变频调速系统的故障诊断研究文档格式.doc

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2.2.2输入输出特性 16

2.2.3、改善输入功率因数和提高输出电压 17

3信号分析 19

3.2离散傅立叶变换（DFT） 19

x（n）——时间采样间隔为T的N个时域采样值。

20

3.3MATLAB中的FFT函数 20

3.4函数在故障定位综合程序中的应用 21

3.4.1FFT函数用于相量图绘制 21

3.4.2FFT函数用于频谱图绘制 22

3.4.3FFT函数的其他应用 23

3.5Matlab的FFT及其应用 23

3.5.1FFT算法 23

3.5.2FFT的计算量 24

3.5.3FFT算法的Matlab实现及应用 24

3.6数字式分析处理中的若干问题 25

3.6.1.频率混淆 25

3.6.2.采样频率及频率分辨力 26

3.6.3.采样点数N的选择 27

3.6.4.窗函数、截断和泄漏 27

3.6.5平均化处理 30

4变频器故障及诊断的研究 31

4.1变频器 31

4.2变频调速系统的故障诊断技术发展：

31

4.2.1故障检侧与诊断技术的发展 31

4.3变频器故障分析与处理 33

4.3.1变频器的常见故障分析 33

4.3.4故障诊断方法 37

5MATLAB仿真 39

结论 42

致谢 43

参考文献 44

前言

电力电子器件的发展为交流调速系统的发展莫定了物质墓础。

20世纪50年代末出现了晶闸管，由晶闸管构成的静止变频电源输出方波或阶梯波的交变电压，取代旋转变频机组实现了变频调速.然而晶闸管属于半控型器件，可以控制导通，但不能由门极控制关断，因此由普通晶闸管组成的逆变器用于交流调速必须附加强迫换向电路。

70年代以后，功率晶体管（GTR）.1r7极关断晶闸管（GTO晶闸管）、功率MOs场效应晶闸管（PowerMOSFET）.绝缘栅双极晶闸管（IGBT）.MOS控制晶闸管（MCT）等已先后问世，这些器件都是既能控制导通又能控制关断的自关断器件，又称全控型器件。

由这些器件组成的逆变器构成简单、结构紧凑。

IGBT由于兼有MOSFET和GTR的优点，是用于中小功率目前最为流行的器件，MCT则综合了晶闸管的高电压、大电流特性和MOSFET的快速开关特性，是极有发展前景的大功率、高频率开关器件。

由于电力电子器件正向大功率化、高频化、模块化、智能化发展。

80年代以后出现的功率集成电路（PowerIntegratedCircuit-PIC）.集功率开关器件、驱动电路、保护电路、接口电路于一体，这不但提高了可靠性，而且具有设备体积小、功能多、成本低等优点，免去用户设计或选用驱动电路与保护电路的麻烦，用起来大为方便。

作为PIC的过渡产品，如智能功率模块（InteligentPowerModule-IPM）等，在交流变频调速中已广泛使用。

随着新型力电子器件的不断涌现，变频技术获得了飞速发展。

以普通晶闸管构成的方波形逆变器已被全控型高频率开关器件组成的脉宽调制（PWM）逆变器取代。

同时随着器件开关频率的提高，借助于消除特定谐波的PWM逆变器控制模式，已使PWM逆变器的输出波形非常通近正弦波。

为了降低开关损耗和提高工作效率，人们又提出了一种新型的谐振型软开关逆变器。

应用谐振技术可使开关元件在零电流或零电压下进行开关状态转换，开关损耗几乎为零，这又使得电动机变频调速技术迈上一个新台阶。

在变频技术日新月异地发展的同时，交流电动机控制技术的发展方兴未艾，非线性解祸控制、人工神经网络自适应控制、模糊控制等各种新的控制策略正不断涌现，展现出更为广阔的前景，必将进一步推动电动机变频调速系统的飞速发展。

