殷方元

（重慶潼南航運(yùn)電力開發(fā)有限公司，重慶402660）

電動(dòng)機(jī)變頻調(diào)速系統(tǒng)故障檢測(cè)探討

殷方元

（重慶潼南航運(yùn)電力開發(fā)有限公司，重慶402660）

為了提高電動(dòng)機(jī)運(yùn)行的可靠性，必須要對(duì)其做好運(yùn)行狀態(tài)檢測(cè)，掌握設(shè)備運(yùn)行信息，及時(shí)發(fā)現(xiàn)并確定故障隱患，然后有針對(duì)性地采取措施處理。目前，很多電動(dòng)機(jī)應(yīng)用了變頻調(diào)速技術(shù)，可以提高資源利用率，避免資源浪費(fèi)。在基于電動(dòng)機(jī)變頻調(diào)速系統(tǒng)故障檢測(cè)技術(shù)進(jìn)行分析時(shí)，需要掌握系統(tǒng)運(yùn)行特點(diǎn)，從專業(yè)角度出發(fā)，選擇最合適的故障檢測(cè)方法，保證檢測(cè)結(jié)果的準(zhǔn)確性，為后續(xù)工作提供可靠依據(jù)。對(duì)電動(dòng)機(jī)變頻調(diào)速系統(tǒng)故障檢測(cè)方法進(jìn)行了簡(jiǎn)單分析。

電動(dòng)機(jī)；變頻調(diào)速；故障檢測(cè)；電源

在電動(dòng)機(jī)變頻調(diào)速系統(tǒng)廣泛應(yīng)用的背景下，可以提高資源利用率，但想要保證系統(tǒng)運(yùn)行的可靠性，還需要針對(duì)其運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行有效檢測(cè)，及時(shí)發(fā)現(xiàn)存在的故障隱患，為維護(hù)管理工作的開展提供依據(jù)。針對(duì)電動(dòng)機(jī)變頻調(diào)速系統(tǒng)運(yùn)行故障檢測(cè)和診斷原理，選擇合適的故障檢測(cè)與診斷方法，對(duì)系統(tǒng)故障特征進(jìn)行有效提取，從而提高檢測(cè)結(jié)果的準(zhǔn)確性。

1 變頻調(diào)速系統(tǒng)的運(yùn)行原理

變頻調(diào)速系統(tǒng)感應(yīng)電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速可以由以下公式表示：

式（1）中：n為電動(dòng)機(jī)運(yùn)行轉(zhuǎn)速；f1為供電電源輸出頻率；s為電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)差率；p為電動(dòng)機(jī)定子極對(duì)數(shù)；n1為旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)同步轉(zhuǎn)速?？梢源_定電動(dòng)機(jī)調(diào)速主要分為2種轉(zhuǎn)差率——s調(diào)速與旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)同步轉(zhuǎn)速調(diào)速n1形式。

電動(dòng)機(jī)想要實(shí)現(xiàn)變頻調(diào)速，需要對(duì)電源供電頻率進(jìn)行調(diào)整，實(shí)現(xiàn)同步轉(zhuǎn)速同步變化。而變頻器作為整個(gè)調(diào)速系統(tǒng)的核心部分，需要通過整流回路來對(duì)電網(wǎng)發(fā)出的交流電進(jìn)行整流，使其成為可以控制的直流電，并利用電容穩(wěn)壓與逆變電路將直流電轉(zhuǎn)變?yōu)榭梢哉{(diào)節(jié)頻率的交流電，實(shí)現(xiàn)對(duì)電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速的控制?；诔墒斓淖兞骷夹g(shù)，電動(dòng)機(jī)變頻調(diào)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(diào)速需求，整個(gè)調(diào)速過程更加簡(jiǎn)單，具有啟動(dòng)電流小、效率高、電動(dòng)機(jī)運(yùn)行穩(wěn)定性高的特點(diǎn)。

2 電動(dòng)機(jī)變頻調(diào)速系統(tǒng)運(yùn)行故障診斷

2.1 基于知識(shí)故障診斷

基于知識(shí)故障的診斷方法，即將某領(lǐng)域?qū)＜宜峁┑闹R(shí)和經(jīng)驗(yàn)作為依據(jù)，對(duì)設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)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(tǒng)故障特征有聯(lián)系的邏輯函數(shù)與信息代碼，完成對(duì)設(shè)備運(yùn)行故障的診斷。可建立以專家系統(tǒng)和虛擬儀器為基礎(chǔ)的變頻器故障診斷系統(tǒng)，對(duì)專家知識(shí)與虛擬儀器技術(shù)進(jìn)行有效結(jié)合，在實(shí)現(xiàn)計(jì)算機(jī)智能診斷的同時(shí)，還可以滿足各儀器之間信息數(shù)據(jù)共享，提高了變頻調(diào)速系統(tǒng)故障診斷、檢測(cè)效率。其中，故障樹診斷法在實(shí)際生產(chǎn)中應(yīng)用比較廣泛，可以更直觀地對(duì)故障源進(jìn)行診斷，通用性和靈活性更強(qiáng)。

