变频器故障诊断技术研究与分析.pdf

1、第9 卷第3 期2 0 0 5 年5 月电机与控制学报E L E C T R ICM A C H I N E SA N DC O N T R O LV 0 1 9N o 3M a y2 0 0 5变频器故障诊断技术研究与分析孙丰涛，张承慧，崔纳新，杜春水(山东大学控制科学与工程学院，山东济南2 5 0 0 6 1)摘要：针对变频器故障诊断技术的重要性，在分析了国内外对这一问题研究现状的基础上，展望了这一领域中有待进一步研究的若干问题和发展趋势。指出了融合多种方法研究变频器的故障诊断技术，建立其预警系统，将有助于变频器故障诊断技术的理论研究。关键词：变频器；故障诊断；故障树；神经网络中图分类号：

2、T M 9 2 1文献标识码：A文章编号：1 0 0 7 4 4 9 X(2 0 0 5)0 3-0 2 7 2-0 3A d v a n c e sa n dp r o s p e c to ff a u l td i a g n o s i st e c h n o l o g yi nf r e q u e n c yc o n v e r t e rS U NF e n g-t a o，Z H A N GC h e n g h u i，C U IN a-x i n，D UC h u n s h u i(S c h o o lo fC o n t r o lS c i e n c ea

3、n dE n g i n e e r i n g，S h a n d o n gU n i v e r s i t y，J i n a n2 5 0 0 6 1，C h i n a)A b s t r a c t：F r e q u e n c yC o n v e r t e r sh a v eb e e nw i d e l ya p p l i e di ni n d u s t r ya n da g r i c u l t u r e T h ef a u l td i a g n o s i so ff r e q u e n c yc o n v e r t e rb e c

4、o m e sm o r ea n dm o r ei m p o r t a n t F i r s t，t h ef a u l tt y p e so ff r e q u e n c yc o n v e r t e ra r ei n t r o d u c e d T h e n，t h es t u d ys t a t ea th o m ea n da b r o a di sp r e s e n t e d F i n a l l y，f u r t h e rp r o b l e m st ob es t u d i e di nt h i sf i e l da n

5、 dt h ed e v e l o p m e n tt r e n d sa r ep o i n t e do u t A n dt h i sp a p e re m p h a s i z e st h a ti th a sg r e a tv a l u ei nt h e o r ya n dp r a c t i c et os t u d yt h ef a u l td i a g n o s i so ff r e q u e n c yc o n v e r t e rc o m b i n i n gm a n yd i f f e r e n tm e t l o

6、 d sa n ds e tu pi t sp r e w a m i n gs y s t e m K e yw o r d s：i n v e r t e r；f a u l td i a g n o s i s；f a u l tt r e e；n e u r a ln e t w o r k故障诊断技术(F a u l tD i a g n o s i sT e c h n o l o g y)是发展于2 0 世纪中叶，是指对运行中机械或设备的异常状态检测、异常状态原因识别及包括异常状态预测在内的各种技术的总称。随着现代工业及科学技术的迅速发展，生产设备日趋大型化、高速化、自动化和智能

7、化，系统的安全性、可靠性和有效性日益变得重要和复杂，因而设备的故障诊断技术愈来愈受到人们的重视，已成为国际自控界的热点研究方向之一。近年来，随着电力电子技术和微电子技术的迅猛发展，作为交流电动机主要调速方式的变频调速技术取得了日新月异的进步。变频器以其优异的控制性能和显著的节能效果在多个领域得到广泛的应用。与其他生产设备一样，由于事物内部的矛盾性，变频器经常会出现各种各样故障。变频器一旦发生故障，后果不堪设想，因此，除了在设计变频器时采用各种方案预防故障的发生和保证制造质量之外，当故障发生时及时实施保护、停机或容错。同时分析故障，并进行相应处理，以便尽快排除故障恢复生产，将损失降低到最小。因此