原来一直由直流调速占领的应用领域，现已逐步由交流调速系统取而代之。

值得一提的是，作为交流变频调速之一的永磁同步电动机驱动系统，由于其既具有电励磁直流电动机的优异调速性能又实现了无刷化，这在要求高控制精度和高可靠性的场合，如航空航天、军事装备、数控机床、电动汽车、机器人、计算机外围设备、家用电器等方面都获得了广泛应用。

1交交变频器

交交变频技术早在上世纪30年代首先在德国，将频率50Hz变为16.7Hz的交流电，但由于当时的大功率电子技术还处在初级发展阶段，没有得到实际的推广应用。

到上世纪50年代中期，随着大功率晶闸管的出现，为交交技术的发展提供了现实的可能性。

电压型交交变频器供电同步电动机系统用于低速大功率传动，最早出现于德国Siemens公司，1965年，电压型交交变频器首先用于牵引机车用电源，随后，交交变频调速技术得到了快速的发展和应用，80年代以来，德国、日本、美国、英国、法国等国的电气公司也都相继开发了大功率电压型交交变频器调速装置，其中法国2X56000kw交交变频船舶推进装置容量最大，日本Mizushima二号冷连轧机的交交变频主传动装置的性能最高。

我国对大功率交交变频调速装置的研究起步较晚，从1985年起开始引进交交变频调速装置，多套交交变频轧机主传动装置已投产运行，最大单机容量为9000kw,实际运行情况表明效果良好。

目前我国已具有提供5000kw带矢量变换控制的高性能交交变频调速装置的能力。

采用电力电子变频装置实现电压频率协调控制，改变了同步电动机历来只能恒转速运行而不能调速的面貌，起动困难、重载时有振荡和失步等问题己不再成为同步电动机广泛应用的障碍。