2.2 參考模型故障診斷

將參考模型作為依據(jù)進(jìn)行故障診斷，即對(duì)系統(tǒng)運(yùn)行實(shí)際輸出量與正常輸出量進(jìn)行比較，確定兩者之間的殘差。如果變頻調(diào)速系統(tǒng)無故障，則殘差為0；系統(tǒng)存在運(yùn)行故障時(shí)，兩者殘差會(huì)有明顯的跳躍現(xiàn)象；對(duì)差異數(shù)值進(jìn)行分析，便可確定故障源頭，完成故障診斷與檢測(cè)，為后續(xù)處理工作提供依據(jù)。針對(duì)電動(dòng)機(jī)變頻調(diào)速系統(tǒng)的故障檢測(cè)，可以利用變換器-電機(jī)系統(tǒng)穩(wěn)定狀態(tài)檢測(cè)體系，建立無故障斬波器狀態(tài)空間平均模型，確定正規(guī)殘差與簡(jiǎn)單殘差關(guān)系式，確定斬波器開關(guān)元件與續(xù)流二極管以及短路故障狀態(tài)下實(shí)際輸出與正常輸出殘差波形，針對(duì)不同故障模式下殘差波形特點(diǎn)，建立相應(yīng)邏輯判斷方法，降低故障診斷難度。

2.3 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)故障診斷

基于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)故障診斷方法的應(yīng)用，可以充分發(fā)揮出人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)所具有的快速識(shí)別、分布存儲(chǔ)、強(qiáng)容錯(cuò)性以及自適應(yīng)性等優(yōu)勢(shì)，在無需構(gòu)建對(duì)象數(shù)學(xué)模型基礎(chǔ)上，通過對(duì)故障信號(hào)的分析，便可完成設(shè)備故障診斷。比如，可以利用小波分析實(shí)現(xiàn)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)電力電子電路故障診斷，診斷結(jié)果可靠性更高。但對(duì)于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)故障診斷技術(shù)而言，獲取訓(xùn)練樣本難度高，與專家系統(tǒng)聯(lián)系較少，專家經(jīng)驗(yàn)知識(shí)無法得到應(yīng)用，且網(wǎng)絡(luò)權(quán)值的表達(dá)形式理解難度大，還需要在對(duì)實(shí)際情況綜合分析后確定是否應(yīng)用。

2.4 信號(hào)處理故障診斷

基于信號(hào)處理來對(duì)電動(dòng)機(jī)變頻調(diào)速系統(tǒng)進(jìn)行故障診斷與檢測(cè)，需要重點(diǎn)做好對(duì)電壓信號(hào)采集的控制，然后對(duì)所獲數(shù)據(jù)信號(hào)進(jìn)行頻譜分析，得到被診斷系統(tǒng)或元件各類故障狀態(tài)下關(guān)鍵點(diǎn)頻譜特征。通過對(duì)診斷系統(tǒng)以及元件故障隸屬度進(jìn)行對(duì)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(jìn)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(yàn)算法后，應(yīng)用DSP系統(tǒng)完成系統(tǒng)故障的診斷。該診斷方法的應(yīng)用可避免對(duì)診斷對(duì)象建立數(shù)學(xué)模型，在實(shí)際應(yīng)用中具有更高的通用性和適應(yīng)性，診斷過程靈敏度高、速度快，并需要與專家系統(tǒng)相結(jié)合，利用專家的經(jīng)驗(yàn)知識(shí)來對(duì)故障特征參數(shù)進(jìn)行設(shè)定，還未有通用實(shí)效性高的設(shè)定方法。

3 故障檢測(cè)要點(diǎn)

3.1 系統(tǒng)故障模式

將逆變器驅(qū)動(dòng)的電動(dòng)機(jī)變頻調(diào)速系統(tǒng)作為研究對(duì)象，系統(tǒng)出現(xiàn)運(yùn)行故障后，常見的表現(xiàn)形式主要為：電動(dòng)機(jī)一相開路故障、功率開關(guān)元件短路故障、功率開關(guān)元件斷路故障以及逆變器一相橋臂兩開關(guān)元件同時(shí)斷路故障。其中，對(duì)于開關(guān)元件短路故障來講，一般商用逆變器均設(shè)置有保護(hù)措施，以此來避免逆變器橋臂直通故障的發(fā)生，如果在運(yùn)行中出現(xiàn)開關(guān)元件短路故障問題，保護(hù)電路便會(huì)對(duì)橋臂上另一個(gè)開關(guān)元件進(jìn)行關(guān)閉，僅通過一個(gè)開關(guān)元件開通[4]。