8、迫切需要深人研究变频器的故障诊断与容错技术。本文探讨了变频器故障诊断与处理技术的理论发展趋势。1 变频器的故障分类故障可以理解为系统中至少有一个重要变量或收稿日期：2 0 0 4 0 3 3 1；修订日期：2 0 0 4 1 l-2 0基金项目：山东省自然科学基金项目(Y 2 0 0 1 C 0 1)；山东省优秀中青年科学家基金项目(0 2 B S 0 2 0)作者简介：孙丰涛(1 9 7 9 一)男，硕士研究生，主要研究方向为故障诊断技术、控制理论等；张承慧(1 9 6 3 一)男，博士，教授，博士生导师，主要研究方向为智能控制、电力电子技术、电机与控制。万方数据第3 期变频器故障诊断技术研

9、究与分析2 7 3特性偏离了正常范围拉J，是使得系统表现出所不期望的任何异常现象J。变频器和其他设备一样，其故障可按下述原则分类J。1)按故障发生的时间特性划分突发性故障，往往是突然发生并使设备丧失某种功能；间歇性故障，表现为功能时有时无；老化性故障，常发于设备运行寿命的后期。2)按故障发生的性质划分永久性故障，是指由于某种原因所引起的故障现象一直存在下去，如电力电子器件损坏引起的主电路通断功能丧失，保险丝熔断造成的缺相等；偶发性故障，是指此种故障现象有时发生有时消失，且完全是随机的，相当于上述的问歇性故障，例如元件虚焊、接插件接触不良引起电路异常，外界干扰信号引起控制逻辑混乱等。3)按故障发

10、生的部位划分电源故障，指变频器供电电源存在的故障；内部故障，指变频器本身的故障，又分(I)直流环节故障，包括整流器和中间直流环节的故障，()逆变器故障，()控制系统故障；负载故障，即电动机故障。2 国内外研究现状目前计算机硬件和软件的可靠性已达到了较高水平，而主电路部分元器件的失效是导致系统失效的主要原因。据统计，8 0 的控制系统失效都是源于元器件的故障J，所以研究变频器中主电路部分的故障诊断问题，无疑具有重要的理论和应用价值。目前的变频器故障报警系统都是采用快速检测电路，将变频器和电动机的工作状态反馈至微处理器，并由微处理器按照事先确定的算法处理后，判断变频器本身和系统是否异常，并给出相应

11、的控制或报警信号。这种报警方式需要的时间较长，而且不能实现精确报警。目前故障诊断理论在变频器中的应用还很不成熟，这一问题已引起了国内外学者的高度重视，并在理论上作了一些探讨。由于主电路是变频器最易发生故障的部位J，其运行状态直接关系到整个变频器的安全性与可靠性，而且这部分的结构相对简单，因此目前对变频器故障诊断的研究主要集中在主电路部分。2 1基于信号处理的变频器故障诊断文献 7 提出用傅里叶分析法诊断三相全控整流电路的故障。通过对关键点信号波形进行傅里叶分析，将时域信息变换到频域分析，根据幅值特征诊断出是哪一类故障，再利用相位特征诊断到故障类中的具体故障元。文献 8 提出基于沃尔什分析法的三

12、相全控整流电路诊断方法。通过对电路中包含故障信息的关键点波形作沃尔什变换，将时域中波形的一个周期变换封频率域中，利用频率域中的故障特征，实现故障的检测与定位。基于信号处理的故障诊断方法，无需对象的数学模型，灵敏度高，诊断速度快，实现简单，可在线实时故障诊断，但最大的难点是故障特征判别参数的设定，没有一种通用的、切实可行的设定方法，通常需要根据专家经验整理归纳来设定。2 2 基于故障树的变频器故障诊断1)故障树诊断原理故障树(F a u l tT r e e)模型是一个基于被诊断对象结构、功能特征的行为模型，是一种定性的因果模型，以系统最不希望事件为顶事件，以可能导致顶事件发生的其他事件为中间事

