基于小波变换及BP网络的变频器故障诊断毕业设计论文Word下载.docx

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年月日

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图表整洁，布局合理，文字注释必须使用工程字书写，不准用徒手画

3）毕业论文须用A4单面打印，论文50页以上的双面打印

4）图表应绘制于无格子的页面上

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5.装订顺序

1）设计（论文）

2）附件：

按照任务书、开题报告、外文译文、译文原文（复印件）次序装订

指导教师评阅书

指导教师评价：

一、撰写（设计）过程

1、学生在论文（设计）过程中的治学态度、工作精神

□优□良□中□及格□不及格

2、学生掌握专业知识、技能的扎实程度

3、学生综合运用所学知识和专业技能分析和解决问题的能力

4、研究方法的科学性；

技术线路的可行性；

设计方案的合理性

5、完成毕业论文（设计）期间的出勤情况

二、论文（设计）质量

1、论文（设计）的整体结构是否符合撰写规范？

2、是否完成指定的论文（设计）任务（包括装订及附件）？

三、论文（设计）水平

1、论文（设计）的理论意义或对解决实际问题的指导意义

2、论文的观念是否有新意？

设计是否有创意？

3、论文（设计说明书）所体现的整体水平

建议成绩：

（在所选等级前的□内画“√”）

指导教师：

（签名）单位：

（盖章）

年月日

评阅教师评阅书

评阅教师评价：

一、论文（设计）质量

二、论文（设计）水平

评阅教师：

教研室（或答辩小组）及教学系意见

教研室（或答辩小组）评价：

一、答辩过程

1、毕业论文（设计）的基本要点和见解的叙述情况

2、对答辩问题的反应、理解、表达情况

3、学生答辩过程中的精神状态

评定成绩：

教研室主任（或答辩小组组长）：

（签名）

教学系意见：

系主任：

摘要

三相交流变频驱动系统以其优良的调速性能，良好的节能效果，越来越广泛的应用于工业、商业、航空等领域。

由于控制算法的复杂性及半导体器件的自身特点，驱动器易发生故障。

论文针对变频器的故障诊断进行研究，在建立变频器AC-DC-AC模型的基础上，对各种故障类型进行理论分析与仿真实验，总结各种故障并相互比较，给出基于小波变换和神经网络的故障诊断方法。

由于条件所限，无法得出故障情况下的各种故障信息，以作为故障诊断的基础，所以本文首先对变频调速系统在MATLAB软件中进行仿真，建立了变频调速系统的仿真模型。

在此基础上，模拟了几种常见的变频器本身的故障，诸如开关元件的短路、开路等。

并提取了故障信息一变频器的三相输出电流信号。

运用傅立叶变换后，得到了故障情况下，电流的幅频特征信息，以此作为故障诊断的依据。

此信息送入一个优化设计后的神经网络中，经此神经网络可判断故障发生的具体位置，从而减少故障维修时间，并为下一步处理提供依据。

本文在变频器的故障诊断中首次采用神经网络进行诊断。

利用了神经网络的自学习、非线性、联想等优点，从而使变频器运行更为可靠。

仿真结果表明：

该方法可诊断PWM逆变电路故障，且收敛速度快，诊断准确度高。

关键词：

变频器，故障诊断，小波变换，神经网络

Abstract

Inductionmotordrivesystemhasbeenwidelyusedinindustrial,commercialandaerospaceapplications,etc,foritsexcellentspeedcontrolperformanceandenergysaving.However,thecomplexityofthecontrolstrategyandthefeaturesofsemiconductorresultseasilyinvariousfailuresofthedrivesystem.Thepapermainlyaimedtofrequencyconverterforfaultdiagnosis，intheestablishmentofAC-DC-ACinvertermodelbasedonthetypeoffaultonthevarioustheoreticalanalysisandsimulationresultsaresummarizedandcomparedvariousfailurepresentedwaveletandneutralnetworks-basedfaultdiagnosis.

