電力電子電路故障診斷基本概念和方法

張建剛

[摘要]故障診斷是一門綜合性技術，它涉及現代控制論、信號處理與模式識別、計算機科學、人工智能、電子技術、統計數學等學科。現代故障診斷技術已有30多年的發展歷史，但作為一門綜合性的新學科——故障診斷學。

[關鍵詞]電路故障

中圖分類號：TN710文獻標識碼：A文章編號：1671-7597(2009)0610034-01

一、電力電子電路故障診斷特點

電力電子電路的實際運行表明，大多數故障表現為功率開關器件的損壞，即晶閘管的損壞，其中以功率開關器件的開路和直通最為常見，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、數字電路的故障診斷還有一個重要的差別：故障信息僅存在于發生故障到停電之前的數毫秒到數十毫秒之間，因此，需要實時監視、在線診斷。

(一)電力電子電路故障診斷的目的

電力電子設備一旦發生故障，小則造成電器產品損壞、交通阻塞、工礦企業停產，大則會威脅人民生命、財產安全，甚至造成重大的人員傷亡或災難事故，影響國民經濟的正常運行。所以，對電力電子設備進行故障檢測和診斷顯得日趨重要。

長期以來，人們采取兩種維修對策：1．等設備壞了再進行維修，稱為事后維修。這種辦法的問題是經濟損失很大。2．定期檢修設備，稱為預防維修。這種方法有一定的計劃性和預防性，但其缺點是如無故障，則經濟損失較大。

電力電子設備由很多部分組成，包括電力電子主電路、電動機、發電機和各種應用電路。對電力電子設備進行故障診斷就是要對所有的這些電路進行故障檢測和診斷。電力電子電路是整個電力電子設備中最關鍵的部分，對其的故障檢測和診斷就顯得尤其重要。

(二)電力電子故障診斷的作用

1．實現早期預報，防止事故發生；

2．預知性維修，提高設備管理水平：

3．方便檢修，縮短了維修時間，提高設備利用率；

4．對提高設備的設計制造水平，改善產品質量有指導意義。

二、電力電子電路故障診斷方法

電力電子電路故障診斷技術包括兩方面的內容：1．故障信息的檢測：以一定的檢測技術，獲取故障發生時的所需故障信息，供故障分析，推理用；2．故障的診斷：依據檢測的故障信息，運用合適的故障診斷方法，對故障進行分析、推理，找出故障發生的原因并定位故障發生部位。傳統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用，如故障字典法、故障樹、專家系統等。

(一)故障字典法。把一組典型的測量特征值和故障值以一定的表格形式存放，通過比較測量值和特征值，判斷故障。先用計算機對電路正常狀態和所有硬故障狀態模擬，建立故障字典。然后對端口測試進行分析，以識別故障，即將選定節點上測出的電壓與故障字典中電壓比較，運用某些隔離算法查出對應故障。

故障字典法對于模擬電路和數字電路故障診斷具有很大的實用價值，但字典法只能解決單故障診斷，多故障的組合數大，在實際中很難實現。

(二)故障樹法。故障樹診斷法就是對可能造成系統失效的各種因素(包括硬件、軟件、環境、人為因素)進行分析，畫出邏輯框圖，即故障樹，從故障樹的頂事件進行搜索從而找出故障原因的方法。故障樹表達了系統內在聯系，并指出元部件故障與系統之間的邏輯關系。

故障樹診斷直觀、靈活、通用，但建樹工作量大，繁瑣易錯，對診斷故障空間較小的問題比較合適。

(三)殘差法。殘差法是一種基于解析模型的故障診斷方法。即通過研究實際系統與參考模型特征輸出量間的殘差來進行電力電子裝置主電路在線故障診斷和故障定位的過程。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量少、判據簡單且與輸出大小無關的特點。特別是在復雜電力電子電路的故障診斷中該法的優勢更加明顯。

(四)直接檢測功率器件兩端電壓或橋臂電流的方法。通過檢測各功率器件兩端的電壓，或檢測各橋臂電流，得到功率器件的工作方式，再與觸發脈沖進行時序邏輯比較，從而判斷被診斷對象是否故障，此方法需要檢測每個被診斷器件的電壓和電流，所需測點較多，需要專門的檢測電路和邏輯電路。該方法還可以通過測量電路的輸入輸出來實現故障診斷。正常工作時，電路的輸入輸出在一定的范圍內變動，當超出此范圍時，可認為故障已經發生。另外，還可以測量輸入輸出變量的變化率是否超出范圍來判斷是否發生故障。該方法雖然簡單，但抗干擾性差。

(五)專家系統診斷的方法。專家系統就是利用計算機推理能力和領域專家的豐富經驗，以及系統內部因果關系和人工智能的機器學習功能，設計出的一種智能計算機程序系統，解決復雜的系統故障診斷問題。專家系統對經驗性的診斷知識進行形式化描述，突破個人局限廣為傳播，有利于存儲和推廣專家的經驗，發揮專門人才作用，開辟了綜合利用專家知識的新途徑，比人類專家更可靠、靈活，不受環境影響。專家系統的知識結構中知識庫與推理控制相對獨立，可重寫增刪，可以結合其它診斷方法，構成知識結構的應用程序，擁有人機聯診功能，充分發揮了現場技術人員的主觀能動性，并能逐步積累經驗日趨完善，因此是很有生命力的故障診斷法。

專家系統診斷的基本思想是：先通過實驗或仿真建立起一個可靠的知識庫，該知識庫包含了電路的環境知識、系統知識和一個規則庫，其中知識庫反映了系統的因果關系，具體到故障診斷系統中就是系統變量和故障類型、故障點之間的因果關系：然后通過人機接口得到實際運行中的特征變量值；將它應用到規則庫進行推理，就得到了電路的基本工作狀態和故障信息。該方法的缺點是知識庫建立困難，特別是知識庫龐大時更是如此。傳統的故障診斷專家系統，大多是基于規則的專家系統，它將領域知識編成一系列產生式規則(表示形式為IF…，THEN…)。這種專家系統可以解決許多系統的故障診斷問題，但是由于對復雜的系統要利用大量的產生式規則(這種規則主要依賴人工編寫)，因而故障診斷專家系統運行很慢，很難適應實時環境的要求；另外，當遇到未見過的新故障或新信息時，如此建立的專家故障診斷系統往往不能正確處理，會因推理能力弱而出現“匹配沖突”、“組合爆炸”及“無窮遞歸”等問題。要解決這些問題，除非不斷進行規則更新，可是新規則與原有規則很有可能相互牽連，這必然導致在規則添加和刪除時遇到難以處理的困難?？傊?，專家診斷系統存在知識獲取“瓶頸”問題、難以維護、應用面窄以及診斷能力弱和不適應模糊問題等缺點。