變頻器故障診斷技術探討

賈衛東

（中國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的生產方式，為生產工作的進行創造了良好的條件。一些熱電廠的變頻器在使用的過程中面臨著故障頻發的問題，因為或大或小的各類故障，嚴重干擾了變頻器的正常使用，變頻器的運行穩定受到了巨大的威脅。為發揮變頻器在生產中的作用，各個熱電廠都需根據自己的實際情況，重視變頻器故障的處理，并應用先進的故障診斷技術，實現對變頻器故障的精準識別與處理。

1 變頻器發展的現狀

隨著變頻技術的日漸進步，在生產生活領域都配備了各種的變頻器，各種類型的變頻器配備和使用，簡化了工作流程，由于設備體積較小，維修工作更為便捷，可降低設備故障頻率。一些大型機械設備中，都配備有變頻器，對熱電廠來說，變頻器有著不可替代的作用，多年以來，由于變頻器應用范圍的顯著擴大，我國的變頻器市場發展迅猛。但總體來看，國內變頻器的發展速度還遠遠落后于國外，相關人員加大了對變頻器的研究力度，一些新型的變頻器陸續出現，這些變頻器的功能多樣、性能完善，可保持較大的穩定性。變頻器使用后，可科學調節速度，從本質上看，變頻器為一種特殊的驅動方式，經由變頻技術與微電子技術等的結合，可改變電機工作電源頻率，控制交流電動機。在當下的條件下，經濟社會發展迅速，工業生產表現出了自動化特征，而這些發展趨勢給變頻器的應用提供了更大的可能性，變頻器被應用到了更多的領域。此外，在當下的發展條件下，人們對生活質量有了更高的追求，節能環保成為人們關注的重點方面，在生產領域的變頻器使用，可起到節能效果，降低機械設備在運行過程中的電能消耗，保持設備的高效、穩定運行。因此，不論從經濟性、技術性還是節能性的角度，變頻器的使用都十分重要。

2 變頻器的故障診斷

在當前的工業領域，變頻器有著十分廣泛的應用，通過變頻器的配置，有效地發揮了變頻器的作用。但工業生產中的變頻器，卻存在著故障頻發的問題，根據行業內變頻器的故障情況調查，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

在變頻器的使用過程中，一類故障是比較常見的故障，結合其故障表現與頻次，很多時候將一類故障稱為無損故障。當在變頻器的使用中遇到了這一故障時，可在故障發生的過程中實施故障診斷，根據診斷結果，及時采取有效的控制措施，避免故障對變頻器造成更大的破壞。如當變頻器運行中發生了輸出過流、直流母線過壓欠壓、輸出缺相的情況時，都需要立即進行故障診斷與處理，一般可通過對硬件電路的分析來進行故障識別。此外，當在變頻器的使用過程中出現了直流母線電壓過壓欠壓的情況時，通過硬件電路在很大程度上可實現對變頻器的保護。

當變頻器處于運行狀態時，母線電壓過壓雖較為常見，但大多出現在變頻器母線制動或者發電情況下；母線欠壓為變頻器運行時從電壓電網跌落，造成異常停電的現象，當進行過壓與欠壓故障分析與判定時，直接對比變頻器的給定值與實測母線即可。

2.2 變頻器的二類故障診斷

當在變頻器的使用過程中出現了二類故障時，變頻器的正常使用將受到嚴重的影響，變頻器無法工作，甚至在一些情況下會造成重大安全事故。因此，變頻器的使用中，二類故障是需要重點關注的，一旦發現了這類型故障，需立即安排相關人員來進行診斷與處理，在最短的時間內恢復變頻器的工作。

結合市場上變頻器二類故障的出現情況，多表現為速度故障、逆變器開關器件開路故障，在變頻器的運行中，Ssf一旦出現了異常，伴隨著閉環系統的開環，可能引起變壓器中部分零部件的損壞，或者相關電氣設備的破壞，因此，二類故障對變頻器乃至整個生產系統的危害巨大，需重點關注。

（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，一般會配備速度傳感器，一旦速度傳感器發生了故障，變頻器的使用必將受其影響。關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，可在診斷時直接通過硬件法檢測、基于脈沖分析的方式實施故障判定，利用硬件檢測法時，診斷速率快，但隨著這一診斷工作的進行，必將同步增大變頻器的運行成本，且對于電壓輸出類型的速度傳感器，這一檢測方法有效，但對于其他類型的速度傳感器，硬件檢測法卻不適用。此外，硬件檢測法應用時，往往需速度傳感器內部電路有著較高的要求，依據速度傳感器前后信號的接入點位，可進行Ssf的診斷，當檢測時發現輸出端子輸出低電平時，可正常診斷出Ssf，否則，當輸出端子輸出高電平時，說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檢測法進行診斷，這一診斷方法的應用中，可與軟件診斷法結合起來，在具體診斷時，基于小波變換、狀態觀測器的方式，可得到診斷結果。但檢測時，神經網絡、小波變換的復雜性大，涉及了大量的計算，在很多時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，在對此類故障加以診斷的過程中，主要是針對變頻器內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致，當出現了過流或者操作錯誤時，變頻器中的內部硬件很難實現對系統的保護，誘發了故障。一旦變頻器在使用中發生了IGBT故障，需立即停機維修或者直接更換變頻器，否則，如果處理不及時，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程中采用的是硬件法，診斷速度相對較快，且可以立即隔離故障，但利用硬件法開展診斷時，需依據逆變器特定的電位實施綜合檢測，相關人員還需結合pwm實施電位控制，才可以達到故障診斷的效果。硬件法實施的故障診斷，成本較高，主要是因為變頻器存在死區時間，綜合分析，硬件法對IGBT開路故障的診斷，可靠性較差。當采用的是軟件法時，可通過三相電流平均值法實施診斷，這種診斷方式應用時，為減小噪聲干擾，需科學設置閾值。