同步电动机具有的功率因数可控、功率高、电机气隙大、制造容易、过载能力强、适用于冲击性负载的优点也得到了充分的体现，优良的控制性能使其到了广泛应用。

而同步电动机直接变频又较间接变频具有一次换能效率较高、转动惯量小，但输出最高频率只有电网频率的1/2-1/3的特点。

因而交交变同步电动机调速系统特别适用于低速大功率拖动系统，而采用矢量控制的交交变频同步电动机调速系统在电动机低速运转时则具有良好的实时控制性能。

变频调速系统分为交交变频和交直交变频两种。

先把交流变换成直流，再把直流逆变成可变频率的交流，称交直交变频电路。

和交直交变频电路比较，交交变频电路的优点：

（1）只用一次变流，效率较高。

（2）可方便地实现四象限工作。

（3）低频输出波形接近正弦波。

缺点是：

（1）接线复杂，采用三相桥式电路的三相交交变频器至少要用36只晶闸管。

（2）受电网频率和变流电路脉波数的限制，输出频率较低。

输入功率因数较低。

（3）输入电流谐波含量大，频谱复杂。

主要用于500kW或1000kW以下的大功率、低转速的交流调速电路中。

目前已在轧机主传动装置、鼓风机、矿石破碎机、球磨机、卷扬机等

场合应用

既可用于异步电动机，也可用于同步电动机传动

本文主要研究的是交交变频系统。

交交变频原理：

交流-交流变流电路——一种形式的交流变成另一种形式交流的电路，可改变相关的电压、电流、频率和相数等。

交流电力控制电路——只改变电压、电流或控制电路的通断，不改变频率。

交流调压电路——相位控制（或斩控式）。

交流调功电路及交流无触点开关——通断控制。

变频电路——改变频率，大多不改变相数，也有改变相数的。

交交变频电路——直接把一种频率的交流变成另一种频率或可变频率的交流，直接变频电路。

交直交变频电路——先把交流整流成直流，再把直流逆变成另一种频率或可变频率的交流,间接变频电路。

2交交变频电路

2.1单相交交变频电路

2.1.1电路构成

如图2-1，由P组和N组反并联的晶闸管变流电路构成，和直流电动机可逆调速用的四象限变流电路完全相同变流器P和N都是相控整流电路。

图2-1单相交交变频电路原理图和输出电压波形

2.1.2工作原理

P组工作时，负载电流io为正。

N组工作时，io为负。

两组变流器按一定的频率交替工作，负载就得到该频率的交流电。

改变两组变流器的切换频率，就可改变输出频率wo。

改变变流电路的控制角a，就可以改变交流输出电压的幅值。

为使uo波形接近正弦波，可按正弦规律对a角进行调制。

在半个周期内让P组a角按正弦规律从90°

减到0°

或某个值，再增加到90°

每个控制间隔内的平均输出电压就按正弦规律从零增至最高，再减到零。

另外半个周期可对N组进行同样的控制。

uo由若干段电源电压拼接而成，在uo的一个周期内，包含的电源电压段数越多，其波形就越接近正弦波。

2.1.3整流与逆变工作状态

阻感负载为例，把交交变频电路理想化，忽略变流电路换相时uo的脉动分量，就可把电路等效成图4-19a所示的正弦波交流电源和二极管的串联。

设负载阻抗角为j，则输出电流滞后输出电压j角。

两组变流电路采取无环流工作方式，即一组变流电路工作时，封锁另一组变流电路的触发脉冲。

工作状态

t1~t3期间：

io正半周，正组工作，反组被封锁

t1~t2：

uo和io均为正，正组整流，输出功率为正

t2~t3：

uo反向，io仍为正，正组逆变，输出功率为负

t3~t5期间：

io负半周，反组工作，正组被封锁

t3~t4：

uo和io均为负，反组整流，输出功率为正

t4~t5：

uo反向，io仍为负，反组逆变，输出功率为负

哪一组工作由io方向决定，与uo极性无关

工作在整流还是逆变，则根据uo方向与io方向是否相同确定。

图2-2交变频电路的整流和逆变工作状态

图2-3单相交交变频电路输出电压和电流波形

考虑无环流工作方式下io过零的死区时间，一周期可分为6段。

第1段io<

0，uo>

0，反组逆变

第2段电流过零，为无环流死区

第3段io>

0，正组整流

第4段io>

0，uo<

0，正组逆变

第5段又是无环流死区

第6段io<

0，为反组整流

uo和io的相位差小于90°

时，一周期内电网向负载提供能量的平均值为正，电动机工作在电动状态。

当二者相位差大于90°

时，一周期内电网向负载提供能量的平均值为负，电网吸收能量，电动机为发电状态。

2.1.4输出正弦波电压的调制方法

介绍最基本的、广泛使用的余弦交点法：

设Ud0为a=0时整流电路的理想空载电压，则有

（2-1）

每次控制时a角不同，uo表示每次控制间隔内uo的平均值

