發(fā)生的過(guò)程中實(shí)施故障診斷，根據(jù)診斷結(jié)果，及時(shí)采取有效的控制措施，避免故障對(duì)變頻器造成更大的破壞。如當(dāng)變頻器運(yùn)行中發(fā)生了輸出過(guò)流、直流母線過(guò)壓欠壓、輸出缺相的情況時(shí)，都需要立即進(jìn)行故障診斷與處理，一般可通過(guò)對(duì)硬件電路的分析來(lái)進(jìn)行故障識(shí)別。此外，當(dāng)在變頻器的使用過(guò)程中出現(xiàn)了直流母線電壓過(guò)壓欠壓的情況時(shí)，通過(guò)硬件電路在很大程度上可實(shí)現(xiàn)對(duì)變頻器的保護(hù)。

當(dāng)變頻器處于運(yùn)行狀態(tài)時(shí)，母線電壓過(guò)壓雖較為常見，但大多出現(xiàn)在變頻器母線制動(dòng)或者發(fā)電情況下；母線欠壓為變頻器運(yùn)行時(shí)從電壓電網(wǎng)跌落，造成異常停電的現(xiàn)象，當(dāng)進(jìn)行過(guò)壓與欠壓故障分析與判定時(shí)，直接對(duì)比變頻器的給定值與實(shí)測(cè)母線即可。

2.2 變頻器的二類故障診斷

當(dāng)在變頻器的使用過(guò)程中出現(xiàn)了二類故障時(shí)，變頻器的正常使用將受到嚴(yán)重的影響，變頻器無(wú)法工作，甚至在一些情況下會(huì)造成重大安全事故。因此，變頻器的使用中，二類故障是需要重點(diǎn)關(guān)注的，一旦發(fā)現(xiàn)了這類型故障，需立即安排相關(guān)人員來(lái)進(jìn)行診斷與處理，在最短的時(shí)間內(nèi)恢復(fù)變頻器的工作。

結(jié)合市場(chǎng)上變頻器二類故障的出現(xiàn)情況，多表現(xiàn)為速度故障、逆變器開關(guān)器件開路故障，在變頻器的運(yùn)行中，Ssf一旦出現(xiàn)了異常，伴隨著閉環(huán)系統(tǒng)的開環(huán)，可能引起變壓器中部分零部件的損壞，或者相關(guān)電氣設(shè)備的破壞，因此，二類故障對(duì)變頻器乃至整個(gè)生產(chǎn)系統(tǒng)的危害巨大，需重點(diǎn)關(guān)注。

（1）速度傳感器的故障診斷。在變頻器的使用中，由于變頻器的功能特殊，一般會(huì)配備速度傳感器，一旦速度傳感器發(fā)生了故障，變頻器的使用必將受其影響。關(guān)于變頻器的故障診斷，一般采用的是硬件法和軟件法，如果選用了硬件法，可在診斷時(shí)直接通過(guò)硬件法檢測(cè)、基于脈沖分析的方式實(shí)施故障判定，利用硬件檢測(cè)法時(shí)，診斷速率快，但隨著這一診斷工作的進(jìn)行，必將同步增大變頻器的運(yùn)行成本，且對(duì)于電壓輸出類型的速度傳感器，這一檢測(cè)方法有效，但對(duì)于其他類型的速度傳感器，硬件檢測(cè)法卻不適用。此外，硬件檢測(cè)法應(yīng)用時(shí)，往往需速度傳感器內(nèi)部電路有著較高的要求，依據(jù)速度傳感器前后信號(hào)的接入點(diǎn)位，可進(jìn)行Ssf的診斷，當(dāng)檢測(cè)時(shí)發(fā)現(xiàn)輸出端子輸出低電平時(shí)，可正常診斷出Ssf，否則，當(dāng)輸出端子輸出高電平時(shí)，說(shuō)明速度傳感器不存在Ssf故障。速度傳感器的故障也可利用脈沖信號(hào)檢測(cè)法進(jìn)行診斷，這一診斷方法的應(yīng)用中，可與軟件診斷法結(jié)合起來(lái)，在具體診斷時(shí)，基于小波變換、狀態(tài)觀測(cè)器的方式，可得到診斷結(jié)果。但檢測(cè)時(shí)，神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、小波變換的復(fù)雜性大，涉及了大量的計(jì)算，在很多時(shí)候都不采用這一方法。

