逆变器故障诊断原理研究与诊断系统设计

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3.0 赵德峰 2024-11-19 5 4 2.76MB 56 页 15积分

摘要

ABSTRACT

第一章绪论 .................................................................................................................1

§1.1 课题的研究背景及意义 ................................................................................1

§1.2 逆变器装置故障特点及诊断思想 ................................................................2

§1.3 电力电子装置故障诊断方法研究现状 ........................................................3

§1.4 本文的主要研究工作 ....................................................................................5

第二章 PWM逆变器故障分析与仿真研究 ................................................................. 6

§2.1 PWM逆变电路工作原理 ............................................................................ 6

§2.2 PWM逆变器主电路故障分析 .................................................................... 7

§2.3 PWM逆变器故障仿真研究 ........................................................................ 9

§2.3.1 主电路仿真中需要注意的问题 .......................................................9

§2.3.2 PWM逆变器仿真模型的建立 ......................................................... 9

§2.3.3 PWM逆变器故障仿真 ................................................................... 12

§2.4 本章小结 ......................................................................................................15

第三章基于神经网络的PWM逆变器故障诊断 ....................................................... 16

§3.1 神经网络与故障诊断 ..................................................................................16

§3.2 神经网络选取与BP网络模型 .....................................................................17

§3.2.1 神经网络模型的选取 .......................................................................17

§3.2.2 BP神经网络模型 ............................................................................17

§3.3 基于神经网络工具箱的图形用户界面（GUI）...................................... 20

§3.4 基于神经网络的PWM逆变器故障诊断方法 ............................................ 23

§3.4.1 故障特征参数的提取 .......................................................................23

§3.4.2 神经网络样本的设计 .......................................................................24

§3.4.3神经网络诊断模型的建立 .................................................................25

§3.4.4仿真实验结果及其分析 .....................................................................26

§3.5 本章小结 ......................................................................................................27

第四章 PWM逆变器故障测试台的设计 ................................................................... 28

§4.1 系统硬件平台设计 ......................................................................................28

§4.1.1 硬件部分的设计 ...............................................................................28

§4.1.2 PWM逆变器 ...................................................................................... 28

§4.1.3 信号处理板 .......................................................................................28

§4.1.4 数据采集卡 .......................................................................................29

§4.2 SPWM驱动电路设计 ...................................................................................31

§4.2.1 SPWM技术原理 .............................................................................31

§4.2.2 SPWM波形实现方法 .....................................................................31

§4.2.3 基于DSP2812的SPWM对称规则采样法的实现 ......................... 33

§4.3检测系统软件设计 ........................................................................................34

§4.3.1 程序界面的设计 ...............................................................................35

§4.3.2 数据采集及显示的实现 ...................................................................37

§4.3 本章小结 ......................................................................................................45

第五章总结与展望 .....................................................................................................46

§5.1 总结 ..............................................................................................................46

§5.2 对下一步工作的展望 ..................................................................................46

附录一变频器电路原理图 ...........................................................................................47

附录二信号处理板电路原理图 ...................................................................................48

附录三 50HZ SPWM程序 ............................................................................................ 49

参考文献 .........................................................................................................................52

在读期间公开发表的论文和承担科研项目及取得成果 .............................................55

致谢 .................................................................................................................................56

