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        電機自動控制系統(tǒng)故障分析

        2019-08-05 01:45:52張海平
        中國設備工程 2019年12期
        關(guān)鍵詞:變流頻譜短路

        張海平

        (天華化工機械及自動化研究設計院有限公司,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,一是采用降額設計,一是并聯(lián)冗余元件或電路。這兩種方法都會導致系統(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、基于學習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)生開路故障將導致電機工作在非平衡狀態(tài),帶負載能力下降。發(fā)生斷路故障將導致設備損壞。因此,準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。當主電路的功率管短路時,對應的橋臂會異常導通。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,容易導致譜泄漏的發(fā)生,從而影響Fourier 變換的準確性,導致故障診斷結(jié)果不準確。因此,本文采用改進的加窗Fourier 算法,以期準確的提取到故障特征頻譜。

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

        通過數(shù)學分析結(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。再結(jié)合頻譜特征就可以準確的判斷發(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。

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