13、件和底事件，并用逻辑门表示事件之间联系的一种倒树状结构归J。它反映了特征向量与故障向量(故障原因)之间的全部逻辑关系。2)基于故障树变频器故障诊断方法的步骤选择合理的顶事件，一般以待诊断对象故障为顶事件；建造正确合理的故障树，根据对变频器进行的故障分析，建立如图1 所示的故障树H 川；选择合理的搜寻方式(逻辑推理诊断法和最小割集诊断法)，进行故障搜寻与诊断。冀痧一芝礁媛黼正仄不丽斧聚毯凑压堰艄么路开路么路k 路蓍季擎B c 仙C 嬲裟1 2 3 6 6 6 4 6 5 6 b 6 6 1 2 3 6 6 6 4 b 5 b 61 2 3 6 6 6 4 0 0 b0 0 2 0 3 0 4 6

14、 5 b 6衡图1 变频器的故障诊断树F i g 1F a u l td i a g n o s i st r e eo f i n v e r t e r故障树法对故障源的搜寻，直观简单，灵活性大，通用性好，它是以正确故障树结构为基础的，因此建造正确合理的故障树是诊断的核心与关键。2 3 基于神经网络的变频器故障诊断由于神经网络控制器不需要对象的数学模型，所以将神经网络引入故障预测与诊断是一种颇具潜力的方法，特别是在故障类型和故障信号之间的逻辑关系难以描述的场合。而变频装置是一个随机性、模糊性很强的系统，用传统的方法难以实现准确 万方数据2 7 4电机与控制学报第9 卷地、快速地故障检测、定

15、位，神经网络的出现为解决这一问题提供了有效途径。文献 1 1 介绍了一种基于人工神经网络的感应电机的电压型变频驱动系统实时故障诊断系统。文献 1 2 提出了基于神经网络与频谱分析和基于神经网络与波形直接分析两种故障诊断方法。文献 1 3 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。神经网络故障诊断虽然有它独特的优越性，但也存在一些困难。主要表现在三方面：一是训练样本获取困难；二是忽视了领域专家的经验知识；三是网络权值形式表达方式难以理解。2 4 其他变频器故障诊断方法变频器的故障诊断涉及到产品的可靠性，非常值得开发和研究，可以采用的方法也多种多样。国内外很多学者从各种角度研究了变频器的

16、故障诊断技术。文 1 4，1 5 提出了一种基于逆变器三相平均输出电流P a r k 矢量的电压源逆变器故障诊断方法。文 1 6 采用状态次序法诊断整流电路和逆变电路中的六路触发脉冲故障。文 1 7 介绍了一种在线诊断P W M 逆变器触发脉冲间歇性丢失故障的方法。变频器直流侧电解电容的寿命是有限的，且短于其他半导体元器件，因此对其故障的预测及诊断就显得非常重要。文 1 8 等通过测量直流测电压及流过电容的电流计算出电解电容的内部串联电阻(E S R)，然后推算出其剩余寿命(电容的寿命与E S R 密切相关)，从而能有效避免电容因老化性故障引起的系统瘫痪。3 变频器故障诊断技术的展望变频器作为

17、一种应用广泛的电力传动设备，其诊断技术的研究具有广泛的理论研究意义和深远的应用前景。目前和今后的研究方向主要集中在以下几个方面：1)引入一些新的理论，例如在变频器的故障诊断中，大都需要处理一些关键信息，可以引入数据融合、数据挖掘、小波变换等技术对信息作进一步深入的处理；2)由于变频器故障诊断是一个相对较新领域，目前一般采用B P 网络来研究，但B P 网络存在收敛速度慢、有局部极小点、加人新样本后需重新进行学习等缺点，可以借鉴神经网络理论在其他领域中故障诊断的应用成果，采用联想记忆、A R T、自组织等神经网络探索研究变频器的故障诊断问题；3)融合多种诊断方法研究变频器的故障诊断技术，例如综合

18、采用小波变换、模糊逻辑、神经网络、专家系统等方法。由于每种方法都有其优点和不足，这种集成故障诊断方法必然有其独特的优点；4)目前对变频器故障诊断问题的研究主要局限于内部的某个单元(如整流部分或逆变部分)，将变频器作为一个系统来研究是一个很有难度的课题，但很有发展前途；5)深入分析变频器的故障机理，建立其预警系统，做到防患于未然，能大大减轻对生产的影响，降低其维修费用；6)利用D S P 数字处理芯片将预警及诊断算法硬件实现，当作一个专用电路嵌入到变频器中，或者将预警及诊断算法内嵌到变频器的控制芯片中，将理论研究硬件化、实用化，前景非常诱人。4 结语变频器作为一种常用的、复杂的电力设备，其故障诊

