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        基于復(fù)合特征量和S_Kohonen神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的逆變器故障診斷方法

        2016-12-31 00:00:00袁國森李雍
        科技創(chuàng)新與應(yīng)用 2016年13期

        摘 要:針對三相PWM逆變器故障診斷的電流特性,以故障相電流作為故障信息,引入以電流平均值作為特征量的復(fù)合故障特征,并結(jié)合S_Kohonen神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的強(qiáng)大非線性分類能力,提出了一種基于S_Kohonen神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)對三相PWM逆變器的故障診斷方法。仿真結(jié)果表明,該方法對三相PWM逆變器故障精確的定位和識別,并且具有較好的魯棒性。

        關(guān)鍵詞:PWM三相逆變器;故障診斷;復(fù)合故障特征;S_Kohonen神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)

        引言

        逆變器作為將直流轉(zhuǎn)換為交流的換流裝置,廣泛的應(yīng)用于國防軍事和工業(yè)生產(chǎn)中,其一旦發(fā)生故障,將可能會對裝置和設(shè)備造成損壞,造成經(jīng)濟(jì)損失,嚴(yán)重者更會威脅人身安全,因此對于逆變器故障問題應(yīng)給予高度重視。對逆變器進(jìn)行故障診斷具有重要意義[1-3]。

        由于電力電子故障具有損壞速度快,故障信息存在時(shí)間也較短等特點(diǎn),因此較為快速、準(zhǔn)確的地位和故障識別是至關(guān)重要的。目前,國內(nèi)外有不少學(xué)者對逆變器故障進(jìn)行研究,現(xiàn)有的故障診斷已有大量的診斷方法,其中針對提取的故障特征量進(jìn)行電流軌跡處理并結(jié)合BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)的故障診斷方法[4],該方法能有效地實(shí)現(xiàn)故障診斷,但需對特征量進(jìn)行坐標(biāo)轉(zhuǎn)換等處理,顯得較為繁瑣。文獻(xiàn)[5-7]等根據(jù)建立的模型實(shí)現(xiàn)的故障診斷方法,但是其需要建立精確的數(shù)學(xué)模型,否則會影響故障識別結(jié)果。

        文章首先分析了三相PWM逆變器在不同故障下的故障特征量,然后以故障相電流作為故障信息,并結(jié)合三相電流平均值作為診斷的故障特征量,利用S_Kohonen神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)強(qiáng)大的非線性分類能力實(shí)現(xiàn)故障診斷。

        1 逆變器的故障分析

        圖1為三相電壓型逆變器的電路拓?fù)鋱D,該結(jié)構(gòu)圖廣泛的應(yīng)用于工業(yè)各領(lǐng)域,其開關(guān)管故障主要分為開路及短路故障,由于短路故障現(xiàn)已能準(zhǔn)確的定位和識別,文章以開路故障作為重點(diǎn)進(jìn)行研究。

        針對三相逆變器的開路故障,其故障種類較多,但考慮到實(shí)際情況下的逆變器故障,可認(rèn)為三相PWM逆變器的開路故障分為單管故障和雙管故障,文章將正常運(yùn)行的逆變器也歸為一種特征故障,可分為5種故障類型,22種故障,其分類如下。

        (1)逆變器正常運(yùn)行狀態(tài); (2)只有一支功率管發(fā)生開路故障 VT1~VT6;(3)同一橋臂兩支功率管發(fā)生開路故障 VT14、VT36、VT25;(4)同一半橋兩支功率管發(fā)生開路故障VT13、VT24、VT35、VT46、VT15、VT26;(5)橋臂之間交叉功率管發(fā)生開路故障VT12、VT23、VT34、VT16、VT56、VT45。

        針對以上開路故障,在仿真中將開路故障利用控制功率管觸發(fā)角進(jìn)行控制,將觸發(fā)角去掉作為相應(yīng)功率管的開路故障。在在Matlab7.01 Simulink6.1中搭建相應(yīng)的仿真模型。直流電壓源電壓設(shè)置為530V,負(fù)載側(cè)RLC模塊有功功率1kW,無功功率100Var。由于篇幅原因,這里僅列出T16故障時(shí)三相電流波形圖,見圖2。