Beeauseofthelimitofcondition,wecannotgetthefaultinformationontheconditionoffaultwhichcanbeusedasthebaseoffaultdetectionand

diagnosis.Atfirstthepaperbuildthesimulationmodelofvaried-frequencyvaried-speedsystem，andonthisbase，simulatesomekindsofinverterfaultsthatcanbemeetusuallysuchasshortandopencircuitfaultofswitchete，thenextractthefaultinformation-thethree-phaseoutputcurrentofinverter.Whenthefaultinformationaretransformedbywavelet-transform，wecangettheamplitudeandfrequencyinformationofthethree-phasecurrentontheconditionofthefaultwhichcanbeusedastheinformationofthefaultdiagnosis.TheinformationinputaNNthathasbeenoptimized.TheNNcandiagnosistheplacewherethefaulttookplacesowecanreducethefaultmaintaintimeandprovidethebaseofthenextstepanalyse.theNNisfirstadoptedinthefaultdiagnosisoftheinverterinthispaper，andatthesametimethecharacteristicsoftheNN，suchasauto-learning，non-linearity，memory，areutilizedtomaketherunoftheinvertermorereliable.Simulationresultsshowthat:

themethodcanbePWMinvertercircuitfaultdiagnosis,andtheconvergencespeed,diagnosticaccuracy.

Keywords:

inverter,faultdiagnosis,wavelettransform,neutralnetworks

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1.绪论

1.1课题来源、目的和意义

伴随着现代科学技术的迅速发展，现代化设备所引起的故障或事故所带来的损失不断增加，设备的故障诊断和维修越来越成为一个突出的问题。

人们对机械设备的可靠性、安全性、可维修性等提出了越来越高的要求。

因此，怎样在设备运行中或在基本不拆卸的情况下，借助或依靠先进的传感器技术、动态监测技术以及计算机信息处理技术，掌握设备运行状态，分析设备中异常的部位和现象，并预测故障可能的发展和设备未来的发展趋势是目前亟待解决的问题。

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己成为导致系统失效的主要原因。

据有关统计，80%的控制系统失效都是起因于元器件的故障[1]。

所以，研究变频器中主电路部分的故障诊断问题，无疑会具有重大的理论和应用价值。

随着电力电子技术的迅猛发展和我国经济可持续发展的要求，变频器的需求量必然大增，所以开发国产变频器对我国变频器产业的发展具有重要意义[2]。

在目前能源紧张情况下，变频调速性能的能提高能源的利用率，对国民经济的持续发展有着长远的意义。

1.2国内外变频器故障诊断研究现状

故障检测与诊断技术是一门应用型的边缘学科，它的理论基础是现代控制理论、计算机工程、数理统计、信号处理、模式识别、人工智能、以及相关的应用学科。

故障诊断（（FD）始于（机械）设备故障诊断，其全名是状态监测与故障诊断（CMFD）。

它包含两方面内容:

一是对设备的运行状态进行监测;

二是在发现异常情况后对设备的故障进行分析、诊断。

设备故障诊断是随设备管理和设备维修发展起来的。

欧洲各国在欧洲维修团体联盟（FENMS）推动下，主要以英国倡导的设备综合工程学（（Terotechnology）为指导;

美国以后勤学（Logistics）为指导;

美国诊断技术在航空、航天、军事、核能等尖端部门仍处于世界领先地位。

英国在60—70年代，以Collacott为首的英国机器保健和状态监测协会（MHMG&

CMA）最先开始研究故障诊断技术。

英国在摩擦磨损、汽车和飞机发电机监测和诊断方面具领先地位。

我国在故障诊断技术方而起步较晚，1979年才初步接触设备诊断技术，目前我国诊断技术在化工、冶金、电力等行业应用较好。

故障诊断技术经过30多年的研究与发展，已应用于飞机自动驾驶、人造卫星、航天飞机、核反应堆、汽轮发电机组、大型电网系统、石油化工过程和设备、飞机和船舶发动机、汽车、冶金设备、矿山设备和机床等领域[3]。