2.3 變頻器三類故障診斷

變頻器在使用中也會出現三類故障，一旦發生了這類型故障，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。根據實際情況，變頻器三類故障不僅會引發變頻器本身的硬件損壞，這種損壞在后續很難處理，一般需進行內部硬件的整體更換。變頻器三類故障多表現為母線電容損壞、整流橋燒毀、控制電路與驅動電路的短路故障、硬件開關器件短路幾種，在遇到了這一類型故障后，為在最短的時間內實施故障處理，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的應用

近年來，隨著信息時代的到來，變頻器中的計算機信息技術等使用，大大提高了軟硬件的可靠性，但即使如此，變頻器故障也時有發生，根據調查，變頻器系統失效多是由主電路的元器件故障所導致。針對變頻器故障，可構建專門的報警系統，系統可在存在異常的情況下快速對電路進行檢查，將檢查到的狀態信息反饋給微處理器，微處理器對這些信息實現了全面處理后，可進行異常情況的判定，如果確實存在有異常，會立即進行報警信號的發送。

這種故障報警系統下，也存在異性的不足，就是報警過程中的用時較長，報警準確性無法滿足，對于這一方面的問題，未來需不斷完善故障診斷理論，并加強這一理論在實際中的應用。其次，報警系統的結構較為簡單，在此結構下，主電路的運行狀態很大程度上取決于整個體系的情況，變頻器故障多由主電路故障所導致。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

隨著變頻器在生產領域的作用越來越突出，變頻器的故障診斷已經成為重點性關注的方面。在技術不斷進步的過程中，變頻器的故障診斷中可采用故障樹模式診斷技術，在將此技術應用于故障診斷時，重點需做好模型分析，構建故障樹模型。

從根本來看，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，故障判定基準為診斷對象的行為特點，導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建關系，所構建的故障樹模型，可清晰描述故障量與特征量的關系。在利用故障樹模式診斷技術時，首先要進行診斷對象的確定，隨后根據具體情況構建符合邏輯的故障樹，在此模型下選擇恰當的搜尋方式。

3.2 信號處理診斷技術

信息處理診斷技術也是一種現代化的診斷方式，當變頻器使用的過程中出現了三相全控制流電流故障時，可引入傅里葉分析法實施故障線診斷與判定。當利用這一方法開展診斷時，基本思路為：對某些關鍵點展開詳細分析，實現時域信息向頻域范圍的切換，結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，可依據相位特征的分析定位故障。當然，在一些情況下，當變頻器出現了三相全控制流電流故障時，也會利用沃爾什分析法進行故障的判定與分析，當利用這一分析方法時，需將電路中關鍵點的波形實現沃爾什轉換，在轉換后實施專業分析，在這種情況下，往往與中波構成了完整的周期，將其切換到頻域內，也就可以進行故障信息的全面判定。

3.3 神經網絡診斷技術

神經網絡診斷技術屬于一種新型的診斷技術，在這一技術的應用過程中，有效發揮了智能技術的優勢。在利用神經網絡開展變頻器的故障診斷時，神經網絡控制器是重要配置，這一類型的控制器不需要對象，所構建的數據模型可精準識別和判定故障。在變頻器的使用過程中，當故障類型與故障信號之間的邏輯關系不清晰的情況下，利用神經網絡故障診斷技術十分有效。對于當前的很多變頻器來說，其系統的隨機性、模糊性特征模型，常規的故障診斷方式下，很難實現對故障的精準判定與分析，為實現對變頻器故障的科學判定，可加大神經網絡故障診斷技術的使用。

與常規的故障診斷方式相比，神經網絡診斷技術的效率高、準度大，但同樣存在一定的問題，就是在故障診斷的過程中，樣本的獲取相對困難，網絡權值的表達方式下，很多人無法理解，這是未來神經網絡故障診斷中需關注的重點方面。

3.4 其他診斷故障方法

變頻器在生產中應用時，往往會出現各種各樣的故障，針對這些故障，為實現故障的精準判定與分析，需重視故障診斷方法的創新，在一些故障的判定方面，可以將多種診斷方法結合起來使用。

隨著人們對變頻器故障診斷的日漸重視，有關人員加大了對變頻器故障診斷方法的研究，除了上述的這些方法，狀態次序法、六路觸發脈沖故障診斷法、在線診斷PWM逆變器等都得到了一定的應用，這些診斷方法可以綜合起來使用，以通過不同診斷方法的結合，發揮各種診斷方法的優勢，保障故障診斷的效率和整體水平。未來的變頻器使用中，需在原有故障診斷基礎上，加大技術創新力度。

4 結語

變頻器在使用中面臨著故障頻發的問題，各類故障的頻繁發生增大了變頻器的使用風險，為了提高變頻器運行的穩定性與可靠性，必須加大對變頻器的故障診斷，應用先進的故障診斷技術，有效降低變頻器風險，通過精準判定故障，制定最有效的故障處理方案，恢復變頻器的正常使用。