電動機變頻調速系統故障檢測探討

殷方元

（重慶潼南航運電力開發有限公司，重慶402660）

電動機變頻調速系統故障檢測探討

殷方元

（重慶潼南航運電力開發有限公司，重慶402660）

為了提高電動機運行的可靠性，必須要對其做好運行狀態檢測，掌握設備運行信息，及時發現并確定故障隱患，然后有針對性地采取措施處理。目前，很多電動機應用了變頻調速技術，可以提高資源利用率，避免資源浪費。在基于電動機變頻調速系統故障檢測技術進行分析時，需要掌握系統運行特點，從專業角度出發，選擇最合適的故障檢測方法，保證檢測結果的準確性，為后續工作提供可靠依據。對電動機變頻調速系統故障檢測方法進行了簡單分析。

電動機；變頻調速；故障檢測；電源

在電動機變頻調速系統廣泛應用的背景下，可以提高資源利用率，但想要保證系統運行的可靠性，還需要針對其運行狀態進行有效檢測，及時發現存在的故障隱患，為維護管理工作的開展提供依據。針對電動機變頻調速系統運行故障檢測和診斷原理，選擇合適的故障檢測與診斷方法，對系統故障特征進行有效提取，從而提高檢測結果的準確性。

1 變頻調速系統的運行原理

變頻調速系統感應電動機轉速可以由以下公式表示：

式（1）中：n為電動機運行轉速；f1為供電電源輸出頻率；s為電動機轉差率；p為電動機定子極對數；n1為旋轉磁場同步轉速。可以確定電動機調速主要分為2種轉差率——s調速與旋轉磁場同步轉速調速n1形式。

電動機想要實現變頻調速，需要對電源供電頻率進行調整，實現同步轉速同步變化。而變頻器作為整個調速系統的核心部分，需要通過整流回路來對電網發出的交流電進行整流，使其成為可以控制的直流電，并利用電容穩壓與逆變電路將直流電轉變為可以調節頻率的交流電，實現對電動機轉速的控制。基于成熟的變流技術，電動機變頻調速控制策略與控制方法越來越成熟，可以滿足更大范圍的調速需求，整個調速過程更加簡單，具有啟動電流小、效率高、電動機運行穩定性高的特點。

2 電動機變頻調速系統運行故障診斷

2.1 基于知識故障診斷

基于知識故障的診斷方法，即將某領域專家所提供的知識和經驗作為依據，對設備運行狀態進行推理和判斷，利用邏輯推理手段，模擬人類專家推理決策過程，形成與系統故障特征有聯系的邏輯函數與信息代碼，完成對設備運行故障的診斷。可建立以專家系統和虛擬儀器為基礎的變頻器故障診斷系統，對專家知識與虛擬儀器技術進行有效結合，在實現計算機智能診斷的同時，還可以滿足各儀器之間信息數據共享，提高了變頻調速系統故障診斷、檢測效率。其中，故障樹診斷法在實際生產中應用比較廣泛，可以更直觀地對故障源進行診斷，通用性和靈活性更強。

2.2 參考模型故障診斷

將參考模型作為依據進行故障診斷，即對系統運行實際輸出量與正常輸出量進行比較，確定兩者之間的殘差。如果變頻調速系統無故障，則殘差為0；系統存在運行故障時，兩者殘差會有明顯的跳躍現象；對差異數值進行分析，便可確定故障源頭，完成故障診斷與檢測，為后續處理工作提供依據。針對電動機變頻調速系統的故障檢測，可以利用變換器-電機系統穩定狀態檢測體系，建立無故障斬波器狀態空間平均模型，確定正規殘差與簡單殘差關系式，確定斬波器開關元件與續流二極管以及短路故障狀態下實際輸出與正常輸出殘差波形，針對不同故障模式下殘差波形特點，建立相應邏輯判斷方法，降低故障診斷難度。

2.3 神經網絡故障診斷

基于神經網絡故障診斷方法的應用，可以充分發揮出人工神經網絡所具有的快速識別、分布存儲、強容錯性以及自適應性等優勢，在無需構建對象數學模型基礎上，通過對故障信號的分析，便可完成設備故障診斷。比如，可以利用小波分析實現神經網絡電力電子電路故障診斷，診斷結果可靠性更高。但對于神經網絡故障診斷技術而言，獲取訓練樣本難度高，與專家系統聯系較少，專家經驗知識無法得到應用，且網絡權值的表達形式理解難度大，還需要在對實際情況綜合分析后確定是否應用。