近年来，变频器以其优异的控制性能，在调速领域独树一帜，并在工业领域及家电产品中得到迅速推广。

此时，变频技术和变频器制造已经从一般意义的拖动技术中分离出来，成为世界各国在工业自动化和机电一体化领域中争强占先的阵地，各发达国家更是在该技术领域注入了极大的人力、物力和财力，使之目前己经进入了高新技术行业。

但是如果对变频器维护不周或者使用不当，往往导致变频器不能正常运行，甚至引发设备故障，造成中断[4]。

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，并给出相应的控制或报警信号[5]。

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，这一问题己引起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[6]，所以它的运行状态直接关系到整个变频器的安全性和可靠性，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。

1.3变频器概述

变频器工作原理，变频器是利用电力半导体器件的通断作用将工频电源变换为另一频率的电能控制装置。

我们现在使用的变频器主要采用交—直—交方式（VVVF变频或矢量控制变频），先把工频交流电源通过整流器转换成直流电源，然后再把直流电源转换成频率、电压均可控制的交流电源以供给电动机。

变频器的电路一般由整流、中间直流环节、逆变和控制4个部分组成。

整流部分为三相桥式不可控整流器，逆变部分为IGBT三相桥式逆变器，且输出为PWM波形，中间直流环节为滤波、直流储能和缓冲无功功率。

变频器结构，变频器一般有交-交变频装置和间接变频装置。

交-交变频器可将工频交流电直接变换成频率、电压均可控制的交流电，又称直接式变频器。

交-交直接变频装置的结构如图1-1所示，它只用一个变换环节就可以把恒压恒频（CVCF）的交流电源变换成VVVF电源。

图1-1交-交变频装置

间接变频装置（交-直-交变频器）结构如图1-2所示。

它由主电路（包括整流器、中间直流环节和逆变器）和控制电路组成。

整流器又称电网变流器，是把三相（或单相）交流电整流成直流电。

常见的整流器有用二极管构成的不可控三相桥式电路和利用晶闸管构成的可控三相桥式电路。

逆变器又称负载侧变流器，最常见的结构形式是利用6个半导体主开关器件组成三相桥式逆变电路。

有规律地控制逆变器中主开关器件的通与断，可以得到任意频率的三相交流电输出。

由于逆变器的负载为异步电动机，属于感性负载，因此在中间直流环节和电动机之间总会有无功功率的变换。

这种无功能量要靠中间直流环节的储能元件（电容或电抗）来缓冲，所以又常称中间直流环节为中间直流储能环节。

控制电路由运算电路、检测电路、控制信号的输入/输出电路和驱动电路等构成，其主要任务是完成对逆变器的开关控制、对整流器的电压控制以及各种保护功能等，可采用模拟控制或数字控制[7]。

图1-2交-直-交变频装置的构成

变频器故障种类，故障可以理解为系统中至少有一个重要变量或特性偏离了正常范围，是使得系统表现出所不期望的任何异常现象。

变频器和其他设备一样，其故障可按下述原则分类：

l）按故障发生的时间特性划分①突发性故障，往往是突然发生并使设备丧失某种功能;

②间歇性故障，表现为功能时有时无;

③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①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;

②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，相当于上述的间歇性故障，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）按故障发生的部位划分①电源故障，指变频器供电电源存在的故障;

②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，（Ⅱ）逆变器故障，（Ⅲ）控制系统故障;

③负载故障，即电动机故障[8]。

基于神经网络的变频器故障诊断，由于基于神经网络的控制器是不需要对象的数学模型的，所以在故障类型和故障信号之间的逻辑关系非常难以描述的场合使用神经网络来进行故障诊断是十分合适的。

而且变频器是非线性、强耦合、多变量的高阶系统，很难建立精确的数学模型，传统的方法非常难以实现精确而具体的故障报警，神经网络的出现为这一问题的解决提供了有效的途径[9]。

