變頻器故障診斷技術研究與分析

唐山港集團股份有限公司 和德明

故障診斷技術是指對運行的設備或者是機械的異常情況（異常狀態及原因）進行檢查識別以及對異常狀態的預測等，故障診斷技術是從上個世紀中期開始發展起來的，到現在已經有了六十多年的歷史了。隨著現代工業和科技的不斷發展和進步，一些大型化、自動化和智能化的設備越來越多的被用于生產當中，因此設備系統就變得越來越復雜，所以設備的故障診斷技術成為了人們關注的熱點問題，也是行業研究的方向。近些年來，電力電子技術和微電子技術得到了快速的發展，而變頻器作為交流電動機的主要的調速方式，也有了一定的發展和進步，被越來越廣泛的運用于各個領域中，而變頻器發生故障是在所難免的，而且一旦發生故障，對生產造成的損失是及其嚴重的，因此對于變頻器的故障問題要予以高度的重視。對變頻器的故障的診斷技術進行研究是有必要的，同時也有著一定的意義。

1.變頻器的分類

按照電路的結構形式可以將變頻器分為兩類，即就是：交-交變頻器和交-直-交變頻器，前者是指主電路沒有直流的中間環節，后者的主電路有直流中間環節。

2.變頻器的故障分類

故障通俗易懂的說，就是系統內部的某些特性偏離了正常的范圍，使得系統表現出了一些異常的現象。按照不同的原則，可以對變頻器的故障進行不同形式的劃分。

2.1 按照故障發生的時間進行劃分

按照故障的時間對變頻器的故障進行劃分，可以分為：第一，突發性故障，就是突然出現導致系統的某種功能不能正常得到發揮的情況；第二，間歇性故障，使得系統的某些功能表現出不穩定性；第三，老化性故障，由于任何設備都有一定的使用壽命，因此這種故障經常會出現在設備運行壽命的后期。

2.2 按照故障發生的部位劃分

按照故障發生的部位對變頻器的故障進行劃分，可以分為：第一，電源故障，也就是變頻器的供電電源存在一定的問題；第二，內部故障，也就是變頻器自身的故障，內部故障主要包括直流環節故障、控制系統的故障以及逆變器的故障；第三，負載故障。

2.3 按照故障發生的性質劃分

按照故障發生的性質可以將變頻器的故障類型分為：第一，永久性故障，也就是說由于某種原因導致變頻器的故障持續存在；第二，偶發性故障，這種故障和間歇性故障相似，發生的時間是隨機的，具有不確定性，時有時無。

3.對變頻器研究的現狀

在當前，計算機軟件和硬件的可靠性已經非常高了，而系統出現故障的主要原因就是主電路的一些元器件失效。因此，對變頻器的故障的研究，應該主要對變頻器主要電路的故障診斷問題進行研究，這將有著非常重要的作用和意義。在當前變頻器的故障報警系統是通過快速檢測電路，將其工作的狀態反饋給微處理器進行相應的處理之后，對變頻器的運行情況進行分析進而給出相應的報警信號。這種方式有著很多缺點：過程當中所需的時間長，報警的精確性無法得到保證。當前故障診斷的理論在變頻器中的應用還不成熟，因此國內外對這一問題都引起了高度的重視，相繼進行了一些研究分析。而主電路是最容易出現故障的，同時結構也比較簡單，而且主電路的運行狀態的正常與否會直接影響到整個系統的安全和可靠性，所以對變頻器的故障的研究主要是對主電路部分的研究。

3.1 基于神經網絡的變頻器故障診斷

神經網絡控制器無需對象的數據模型，因此可以將神經網絡用語故障的預測和診斷，這種方法是科學合理的，尤其是無法描述故障的信號和故障的類型之間的邏輯關系的時候，這種方法更為合理。變頻裝置系統具有較強的隨機性和模糊性，傳統的故障檢測方法已經無法適用了，而這時適用神經網絡技術可以很好的解決這一問題。神經網絡故障診斷有很多的優點，但同時也有一些問題，這些問題主要表現在：第一，樣本獲取比較困難；第二，難以理解網絡權值形式的表達方式；第三，沒有重視專家的經驗知識。

3.2 基于故障樹的變頻器故障診斷

故障樹模型作為一種定性的因果模型，是基于診斷對象的一些行為特征的模型，將系統不愿意發生的情況作為頂事件，而把導致這些不希望的情況發生的原因作為中間事件和底事件，并用邏輯門將它們之間的聯系表示出來，這就是故障樹模型的基本思路。邏輯樹模型可以清楚的反映出特征量和故障量之間的邏輯關系。