第一章绪论

§1.1 课题的研究背景及意义

逆变器是将直流电变换为定频定压或调频调压交流电的变换器，传统方法是

利用晶闸管组成的方波逆变电路实现，但由于其含有较大成分谐波等缺点，近十

余年来，随着电力电子技术的迅速发展，全控型快速半导体器件BJT，IGBT，

GTO等的发展和PWM的控制技术的日趋完善[1]，使SPWM逆变器得以迅速发展并

广泛使用。PWM控制技术是利用半导体开关器件的导通与关断把直流电压变成电

压脉冲列，并通过控制电压脉冲宽度和周期以达到变压目的或者控制电压脉冲宽

度和脉冲列的周期以达到变压变频目的的一种控制技术，SPWM控制技术又有许

多种，并且还在不断发展中，但从控制思想上可分为四类，即等脉宽PWM法，正

弦波PWM法（SPWM法），磁链追踪型PWM法和电流跟踪型PWM法，其中利用

SPWM控制技术做成的SPWM 逆变器具有以下主要特点：

（1）逆变器同时实现调频调压，系统的动态响应不受中间直流环节滤波器

参数的影响。

（2）可获得比常规六拍阶梯波更接近正弦波的输出电压波形，低次谐波减

少，在电气传动中，可使传动系统转矩脉冲的大大减少，扩大调速范围，提高系

统性能。

PWM逆变技术己经成为电力电子领域中高压大功率变换方面最活跃的一个分

支[2]-[5]。PWM逆变器是今后的一个发展趋势，随着PWM逆变器的广泛应用，人

们对其可维护性的要求也越来越高。虽然PWM逆变器的产生为电力电子技术在高

压、大功率场合的应用提供了很多便利，但随着电平数增加，主电路所需的开关

管数量成倍增加，电路结构和控制更加复杂，这使得电力电子设备的故障增多，

系统的可靠性大大降低。PWM逆变器一旦发生故障，轻则造成工矿企业停产，重

则造成严重的、灾难性的事故，给使用部门及社会造成了巨大的损失和影响。尽

管人们为了提高系统的可靠性而采取降额设计电力电子电路的或使用并联冗余元

件或电路的方法，但这两种设计方法会使系统造价过高，仅适应于空间条件许可

的场合。为改变这种状况，国外己有研究者提出逆变器的容错技术，但是容错技

术的核心问题是逆变器的故障检测与诊断，因此研究PWM逆变器的故障诊断问题

显得日趋重要[6]。

传统的人工故障查找方法由于缺少详细的故障状态信息，并依赖于维修人员

的经验，要准确而且快速地诊断故障是比较困难的，导致维修周期长，影响了企

逆变器故障诊断原理研究与诊断系统设计

业的生产。这就急需建立一种故障自动检测和诊断系统来对逆变器故障进行有效

地诊断。故障自动检测和诊断就是监测电力电子设备运行状态，一旦发生故障，

记录发生故障时的状态信息，运用一定的故障诊断方法，分析故障产生的原因并

确定故障发生的位置，以便及时维修，将故障带来的损失降低到最小。目前，

PWM逆变技术已经被广泛地应用，但对其故障诊断技术，却鲜见到相关文献报

道。因此，研究PWM逆变器故障诊断问题，对于今后在各种工业场合使用的逆变

器的故障诊断研究，无疑具有重要的理论意义和应用价值。

§1.2 逆变器装置故障特点及诊断思想

电力电子电路的实际运行情况表明，大多数故障表现为功率开关器件的损

坏，其中以功率开关器件的开路故障和直通故障最为常见，所以一般多为结构性

故障，主要是由器件的开关特性所引起的。功率开关器件的损坏引起电路的拓扑

改变。电力电子电路故障诊断与一般的模拟电路、数字电路的故障诊断存在较大

差别，故障信息仅存在于发生故障到停电之前的数十毫秒之内，因此，需要实时

监测、在线诊断；电力电子电路的功率有的己达数千千瓦，模拟电路、数字电路

中采用的改变输入看输出的方法不再适用，只能以输出波形来诊断电力电子电路

是否有故障及有何种故障[6]。

电力电子装置故障诊断是指在一定工作环境下，查明系统工作状态不正常的

原因与性质，定位故障发生的位置，预测状态劣化的发展趋势，其一般思想可以

表述为：

设电力电子装置全部可能发生的状态组成状态空间X，其可观测特征量的取

值范围全体构成特征空间Y，当电力电子装置处于某一状态

x X

时，系统具有

特定状态

y Y

，反之亦然，即一定特征对应一定状态，特征空间与状态空间存

在一定的映射关系，故障诊断的目的即在于根据可测量的特征向量来判断逆变器

处于何种状态。

若电力电子装置可能发生的状态有限，此时可以将逆变器所处的正常状态称

为

，电力电子装置所处的不同故障状态称为

1 2 3

, , ,..., n

x x x x

，当逆变器处于某

一特定状态

时，其所对应的可测特征向量为

1 2 3

, , ,...,

i im

i i i

y y y y y

 

 



，故障诊

断即是由其特征向量

1 2 3

, , ,..., ( )

q q q q q q y

 

 

 