19、断技术愈来愈受到人们的重视。本文通过分析，提出了今后的研究思路，融合多种诊断方法，深入研究变频器的故障诊断技术，建立其预警系统，利用D S P 数字处理芯片将预警及诊断算法硬件实现，将具有广阔的实际应用前景。参考文献：1 李尔国，愈金寿故障检测与诊断方法综述 J 世界仪表与自动化，2 0 0 1，5(2)：2 6 2 9 2 I S E R M A N NR，B A L L EP T r e n d si nt h ea p p l i c a t i o no fm o d e l b a s e df a u l td e t e c t i o na n dd i a g n o s i

20、 so ft e c h n i c a lp r o c e s s e s J C o n-t r o lE n g i n e e r i n gP r a c t i c e，1 9 9 7，5(5)：7 0 9 7 1 9 3 周东华，席裕庚，张钟俊故障检测与诊断技术 J 控制理论与应用，1 9 9 1，8(1)：1 9 4 曾允文变频器的故障诊断与处理 J 电气开关，1 9 9 4，3 2(3)：2 2 2 8 5 张燕宾变频调速应用实践 M j E 京：机械工业出版社，2 0 0 1 6 T H O R S E NOV，D A L V AM As u r v e yo f t h

21、 er e l i a b i l i t yw i t ha l la n a l-y s i so ff a u l t so nv a r i a b l ef r e q u e n c yd r i v e si nt h ei n d u s t r y A 孤eT h i r dE u r o p e a nC o n f e r e n c e P o w e rE l e c t r o n i c sa n dA p p l i c a t i o n s C S e v i l l a：C a m b r i d g eU n i v e r s i t yP r e s

22、 s，1 9 9 5 1 0 3 3 1 0 3 8 7 徐德鸿，程肇基，崔学军用傅里叶分析法诊断电力电子电路的故障 J 浙江大学学报，1 9 9 4，2 8(6)：6 6 6 6 7 4 8 徐德鸿，程肇基，范云其诊断电力电子电路故障的新方法沃尔什分析法 J 电工技术学报，1 9 9 3，1 1(3)：3 2 3 5 9 朱大奇，于盛林基于知识的故障诊断方法综述 J 安徽工业大学学报，2 0 0 2，1 9(3)：1 9 7 2 0 3 1 0 高明裕，徐德鸿，李承红多台电力电子装置故障自诊断系统 J 电力电子技术，1 9 9 6。3 0(1)：6 1 0 11 C I R R I N C

23、I O N EG，C I R R I N C I O N EM F a u l tD i a g n o s i si nT h r e eP h a s eC o n v e r t e r sU s i n gt h eK o h o n e nN e u r a lN e t w o r k 矾口切 M S p e e d a m：E u r o p aP r e s s)1 9 9 4(下转第2 7 9 页)万方数据第3 期H I T 机器人灵巧手基关节位置力矩控制2 7 96结论2 0 0 04 0 0 06 0 0 08 0 0 01 0 0 0 0时间m s(a)1 61 284

24、O一48一1 2-1 62 0 0 04 0 0 06 0 0 08 0 0 01 0 0 0 0时间m s(b)图6 髟=3 时的阻抗控制F i g 6I m p e d a n c ec o n t r o lw h e n 砀=3应用前面叙述的控制算法，在自由空间中，手指关节能很好的跟踪位置轨迹，在约束环境中，能良好地跟踪期望力矩，并可通过改变阻抗参数的方法来获得手指与环境不同力接触的目的。但从图6 中可以看出，当手指由自由空间进入到约束空间，即接触力矩达到门槛力矩，控制方法切换时，都有颤动问题存在，这也是下步工作应该解决的问题。参考文献：【l】刘伯春滑模变结构及P I D 组合调节器在