3.2 故障檢測(cè)方法

如果系統(tǒng)逆變器存在某開關(guān)元件運(yùn)行故障，則其輸出信號(hào)會(huì)與正常狀態(tài)存在差異，與之對(duì)應(yīng)的數(shù)字信號(hào)模型中各次諧波分量幅值也會(huì)發(fā)生相應(yīng)變化。因?yàn)榛菊驅(qū)ΨQ分量可對(duì)系統(tǒng)性能重要參數(shù)造成影響，這樣便可以利用數(shù)字信號(hào)模型內(nèi)基本正序?qū)ΨQ分量Vp1實(shí)施估計(jì)來實(shí)現(xiàn)逆變器的故障檢測(cè)。對(duì)于任何采樣期，將電動(dòng)機(jī)變頻調(diào)速系統(tǒng)作為對(duì)象，通過估計(jì)方法中的基本正序?qū)ΨQ分量，可以反映電動(dòng)機(jī)變頻系統(tǒng)的運(yùn)行狀態(tài)。

為了實(shí)現(xiàn)對(duì)系統(tǒng)運(yùn)行故障的有效檢測(cè)，必須將實(shí)際運(yùn)行狀態(tài)下所得的基本正序?qū)ΨQ分量估計(jì)值與理想無故障正常相應(yīng)分量進(jìn)行對(duì)比，如果2種狀態(tài)下數(shù)值相同，則代表系統(tǒng)無運(yùn)行故障；如果數(shù)值不同，則代表存在故障，應(yīng)進(jìn)行故障檢測(cè)，即設(shè)定Vp0∈C為系統(tǒng)無故障運(yùn)行狀態(tài)下基本正序?qū)ΨQ分量，Vp1∈C表示實(shí)際系統(tǒng)運(yùn)行狀態(tài)下基本正序?qū)ΨQ分量，則基本譜產(chǎn)殘差rf可表示為rf=Vp1－Vp0.電動(dòng)機(jī)變頻調(diào)速系統(tǒng)不存在任何干擾因素，但出現(xiàn)運(yùn)行故障時(shí)，Vp1=Vp0，則rf=0.但在實(shí)際運(yùn)行中，必定會(huì)受到噪聲因素的干擾，因此，即便系統(tǒng)處于無故障運(yùn)行狀態(tài)，基本譜殘差應(yīng)滿足的統(tǒng)計(jì)性質(zhì)為E[rf]=0，因此，在系統(tǒng)發(fā)生運(yùn)行故障后，基本譜殘差統(tǒng)計(jì)性質(zhì)應(yīng)滿足E[rf]≠0.

3.3 故障決策邏輯

因?yàn)榛咀V殘差為復(fù)數(shù)，為了實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)故障檢測(cè)，定義決策函數(shù)為，判斷電動(dòng)機(jī)變頻調(diào)速系統(tǒng)有無故障則按照公式分析：R≥TD，系統(tǒng)發(fā)生故障；R＜TD，系統(tǒng)無故障。其中，閾值可以通過仿真與試驗(yàn)獲得，且為了降低系統(tǒng)內(nèi)噪聲與其他因素對(duì)基本譜殘差準(zhǔn)確性的影響，可確定Vp0為系統(tǒng)無故障狀態(tài)下基本正序?qū)ΨQ分量。

4 結(jié)束語

對(duì)電動(dòng)機(jī)變頻調(diào)速系統(tǒng)故障檢測(cè)方法進(jìn)行分析，需要確定系統(tǒng)運(yùn)行特點(diǎn)，并總結(jié)以往的經(jīng)驗(yàn)確定故障診斷方法，根據(jù)實(shí)際情況選擇最為合適的診斷與檢測(cè)技術(shù)。同時(shí)，做好系統(tǒng)故障檢測(cè)過程各細(xì)節(jié)控制，經(jīng)過對(duì)比殘差后，判斷系統(tǒng)是否存在故障，為后續(xù)管理工作提供依據(jù)。

［1］陳慶.廣義解調(diào)法在異步電機(jī)變頻調(diào)速系統(tǒng)故障分析中的應(yīng)用［D］.武漢：武漢科技大學(xué)，2014.

［2］張保龍.變頻調(diào)速異步電動(dòng)機(jī)軸承故障特征分析［D］.北京：華北電力大學(xué)，2012.

［3］張文蓉.HHT方法在變頻調(diào)速異步電機(jī)故障診斷中的應(yīng)用［D］.武漢：武漢科技大學(xué)，2010.

［4］李濤.基于小波包神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的變頻調(diào)速系統(tǒng)故障診斷的研究［D］.鄭州：河南理工大學(xué)，2009.

〔編輯：張思楠〕

TM921.51

A

10.15913/j.cnki.kjycx.2017.18.049

2095－6835（2017）18－0049－02