（2）變頻器IGBT開路故障診斷在變頻器的使用中，IGBT開路故障是一類常見的故障，在對(duì)此類故障加以診斷的過(guò)程中，主要是針對(duì)變頻器內(nèi)部的硬件加以判定和分析，屬于硬件診斷法。IGBT開路故障一般是由意外情況所導(dǎo)致，當(dāng)出現(xiàn)了過(guò)流或者操作錯(cuò)誤時(shí)，變頻器中的內(nèi)部硬件很難實(shí)現(xiàn)對(duì)系統(tǒng)的保護(hù)，誘發(fā)了故障。一旦變頻器在使用中發(fā)生了IGBT故障，需立即停機(jī)維修或者直接更換變頻器，否則，如果處理不及時(shí)，將造成更大的故障。變頻器的IGBT故障診斷中，硬件法、軟件法更為適用，如果在故障診斷的過(guò)程中采用的是硬件法，診斷速度相對(duì)較快，且可以立即隔離故障，但利用硬件法開展診斷時(shí)，需依據(jù)逆變器特定的電位實(shí)施綜合檢測(cè)，相關(guān)人員還需結(jié)合pwm實(shí)施電位控制，才可以達(dá)到故障診斷的效果。硬件法實(shí)施的故障診斷，成本較高，主要是因?yàn)樽冾l器存在死區(qū)時(shí)間，綜合分析，硬件法對(duì)IGBT開路故障的診斷，可靠性較差。當(dāng)采用的是軟件法時(shí)，可通過(guò)三相電流平均值法實(shí)施診斷，這種診斷方式應(yīng)用時(shí)，為減小噪聲干擾，需科學(xué)設(shè)置閾值。

2.3 變頻器三類故障診斷

變頻器在使用中也會(huì)出現(xiàn)三類故障，一旦發(fā)生了這類型故障，必將引起變頻器的損壞，且這類故障的控制和處理難度較大。根據(jù)實(shí)際情況，變頻器三類故障不僅會(huì)引發(fā)變頻器本身的硬件損壞，這種損壞在后續(xù)很難處理，一般需進(jìn)行內(nèi)部硬件的整體更換。變頻器三類故障多表現(xiàn)為母線電容損壞、整流橋燒毀、控制電路與驅(qū)動(dòng)電路的短路故障、硬件開關(guān)器件短路幾種，在遇到了這一類型故障后，為在最短的時(shí)間內(nèi)實(shí)施故障處理，需立即將電源切斷，隨后以電阻特性值作為參考，開展故障定位與分析。

3 變頻器故障診斷技術(shù)的應(yīng)用

近年來(lái)，隨著信息時(shí)代的到來(lái)，變頻器中的計(jì)算機(jī)信息技術(shù)等使用，大大提高了軟硬件的可靠性，但即使如此，變頻器故障也時(shí)有發(fā)生，根據(jù)調(diào)查，變頻器系統(tǒng)失效多是由主電路的元器件故障所導(dǎo)致。針對(duì)變頻器故障，可構(gòu)建專門的報(bào)警系統(tǒng)，系統(tǒng)可在存在異常的情況下快速對(duì)電路進(jìn)行檢查，將檢查到的狀態(tài)信息反饋給微處理器，微處理器對(duì)這些信息實(shí)現(xiàn)了全面處理后，可進(jìn)行異常情況的判定，如果確實(shí)存在有異常，會(huì)立即進(jìn)行報(bào)警信號(hào)的發(fā)送。

這種故障報(bào)警系統(tǒng)下，也存在異性的不足，就是報(bào)警過(guò)程中的用時(shí)較長(zhǎng)，報(bào)警準(zhǔn)確性無(wú)法滿足，對(duì)于這一方面的問(wèn)題，未來(lái)需不斷完善故障診斷理論，并加強(qiáng)這一理論在實(shí)際中的應(yīng)用。其次，報(bào)警系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)較為簡(jiǎn)單，在此結(jié)構(gòu)下，主電路的運(yùn)行狀態(tài)很大程度上取決于整個(gè)體系的情況，變頻器故障多由主電路故障所導(dǎo)致。變頻器故障診斷流程，如圖1所示。

圖1 故障診斷流程示意圖

3.1 故障樹模式診斷技術(shù)

隨著變頻器在生產(chǎn)領(lǐng)域的作用越來(lái)越突出，變頻器的故障診斷已經(jīng)成為重點(diǎn)性關(guān)注的方面。在技術(shù)不斷進(jìn)步的過(guò)程中，變頻器的故障診斷中可采用故障樹模式診斷技術(shù)，在將此技術(shù)應(yīng)用于故障診斷時(shí)，重點(diǎn)需做好模型分析，構(gòu)建故障樹模型。

從根本來(lái)看，故障樹模型為因果模型，在具體的故障分析中，可以采用定性分析的方式，故障判定基準(zhǔn)為診斷對(duì)象的行為特點(diǎn)，導(dǎo)致這些故障情況的因素是底事件和中間事件，相互之間可以用邏輯門構(gòu)建關(guān)系，所構(gòu)建的故障樹模型，可清晰描述故障量與特征量的關(guān)系。在利用故障樹模式診斷技術(shù)時(shí)，首先要進(jìn)行診斷對(duì)象的確定，隨后根據(jù)具體情況構(gòu)建符合邏輯的故障樹，在此模型下選擇恰當(dāng)?shù)乃褜し绞健?/p>