具體的方法步驟為：第一，選擇診斷對象作為相事件；第二，描述出合理的故障樹，依據變頻器的具體故障情況進行相應的分析，所建立的故障樹如圖1所示；第三，運用科學合理的搜尋方法，對故障進行查找病診斷。

通過使用故障樹的方法對變頻器的故障進行搜尋，有很多的優點，如：有較強的適用性，簡單直觀以及靈活性高等，該種方法是以正確的故障樹的結構作為基礎的，所以必須要建立正確的故障樹，才能真正實現變頻器的診斷。

圖1 頻器的故障診斷樹

3.3 基于信號處理的變頻器故障診斷

第一，可以通過傅里葉分析法對三相全控制流電流的故障進行診斷，基本的思路就是通過對一些關鍵點進行分析，把時域信息轉換到頻域范圍之內進行分析，再根據蝙蝠值的具體特征對故障進行診斷，進而確定出故障的類型，然后再用相位的特征對這些故障進行具體的診斷，進而確定出故障出現的部位；第二，通過使用基于沃爾什分析法對三相全控制流電流的故障進行診斷，基本的思路就是對電路中具體的故障的關鍵點的波形通過沃爾什法進行變換之后，把形成一個周期的時域中波轉換到頻域當中，通過頻域中的故障的具體特征，進而對變頻器的故障進行檢測和確定。

基于信號處理故障的診斷方法，由于不需要對象的的數學模型，具有很多的優點，如：診斷速度快、靈敏度高、操作起來比較簡單同時還可以進行各種在線的故障診斷。但是這種方法也有一定的難點，就是對故障參數的設定比較困難，在目前還沒有通用和切實可行的設定方法，在一般情況下，都是通過專家的經驗進行整理歸納來進行設計的。

3.4 其它的方法

由于對變頻器的故障的診斷會關系到設備的可靠性，所以對其的開發和研究也越來越深入了，研究的方法也越來越多，除了上文中提到的三種，國內外的很多學者從不同的角度研究出了很多的變頻器故障的診斷技術。如：采用狀態次序法診斷整流電路和逆變電路中的六路觸發脈沖故障的方法、基于逆變器三相平均輸出電流Park矢量的電壓源逆變器故障診斷方法以及在線診斷PWM逆變器觸發脈沖間歇性丟失故障的方法。

在變頻器的整個系統中，直流側電解電容的壽命比其它的元器件的壽命都要短，所以對直流側電解電容的診斷就顯得十分重要，要引起高度的重視，應該采取可形象較強的方法對其進行預測和診斷，進而避免其發生故障影響整個系統的運行。

4.變頻器故障診斷技術的發展方向

隨著變頻在各行業領域的廣泛運用，對其的診斷技術進行研究的意義和作用也越來越大，在未來對變頻器故障診斷技術的研究應該集中在：第一，要盡量引進一些新的理論，尤其是可行性較強的理論，對故障中的一些關鍵信息進行良好的處理；第二，該領域作為一個新領域，目前所采用的方法有一定的缺陷，譬如：預測和診斷速度慢、有局部極小點而且一旦加入新的樣本又要重新進行學習，所以早今后的研究中可以引入神經網理論進行故障的預測和診斷；第三，要將多種方法融合在一起，對變頻器的故障進行預測和診斷，這樣可以吸取多種方法中的優點，進而更加準確的診斷出變頻器的故障問題；第四，在當前對變頻器的故障的研究只是土停留在對某一個單一的故障類型的分析上，在未來將變頻器的故障作為一個系統進行研究雖然有一定的難度和挑戰，但還是有著廣闊的發展前景；第五，對變頻器故障的機理進行深入的分析研究，建立相應的預警系統，進而做到防患于未然，這樣在一定程度上可以減少故障對生產所造成的影響，使得用于設備維修的費用減少，進而降低生產的總成本；第六，通過使用DSP數字處理芯片實現預警，將其作為一個專用的電路接入到變頻器當中，這樣可以使得理論研究變為現實，切實起到了作用。

5.結束語

總之，變頻器的系統是非常復雜的，所以對變頻器故障的診斷的技術越來越被人們所重視，這在一定程度上促進了變頻器故障診斷技術的發展。文中提出來未來對變頻器故障研究的具體思路，并將多種診斷方法融合在一起，對變頻器故障的診斷技術進行深入的研究，通過建立所需的預警系統，將研究的理論變為現實，變頻器的故障針對技術研究有著廣闊的發展前景。

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