期望的正弦波输出电压为

（2-2）

比较式（2-1）和（2-2），应使

（2-3）

g称为输出电压比：

（2-4）

余弦交点法基本公式

（2-5）

余弦交点法图解

线电压uab、uac、ubc、uba、uca和ucb依次用u1~u6表示

相邻两个线电压的交点对应于a=0。

图2-4余弦交点法原理

u1~u6所对应的同步信号分别用us1~us6表示。

us1~us6比相应的u1~u6超前30°

，us1~us6的最大值和相应线电压。

a=0的时刻对应。

以a=0为零时刻，则us1~us6为余弦信号。

希望输出电压为uo，则各晶闸管触发时刻由相应的同步电压us1~us6

的下降段和uo的交点来决定。

不同g时，在uo一周期内，a随wot变化的情况。

图中，

（2-6）

g较小，即输出电压较低时，a只在离90°

很近的范围内变化，电路的输入功率因数非常低。

图2-5不同g时a和ωot的关系

2.1.5输入输出特性

（1）输出上限频率

输出频率增高时，输出电压一周期所含电网电压段数减少，波形畸变严重。

电压波形畸变及其导致的电流波形畸变和转矩脉动是限制输出频率提高的主要因素。

就输出波形畸变和输出上限频率的关系而言，很难确定一个明确的界限。

当采用6脉波三相桥式电路时，输出上限频率不高于电网频率的1/3~1/2。

电网频率为50Hz时，交交变频电路的输出上限频率约为20Hz。

（2）输入功率因数

输入电流相位滞后于输入电压，需要电网提供无功功率。

一周期内，a角以90°

为中心变化。

输出电压比g越小，半周期内a的平均值越靠近90°

。

负载功率因数越低，输入功率因数也越低。

不论负载功率因数是滞后的还是超前的，输入的无功电流总是滞后。

图2-6单相交交变频电路的功率因数

（3）输出电压谐波

输出电压的谐波频谱非常复杂，既和电网频率fi以及变流电路的脉波数有关，也和输出频率fo有关。

采用三相桥时，输出电压所含主要谐波的频率为。

6fi±

fo，6fi±

3fo，6fi±

5fo，…

12fi±

fo，12fi±

3fo，12fi±

采用无环流控制方式时，由于电流方向改变时死区的影响，将增加5fo、7fo等次谐波。

（4）输入电流谐波

输入电流波形和可控整流电路的输入波形类似，但其幅值和相位均按正弦规律被调制。

采用三相桥式电路的交交变频电路输入电流谐波频率。

（2-7）

和 （2-8）

式中，k=1,2,3,…；

l=0,1,2,…。

2.2三相交交变频电路

交交变频电路主要应用于大功率交流电机调速系统，使用的是三相交交变频电路。

由三组输出电压相位各差120°

的单相交交变频电路组成。

2.2.1电路接线方式

主要有两种：

公共交流母线进线方式和输出星形联结方式。

1）公共交流母线进线方式

由三组彼此独立的、输出电压相位相互错开120°

的单

相交交变频电路构成。

电源进线通过进线电抗器接在公共的交流母线上。

因为电源进线端公用，所以三组的输出端必须隔离。

为

此，交流电动机的三个绕组必须拆开。

主要用于中等容量的交流调速系统。

图2-7公共交流母线进线三相交交变频电路（简图）

2）输出星形联结方式

a）简图

b）详图

图2-8输出星形联结方式三相交交变频电路

因为三组的输出联接在一起，其电源进线必须隔离，因此分别用三

个变压器供电。

由于输出端中点不和负载中点相联接，所以在构成三相变频电路的。

六组桥式电路中，至少要有不同输出相的两组桥中的四个晶闸管同时导通才能构成回路，形成电流。

和整流电路一样，同一组桥内的两个晶闸管靠双触发脉冲保证同时

导通。

两组桥之间则是靠各自的触发脉冲有足够的宽度，以保证同时导通。

三组的输出端是星形联结，电动机的三个绕组也是星形联结。

电动机中点不和变频器中点接在一起，电动机只引出三根线即可。

2.2.2输入输出特性

输出上限频率和输出电压谐波和单相交交变频电路是一致的。

（1）输入电流

总输入电流由三个单相的同一相输入电流合成而得到。

有些谐波相互抵消，谐波种类有所减少，总的谐波幅值也有所降低。

谐波频率为：

（2-9）

和

（2-10）

式中，k=1,2,3,…；

l=0,1,2,…。

采用三相桥式电路时，输入谐波电流的主要频率为fi±

6fo、5fi、5fi±

6fo、7fi、7fi±

6fo、11fi、11fi±

6fo、13fi、13fi±

6fo、fi±

12fo等。

其中5fi次谐波的幅值最大。

图2-9交交变频电路的输入电流波形

（2）输入功率因数

三相总输入功率因数应为

（2-11）