3.2 信號(hào)處理診斷技術(shù)

信息處理診斷技術(shù)也是一種現(xiàn)代化的診斷方式，當(dāng)變頻器使用的過(guò)程中出現(xiàn)了三相全控制流電流故障時(shí)，可引入傅里葉分析法實(shí)施故障線診斷與判定。當(dāng)利用這一方法開展診斷時(shí)，基本思路為：對(duì)某些關(guān)鍵點(diǎn)展開詳細(xì)分析，實(shí)現(xiàn)時(shí)域信息向頻域范圍的切換，結(jié)合變幅值的具體特性分析，確定故障類型。在得到了故障類型后，可依據(jù)相位特征的分析定位故障。當(dāng)然，在一些情況下，當(dāng)變頻器出現(xiàn)了三相全控制流電流故障時(shí)，也會(huì)利用沃爾什分析法進(jìn)行故障的判定與分析，當(dāng)利用這一分析方法時(shí)，需將電路中關(guān)鍵點(diǎn)的波形實(shí)現(xiàn)沃爾什轉(zhuǎn)換，在轉(zhuǎn)換后實(shí)施專業(yè)分析，在這種情況下，往往與中波構(gòu)成了完整的周期，將其切換到頻域內(nèi)，也就可以進(jìn)行故障信息的全面判定。

3.3 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)診斷技術(shù)

神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)診斷技術(shù)屬于一種新型的診斷技術(shù)，在這一技術(shù)的應(yīng)用過(guò)程中，有效發(fā)揮了智能技術(shù)的優(yōu)勢(shì)。在利用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)開展變頻器的故障診斷時(shí)，神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制器是重要配置，這一類型的控制器不需要對(duì)象，所構(gòu)建的數(shù)據(jù)模型可精準(zhǔn)識(shí)別和判定故障。在變頻器的使用過(guò)程中，當(dāng)故障類型與故障信號(hào)之間的邏輯關(guān)系不清晰的情況下，利用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)故障診斷技術(shù)十分有效。對(duì)于當(dāng)前的很多變頻器來(lái)說(shuō)，其系統(tǒng)的隨機(jī)性、模糊性特征模型，常規(guī)的故障診斷方式下，很難實(shí)現(xiàn)對(duì)故障的精準(zhǔn)判定與分析，為實(shí)現(xiàn)對(duì)變頻器故障的科學(xué)判定，可加大神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)故障診斷技術(shù)的使用。

與常規(guī)的故障診斷方式相比，神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)診斷技術(shù)的效率高、準(zhǔn)度大，但同樣存在一定的問(wèn)題，就是在故障診斷的過(guò)程中，樣本的獲取相對(duì)困難，網(wǎng)絡(luò)權(quán)值的表達(dá)方式下，很多人無(wú)法理解，這是未來(lái)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)故障診斷中需關(guān)注的重點(diǎn)方面。

3.4 其他診斷故障方法

變頻器在生產(chǎn)中應(yīng)用時(shí)，往往會(huì)出現(xiàn)各種各樣的故障，針對(duì)這些故障，為實(shí)現(xiàn)故障的精準(zhǔn)判定與分析，需重視故障診斷方法的創(chuàng)新，在一些故障的判定方面，可以將多種診斷方法結(jié)合起來(lái)使用。

隨著人們對(duì)變頻器故障診斷的日漸重視，有關(guān)人員加大了對(duì)變頻器故障診斷方法的研究，除了上述的這些方法，狀態(tài)次序法、六路觸發(fā)脈沖故障診斷法、在線診斷PWM逆變器等都得到了一定的應(yīng)用，這些診斷方法可以綜合起來(lái)使用，以通過(guò)不同診斷方法的結(jié)合，發(fā)揮各種診斷方法的優(yōu)勢(shì)，保障故障診斷的效率和整體水平。未來(lái)的變頻器使用中，需在原有故障診斷基礎(chǔ)上，加大技術(shù)創(chuàng)新力度。

4 結(jié)語(yǔ)

變頻器在使用中面臨著故障頻發(fā)的問(wèn)題，各類故障的頻繁發(fā)生增大了變頻器的使用風(fēng)險(xiǎn)，為了提高變頻器運(yùn)行的穩(wěn)定性與可靠性，必須加大對(duì)變頻器的故障診斷，應(yīng)用先進(jìn)的故障診斷技術(shù)，有效降低變頻器風(fēng)險(xiǎn)，通過(guò)精準(zhǔn)判定故障，制定最有效的故障處理方案，恢復(fù)變頻器的正常使用。