        從圖2可以看出,在相應(yīng)功率管發(fā)生故障時(shí),其對應(yīng)相的電流會缺失對應(yīng)的半波,其他故障類型的三相故障電流均有此特點(diǎn),只有在同一半橋兩只功率管發(fā)生故障時(shí),由于會影響到正常相的導(dǎo)通會使非故障相電流半波丟失。

        2 基于平均值的復(fù)合特征量提取

        在上文搭建的仿真模型中,對22種開路故障進(jìn)行仿真,并對每種故障利用MALTAB示波器提取三相電流采樣點(diǎn)每相200個(gè)共600個(gè)點(diǎn)作為故障特征量,考慮到在實(shí)際情況下有噪聲干擾等因素的影響,文章采用各相電流平均值作為部分特征量,其中對平均值T提取如(1)式:

        (1)

        其中N為每周期電流采用點(diǎn)數(shù)。

        對各類開路故障代碼及部分平均值列于表1,由于篇幅原因在表1中未列出故障時(shí)A、B、C三相各相波形采樣點(diǎn)。

        由表1及三相特征點(diǎn)可以看出,22種開路故障下的共603個(gè)特征向量之間具有非常復(fù)雜的非線性關(guān)系,需要利用智能算法進(jìn)行故障識別。

        3 基于Kohonen神經(jīng)網(wǎng)路的逆變器開路故障診斷實(shí)現(xiàn)

        Kohonen神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)是由芬蘭教授Teuvo Kohonen提出的無監(jiān)督學(xué)習(xí)網(wǎng)絡(luò),該網(wǎng)絡(luò)由自組織特征映射調(diào)整網(wǎng)絡(luò)權(quán)值,使神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)收斂于一種表示形態(tài)。Kohonen網(wǎng)絡(luò)主要由輸入層及競爭層組成,如圖3所示。

        Kohonen神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)可以通過在競爭層后添加一層輸出層,構(gòu)成S_Kohonen網(wǎng)絡(luò),變?yōu)橛斜O(jiān)督學(xué)習(xí)的網(wǎng)絡(luò),用以實(shí)現(xiàn)故障分類,其中文章輸入層節(jié)點(diǎn)數(shù)為603即故障特征量,由于競爭層選擇一般要大大多于實(shí)際輸入類別,文章選擇競爭層節(jié)點(diǎn)數(shù)為81個(gè),輸出層即各種種類為22。在輸入層、競爭層、輸出層之間均有權(quán)值連接,通過訓(xùn)練對權(quán)值進(jìn)行調(diào)整,調(diào)整方式如式(2)、(3):

        其中η、η2為學(xué)習(xí)概率;Wij為輸入層與競爭層之間的權(quán)值;Xi為輸入特征量;Wjk為競爭層與輸出層權(quán)值;Yk為樣本所屬類型。

        由于在實(shí)際情況中會遇到噪聲等周圍環(huán)境的影響,文章對提取的22種故障每種故障50組共1100組數(shù)據(jù),分別加入SNR(信噪比,signal-to-noise ratio)為20dB、10dB和5dB的高斯白噪聲,用以模擬在實(shí)際運(yùn)行情況中的逆變器故障診斷,并利用S_Kohonen神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的非線性分類能力進(jìn)行故障診斷,在進(jìn)行加噪處理的1100組數(shù)據(jù)中,用660組數(shù)據(jù)作為訓(xùn)練樣本,剩下的440組數(shù)據(jù)進(jìn)行,由于篇幅原因只列出在10dB情況下的診斷結(jié)果圖,其他噪聲下診斷結(jié)果如表2。

        由表2故障診斷正確率可以看出,復(fù)合平均值故障特征量結(jié)合S_Kohonen神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)對三相PWM逆變器進(jìn)行故障診斷,診斷正確率明顯優(yōu)于傳統(tǒng)的BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò),尤其是在噪聲較大的環(huán)境中,說明復(fù)合平均值故障特征量結(jié)合S_Kohonen神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)具有正確率高,抗噪能力強(qiáng)等特點(diǎn)。

        4 結(jié)束語

        針對三相PWM逆變器的開路故障,文章首先以各相電流平均值結(jié)合各相波形采樣點(diǎn)作為復(fù)合故障特征量,結(jié)合S_Kohonen神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)強(qiáng)大的非線性分類能力進(jìn)行分類,仿真結(jié)果表明該方法能準(zhǔn)確的定位和識別故障,并具有較高的魯棒性等特點(diǎn)。

        參考文獻(xiàn)

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