虽然神经网络有着如此独特的优越性，但同时也存在着训练样本获取困难、网络的权值变现形式难以理解、忽视领域专家的经验知识等不足，需要进一步完善[10]。

小波变换在故障诊断中的应用，小波分析是最近几年来在国际上兴起的一个前沿领域，被认为是傅里叶分析法的突破性进展。

小波分析优于傅里叶分析在于，小波分析在时域和频域同时具有良好的局部化性质。

小波分析可以对高频成分采用逐渐精细的时域空间取代步长，以聚焦到对象的任意细节。

因此，小波变换被誉为分析信号的显微镜，傅里叶分析发展史上一个新的里程碑。

小波分析是一个新的数学分支，它是泛函分析、傅里叶分析、数值分析的完美结合。

在应用领域，特别是图像处理、信号处理、模式识别、语音分析、量子物理、计算机视觉、生物医学工程、故障诊断及众多非线性科学领域有着很广泛的应用[11]。

本设计正是运用小波变换的这些特点对变频器负载端线电压波形进行小波分析从而得到其能量特征来作为神经网络的输入特征向量。

建立输入特征向量与输出编码的映射关系，来完成变频器的故障诊断。

1.4本文结构

本文主要内容如下：

第2章中，变频器故障仿真分析。

鉴于现有条件及所掌握知识，在MATLAB中对变频器逆变电路的故障进行仿真。

此仿真基于MATLABR2009a，其附带的SIMULINK版本为7.3。

通过其自带的POWERSYSTEMBLOCKSET模块搭建电路，并人为的产生相应故障进行仿真。

第3章中，变频器输出电压的小波分解。

对逆变电路进行仿真之后会得到负载的各种电压波形，包括正常工作和各种故障情形下。

得到波形后对其进行小波分解以提取其能量特征，得到幅频和相频特性，为后面的神经网络提供输入信号。

第4章中，逆变电路的故障诊断实现。

得到的各种情形下工作的波形由于数据量非常大，故进行小波分解。

小波分解之后得到各能量特征之后作为神经网络的输入，构建好神经网络之后对其进行训练以达到预期效果。

经过训练诊断的准确度达到90%以上。

是东方还是大开发好的师傅的决定是否

2.变频器逆变电路故障仿真

变频器是一种成本较高的设备，所以用实物来获取实验数据的可行性就比较差了。

为此本设计采用软件仿真模式，首先对交-直-交电压型变频电路进行仿真研究，对实物系统进行建模，同时人为产生相关故障，获取故障信息。

在分析和掌握原理的基础上，使用MATLAB对交-直-交电压型变频器进行建模、仿真，并模拟在实际工作环境中功率管常见的开路故障。

对获得的数据进行相关处理、分析以验证仿真结果的正确性。

2.1变频器电路建模

交-直-交电压型变频器的主电路中，整流电路就是把工频电源转换成直流的电路部分，实际中为了便于控制一般采用不可控整流电路，而且不可控整流电路也能获得较高的功率因数。

整流之后得到带有六倍频的直流电源，再经过滤波电路、平滑电路为逆变电路提供稳定的直流电压。

一般滤波电路采用大容量的电容以使电压稳定。

不可控整流电路由六个二极管组成，原理图如2-1所示，习惯将阴极接在一起的三个二极管（V1，V3，V5）称为共阴极组；

将阳极接在一起的三个二极管（V2，V4，V6）称为共阳极组。

图2-1三相桥式不可控整流电路原理

此外，在导通顺序上是按1到6的顺序导通，为此将二极管按如图所示的顺序编号，即共阴极组与a、b、c三相电源相接的三个二极管分别为V1，V3，V5，而共阳极组与a、b、c三相电源相接的三个二极管则分别为V4，V6，V2。

分析下它们的工作情况，一般的工作情况可以把二极管理解成触发角为0的晶闸管，就是说相当于α=0的情况，此时，对于共阴极组的三个二极管，阳极所接交流电压值最高的一个导通。

对于共阳极组的三个二极管，则是阴极所接交流电压最低或者负的最多的一个导通。

这样，任意时