25、P W M 伺服系统中的应用【J 1 电气传动自动化，1 9 9 4，1 6(3)：2 1 2 6 2】2L I UH，M E U S E LP，B U T T E R F A S SJ，H I R A I N G E RG D L R sm u l t i s e n s o r ya r t i c u l a t e dh a n d，P a r tI I：T h ep a r a l l e lT o r q u e P o s i t i o nc o n t r o ls y s t e m A P r o c e e d i n g so f t h e1 9 9 8I E E

26、E，I n t e r n a t i o n a lC o n f e r e n c eo nR o b o t i c s&A u t o m a t i o n【c l，L e u v e n，B e l g i u m，M a y1 9 9 8 2 0 8 7 2 0 9 3 3】姜力仿人灵巧手关节的位置控制 J】电机与控制学报，2 0 0 2，7(2)：1 5 2 1 5 6【4】L I UH，B U T T E R F A S SJ，G R E B E N S T E I NM D L Rm u l t i s e n s o r ya r t i c u l a t e dh

27、a n dIa n dI I A】P r o c e e d i n g so ft h e2 0 0 1I n t e r n a t i o n a lW o r k s h o po nB i g R o b o t i c s T e l e o p e r a t i o n C B e i j i n g，C h i n a，2 0 0 1 5 7 5+”+。+。+。+一”+n+一+”+”+一+一+-+一+-+-+一+”-I-4-4-+“+“+一+一+一+一+一+-4-I-4-一+一+“+一+一+*+(上接第2 7 4 页)1 2 马皓基于神经网络的电力电子电路故障诊断 D 浙江：

28、浙江大学，1 9 9 7 1 3 W A N GML，Z H A N GCW，G USG R e s e a r c ho nf a u l td i a g n o s i st e c h n o l o g yo fi n v e r t e rb a s e do na s s o c i a t i v em e m o r yn e u r a ln e t w o r k A T h e 聊 W o r l dC o n g r e s so nI n t e l l i g e n tC o n t r o la n dA n t o m a t i o n C H a n g

29、 z h o u：Z H E J I A N GU n i v e r s i t yP r e s s，2 0 0 4 1 5 1 9 1 4 M E N D E SAMS，C A R D O S OAJM，S A R A l V AES V o l t a g es o u r c ei n v e r t e rf a u l td i a g n o s i si nv a r i a b l es p e e dA Cd r i v e sb yp a r k sv e c t o ra p p r o a c h A T h eS e v e n t hI n t e r n a

30、t i o n a lc o，咖r e n c eo nP o w e r 刷t r o n i c sa n dV a r i a b l eS p e e dD r i v e s c L o n d o n：l E EC o n f e r e n c eP u b l i c a t i o n，1 9 9 8 5 3 8 5 4 3 1 5J C R U ZSMA，C A R D O S OAJM R o t o rc a g ef a u l td i a g n o s i si nt h r e ep h a s ei n d u c t i o nm o t o r sb y

31、e x t e n d e dp a r k sv e c t o ra p p r o a c h J E l e c t r i cM a c h i n e sa n dP o w e rs y s t e t r t s,2 0 0 0。2 8(4)：2 8 9 2 9 9 1 6 刘蝾电力电子装置计算机在线检测与故障诊断系统(开关量部分)D 浙江：浙江大学，1 9 9 6 1 7 S M I T HKS，R A NL，P E N M A NJ R e a lt i m ed e t e c t i o no fi n t e r m i t t e n tm i s f i r i

32、n gi nv o l t a g e f e dP W Mi n v e r t e ri n d u c t i o nm o t o rd r i v e J I E E ET r a n s a c t i o n so nI n d u s t r i a lE l e c t r o n i c s，1 9 9 7，4 4(4)：4 6 84 7 6 1 8 V E N E TP，K A H Y A N IA，G R E L L TG，A H J A C OA I n f l u e n c eo fa g i n go ne l e c t r o l y t i cc a p a c i t o r sf u n c t i o ni n s t a t i cc o n v e r t e r sf a u l tp m d i c t i o nm e t h o d J E u r o p e a nP h y s i c sJ o u r n a lA p p l i e dP h y s i c s，1 9 9 9，5(1)：7 1 8 3 1蓬禽6284O4826一一oo89，皇翟(。一、吣 万方数据