求出其所对应状态

的过程.故

障特征值是在一定范围内变动的，因而故障状态具有一定模糊性。故障诊断实际

上是一类模式分类问题，它按特征向量对电力电子装置状况进行分类，或者针对

特征向量进行电力电子装置状态的识别。

第一章绪论

§1.3 电力电子装置故障诊断方法研究现状

电力电子故障诊断技术的研究与应用是围绕对故障征兆的“提取和识别”以

及对电力电子设备运行状态的评价展开的。电力电子故障诊断技术研究的主要内

容，体现在设备故障诊断过程中故障机理的研究、故障信息的获取、故障特征的

提取、电力电子设备状态的分析和诊断以及状态信息的存储与管理等。故障诊断

方法可大致分为以下几类：

（1）基于信号处理的故障诊断方法

基于信号处理的故障诊断方法通常有傅立叶分析、沃尔什分析、小波变换以

及相关分析等办法。文献[8]提出了用傅立叶分析诊断三相全控整流电路的方法，

通过对关键点信号波形进行傅立叶分析，将时域信息变换到频域，根据幅值特征

诊断出是哪一类故障，再用相位特征诊断到故障中的具体故障元。文献[9]提出了

基于沃尔什分析法的三相全控整流电路诊断方法。文献[10]采用离散序列小波变

换对400kV地下电缆系统进行瞬时故障监测与分类，主要是利用小波变换可以对

特定的频率和时间的信号分析的特性，对高频信号采用短窗口，对低频信号采用

长窗口，通过自动调整各种频率信号的小波窗口实现对各种信号采用类似的处理

方法。这些方法无需对象的数学模型，灵敏度高，诊断速度快，但最大的缺点是

故障特征判别参数的设定，没有一种通用切实可行的方法，通常需要根据专家经

验整理归纳来设定。

（2）基于知识的故障诊断方法

基于知识的故障诊断方法是利用人们的生产经验及对系统结构和功能的理解

等知识，借助于逻辑推理，形成与系统故障特征相联系的逻辑函数及信息代码来

对系统进行故障诊断。较有代表的方法是专家系统方法。专家系统建立的基础是

过去的经验及其对研究系统的故障现象的观察。文献[11]针对某电压型逆变器一

交流电机s驱动系统建立了一个故障树的故障诊断专家系统。文献[12]根据对电流

向量轨迹的分析，运用电流轨迹的斜率不同来进行故障检测及分离。文献[13]提

出了根据逆变器相电压、电机相电压、电机线电压或电机中性点电压与正常状态

的偏差来诊断功率器件基极无驱动故障。这些方法表达直观，灵活性大，缺点是

存在知识和经验获取这一瓶颈问题。

（3）基于神经网络的故障诊断方法

人工神经网络是由大量简单的处理单元以某种拓扑方式相互连接而成的动力

学系统。通过调整各单元之间的权值实现网络的训练，从而避免建立复杂的数学

模型。在知识获取上，神经网络的知识获取不需要知识工程师整理、总结知识，

逆变器故障诊断原理研究与诊断系统设计

只需用领域专家解决问题的实例或范例来训练神经网络。在知识表示中通用性

强，神经网络同一层的推理是并行的，不同层的推理是串行的，这种推理模式运

算速度快。文献[14]利用神经网络方法对无功发生器中逆变器主回路元件开路故

障进行了诊断研究。文献[15]将一种改进的联想记忆神经网络应用于变频器的故

障诊断。文献[16]采用基于聚类的神经模糊推理系统的电压型PWM逆变器功率开

关器件的开路故障诊断问题。神经网络方法不需要对象的数学模型，将神经引入

故障预测与诊断是一种颇具潜力的方法扩特别是在对象的故障模型和故障信号之

间的逻辑关系难以描述的场合。虽然神经网络的方法具有上述的优越性，但也存

在一定问题，比如训练样本难以获取，忽略了领域专家的经验知识等缺点。

（4）基于支持向量机的故障诊断方法

支持向量机(Support Vector Machine)是一种以有限样本统计学习理论为基础发

展起来的新的通用学习方法，有效地解决了小样本、高维数和非线性等情况下的

学习问题，并克服了神经网络学习方法中网络结构难以确定、收敛速度慢、过学

习与欠学习以及训练时需要大量数据样本等缺点。文献[17]将基于支持向量机的

多分类方法成功地应用于电机故障诊断中。通过对异步电机的定子电流的特征分

析，来区别正常和故障发生状态以及对电机4种故障的分类。文献[18]提出了一种

新的高压输电线路故障混合定位方法，该方法基于支持向量机和系统中暂态电压

和电流的频率特征。文献[19]先用小波变换来提取电能质量信号的特征向量，构

成特征空间后，用模糊支持向量机对7种电能质量进行训练后，成功地解决了电

能质量信号扰动的识别问题。与其丰富的理论研究相比，支持向量机在电力电子

电路故障诊断问题中的应用研究相对比较滞后，目前尚未有支持向量机理论在逆

变电路故障诊断中的应用研究报道。

其它的一些故障诊断方法逆变器的故障诊断涉及到产品的可靠性，非常值得

开发和研究，可以采用的方法也是多种多样的。国内外的许多学者从各个角度研

究了逆变器的故障诊断方法。文献[20][21]提出了一种基于逆变器三相平均输出电

流Park矢量的电压源逆变器故障诊断方法。文献[22]介绍了一种在线诊断PWM逆

变器触发脉冲间歇性丢失故障的方法。

目前，电力电子故障诊断技术主要集中在三相整流电路、斩波电路和PWM逆

变电路中，故障诊断理论在PWM逆变器中的应用还很不成熟[23]，国内外这方面

的文献报道较少。文献[23]提出了一种通过检测三相输出相电流的幅值来诊断

PWM逆变器故障的专家系统方法。文献[24]对三台逆变单元串联而成的级联型逆

变器的单个功率开关器件(MOSFET)的开路故障进行了诊断。文献[25，26]采用5

个多层感知器网络诊断单相级联型PWM逆变器故障。文献[27]提出了一种基于知

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目录摘要ABSTRACT第一章绪论.................................................................................................................1§1.1课题的研究背景及意义................................................................................1§1.2逆变器装置故障特点及诊断思想...........................................................

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