2.4 信號處理故障診斷

基于信號處理來對電動機變頻調速系統進行故障診斷與檢測，需要重點做好對電壓信號采集的控制，然后對所獲數據信號進行頻譜分析，得到被診斷系統或元件各類故障狀態下關鍵點頻譜特征。通過對診斷系統以及元件故障隸屬度進行對比確定，得到可靠的故障信息。比如，基于三相橋式整流電路改進的譜分析故障診斷方法，可以通過特征值的診斷定位歸納出試驗算法后，應用DSP系統完成系統故障的診斷。該診斷方法的應用可避免對診斷對象建立數學模型，在實際應用中具有更高的通用性和適應性，診斷過程靈敏度高、速度快，并需要與專家系統相結合，利用專家的經驗知識來對故障特征參數進行設定，還未有通用實效性高的設定方法。

3 故障檢測要點

3.1 系統故障模式

將逆變器驅動的電動機變頻調速系統作為研究對象，系統出現運行故障后，常見的表現形式主要為：電動機一相開路故障、功率開關元件短路故障、功率開關元件斷路故障以及逆變器一相橋臂兩開關元件同時斷路故障。其中，對于開關元件短路故障來講，一般商用逆變器均設置有保護措施，以此來避免逆變器橋臂直通故障的發生，如果在運行中出現開關元件短路故障問題，保護電路便會對橋臂上另一個開關元件進行關閉，僅通過一個開關元件開通[4]。

3.2 故障檢測方法

如果系統逆變器存在某開關元件運行故障，則其輸出信號會與正常狀態存在差異，與之對應的數字信號模型中各次諧波分量幅值也會發生相應變化。因為基本正序對稱分量可對系統性能重要參數造成影響，這樣便可以利用數字信號模型內基本正序對稱分量Vp1實施估計來實現逆變器的故障檢測。對于任何采樣期，將電動機變頻調速系統作為對象，通過估計方法中的基本正序對稱分量，可以反映電動機變頻系統的運行狀態。

為了實現對系統運行故障的有效檢測，必須將實際運行狀態下所得的基本正序對稱分量估計值與理想無故障正常相應分量進行對比，如果2種狀態下數值相同，則代表系統無運行故障；如果數值不同，則代表存在故障，應進行故障檢測，即設定Vp0∈C為系統無故障運行狀態下基本正序對稱分量，Vp1∈C表示實際系統運行狀態下基本正序對稱分量，則基本譜產殘差rf可表示為rf=Vp1－Vp0.電動機變頻調速系統不存在任何干擾因素，但出現運行故障時，Vp1=Vp0，則rf=0.但在實際運行中，必定會受到噪聲因素的干擾，因此，即便系統處于無故障運行狀態，基本譜殘差應滿足的統計性質為E[rf]=0，因此，在系統發生運行故障后，基本譜殘差統計性質應滿足E[rf]≠0.

3.3 故障決策邏輯

因為基本譜殘差為復數，為了實現系統故障檢測，定義決策函數為，判斷電動機變頻調速系統有無故障則按照公式分析：R≥TD，系統發生故障；R＜TD，系統無故障。其中，閾值可以通過仿真與試驗獲得，且為了降低系統內噪聲與其他因素對基本譜殘差準確性的影響，可確定Vp0為系統無故障狀態下基本正序對稱分量。

4 結束語

對電動機變頻調速系統故障檢測方法進行分析，需要確定系統運行特點，并總結以往的經驗確定故障診斷方法，根據實際情況選擇最為合適的診斷與檢測技術。同時，做好系統故障檢測過程各細節控制，經過對比殘差后，判斷系統是否存在故障，為后續管理工作提供依據。

［1］陳慶.廣義解調法在異步電機變頻調速系統故障分析中的應用［D］.武漢：武漢科技大學，2014.

［2］張保龍.變頻調速異步電動機軸承故障特征分析［D］.北京：華北電力大學，2012.

［3］張文蓉.HHT方法在變頻調速異步電機故障診斷中的應用［D］.武漢：武漢科技大學，2010.

［4］李濤.基于小波包神經網絡的變頻調速系統故障診斷的研究［D］.鄭州：河南理工大學，2009.

〔編輯：張思楠〕

TM921.51

A

10.15913/j.cnki.kjycx.2017.18.049

2095－6835（2017）18－0049－02