電機自動控制系統(tǒng)故障分析

張海平

（天華化工機械及自動化研究設(shè)計院有限公司，甘肅 蘭州 730060）

電機的自動控制系統(tǒng)中，變流裝置的功率器件最易發(fā)生故障，其可靠性問題一直沒有得到充分解決。而最新研究也表明，變流裝置的故障占該系統(tǒng)故障的80%以上。因此，通過降低變流裝置的故障發(fā)生概率，便可以有效提高電機自動控制系統(tǒng)運行安全性。

目前電機自動控制系統(tǒng)減小變流裝置故障率的方法有兩種，一是采用降額設(shè)計，一是并聯(lián)冗余元件或電路。這兩種方法都會導(dǎo)致系統(tǒng)造價過高，而且會增加裝置的體積，需要更大的安裝空間，使用條件受到限制。按照故障診斷依據(jù)的對象不同，該類系統(tǒng)常采用的方法有基于模型的、基于學(xué)習(xí)知識的和基于信號的。本文采用基于信號的診斷方法，利用加窗Fourier 算法，提取電機自動控制系統(tǒng)中變流裝置輸出信號，分析其頻譜特征，從而判斷故障。這種方法的運算量較小，可以有效地節(jié)約運算時間。

1 電機自動控制系統(tǒng)的故障特征分析

圖1 是某電機自動控制系統(tǒng)中變流裝置的主電路圖，該電路常見故障類型主要有以下幾種情況：（1）單個功率管短路；（2）單個功率管開路；（3）主電路同一相的兩個功率管開路；（4）電機的其中一相發(fā)生開路。電機運行時，在高頻開關(guān)狀態(tài)工作的功率器件最易發(fā)生故障，且發(fā)生開路或短路故障最為常見。發(fā)生開路故障將導(dǎo)致電機工作在非平衡狀態(tài)，帶負(fù)載能力下降。發(fā)生斷路故障將導(dǎo)致設(shè)備損壞。因此，準(zhǔn)確判斷故障類型及發(fā)生位置，對電機自動控制系統(tǒng)的正常安全運行意義重大。

變流裝置工作過程中，其主電路輸出的電壓信號直接反映裝置的工作狀態(tài)，是最為有效且直接的故障特征信號。電機正常工作時，主電路的三相電壓是對稱的，主電路的各相輸出電壓波形一致，相位相差120°，電機工作在平衡狀態(tài)。當(dāng)電機發(fā)生故障時，三相電壓的對稱關(guān)系被打破，電機在非平衡狀態(tài)下工作。因此，通過分析電機變流裝置的主電路的輸出電壓，就能判斷電機自動控制系統(tǒng)的運行狀態(tài)。

圖1 電機控制系統(tǒng)中變流裝置的主電路

電機在穩(wěn)定工作時，變流裝置的主電路輸出電壓可表示為：

可表示為：

表達(dá)式（3）中，第一部分是其直流分量，第二部分是載波的諧波及其他一些變頻信號，在時，只考慮其低頻成分，高頻部分可忽略。在電機正常運行的時候，該電壓的低頻部分只包含直流成分。當(dāng)主電路的功率管短路時，對應(yīng)的橋臂會異常導(dǎo)通。此時，輸出電壓的低頻部分除了含有直流成分之外，還將包括其他的低頻信號。譬如VT4 發(fā)生短路故障，主電路輸出電壓將不再是對稱的，數(shù)學(xué)分析結(jié)果表明變流裝置的輸出電壓低頻成分中不僅含有直流成分，還包括了變流裝置正常運行時所沒有的調(diào)制信號及其諧波的頻率成分。因此，可用調(diào)制信號的低頻部分的頻率成分，作為單管短路的判斷依據(jù)。

2 短路故障的特征信號提取

當(dāng)電機自動控制系統(tǒng)中主電路發(fā)生故障以后，系統(tǒng)的基波頻率是變化的，這樣就無法保證信號的采樣頻率為輸出信號頻率的整倍數(shù)關(guān)系，容易導(dǎo)致譜泄漏的發(fā)生，從而影響Fourier 變換的準(zhǔn)確性，導(dǎo)致故障診斷結(jié)果不準(zhǔn)確。因此，本文采用改進(jìn)的加窗Fourier 算法，以期準(zhǔn)確的提取到故障特征頻譜。

離散Fourier 變換(DFT)是將復(fù)信號序列變換成其復(fù)譜。定義：

通過數(shù)學(xué)分析結(jié)果可以看出，本算法運算量小，運算需要的時間短。與電機正常工作時的輸出信號相比，主電路故障時的輸出信號的頻譜特征發(fā)生了明顯改變，將其與電機系統(tǒng)正常工作時的輸出電壓的頻譜對比分析，就可以準(zhǔn)確判斷主電路的短路故障。

3 主電路短路故障時的仿真結(jié)果及分析

由于單管短路故障模式涉及元件數(shù)量少，且故障特征明顯，與單管開路故障相似,比較容易確定，圖2、3 是采用加窗Fourier 變化得到的主電路V1 單管短路故障的輸出電壓頻譜。

圖2 V1 短路時A 相輸出電壓頻譜

圖3 V1 短路時B 相輸出電壓頻譜

V1 短路時，C 相輸出電壓頻譜與B 相相同，從提取的頻譜可以看到故障相（A 相）基波含有率明顯偏低，總諧波畸變率達(dá)159.32%，B 相和C 相總諧波畸變率為73.09%，發(fā)生短路故障一相的輸出電壓的總諧波含有率比沒有發(fā)生故障的一相輸出電壓諧波含有率高得多，這可以作為判斷故障發(fā)生相的依據(jù)。對于發(fā)生故障一相的對應(yīng)橋臂的確定，同樣可通過輸出電壓極性實現(xiàn)，以A 相為例，上橋臂發(fā)生故障的時候A 相輸出電壓為正，下橋臂發(fā)生故障的時候A 相輸出電壓為負(fù)。再結(jié)合頻譜特征就可以準(zhǔn)確的判斷發(fā)生單管短路的位置。

4 結(jié)語

理論分析及仿真結(jié)果表明，改進(jìn)的加窗短時Fourier 變換可有效的提取故障頻譜，在完整反映故障特征的同時，有效避免譜泄漏問題，為電機控制系統(tǒng)中變流裝置的故障診斷提供了新思路。