電動機變頻調(diào)速系統(tǒng)故障檢測探討

殷方元

（重慶潼南航運電力開發(fā)有限公司，重慶402660）

電動機變頻調(diào)速系統(tǒng)故障檢測探討

殷方元

（重慶潼南航運電力開發(fā)有限公司，重慶402660）

為了提高電動機運行的可靠性，必須要對其做好運行狀態(tài)檢測，掌握設備運行信息，及時發(fā)現(xiàn)并確定故障隱患，然后有針對性地采取措施處理。目前，很多電動機應用了變頻調(diào)速技術(shù)，可以提高資源利用率，避免資源浪費。在基于電動機變頻調(diào)速系統(tǒng)故障檢測技術(shù)進行分析時，需要掌握系統(tǒng)運行特點，從專業(yè)角度出發(fā)，選擇最合適的故障檢測方法，保證檢測結(jié)果的準確性，為后續(xù)工作提供可靠依據(jù)。對電動機變頻調(diào)速系統(tǒng)故障檢測方法進行了簡單分析。

電動機；變頻調(diào)速；故障檢測；電源

在電動機變頻調(diào)速系統(tǒng)廣泛應用的背景下，可以提高資源利用率，但想要保證系統(tǒng)運行的可靠性，還需要針對其運行狀態(tài)進行有效檢測，及時發(fā)現(xiàn)存在的故障隱患，為維護管理工作的開展提供依據(jù)。針對電動機變頻調(diào)速系統(tǒng)運行故障檢測和診斷原理，選擇合適的故障檢測與診斷方法，對系統(tǒng)故障特征進行有效提取，從而提高檢測結(jié)果的準確性。

1 變頻調(diào)速系統(tǒng)的運行原理

變頻調(diào)速系統(tǒng)感應電動機轉(zhuǎn)速可以由以下公式表示：

式（1）中：n為電動機運行轉(zhuǎn)速；f1為供電電源輸出頻率；s為電動機轉(zhuǎn)差率；p為電動機定子極對數(shù)；n1為旋轉(zhuǎn)磁場同步轉(zhuǎn)速。可以確定電動機調(diào)速主要分為2種轉(zhuǎn)差率——s調(diào)速與旋轉(zhuǎn)磁場同步轉(zhuǎn)速調(diào)速n1形式。

電動機想要實現(xiàn)變頻調(diào)速，需要對電源供電頻率進行調(diào)整，實現(xiàn)同步轉(zhuǎn)速同步變化。而變頻器作為整個調(diào)速系統(tǒng)的核心部分，需要通過整流回路來對電網(wǎng)發(fā)出的交流電進行整流，使其成為可以控制的直流電，并利用電容穩(wěn)壓與逆變電路將直流電轉(zhuǎn)變?yōu)榭梢哉{(diào)節(jié)頻率的交流電，實現(xiàn)對電動機轉(zhuǎn)速的控制?；诔墒斓淖兞骷夹g(shù)，電動機變頻調(diào)速控制策略與控制方法越來越成熟，可以滿足更大范圍的調(diào)速需求，整個調(diào)速過程更加簡單，具有啟動電流小、效率高、電動機運行穩(wěn)定性高的特點。

2 電動機變頻調(diào)速系統(tǒng)運行故障診斷

2.1 基于知識故障診斷

基于知識故障的診斷方法，即將某領域?qū)＜宜峁┑闹R和經(jīng)驗作為依據(jù)，對設備運行狀態(tài)進行推理和判斷，利用邏輯推理手段，模擬人類專家推理決策過程，形成與系統(tǒng)故障特征有聯(lián)系的邏輯函數(shù)與信息代碼，完成對設備運行故障的診斷?？山⒁詫＜蚁到y(tǒng)和虛擬儀器為基礎的變頻器故障診斷系統(tǒng)，對專家知識與虛擬儀器技術(shù)進行有效結(jié)合，在實現(xiàn)計算機智能診斷的同時，還可以滿足各儀器之間信息數(shù)據(jù)共享，提高了變頻調(diào)速系統(tǒng)故障診斷、檢測效率。其中，故障樹診斷法在實際生產(chǎn)中應用比較廣泛，可以更直觀地對故障源進行診斷，通用性和靈活性更強。

2.2 參考模型故障診斷

將參考模型作為依據(jù)進行故障診斷，即對系統(tǒng)運行實際輸出量與正常輸出量進行比較，確定兩者之間的殘差。如果變頻調(diào)速系統(tǒng)無故障，則殘差為0；系統(tǒng)存在運行故障時，兩者殘差會有明顯的跳躍現(xiàn)象；對差異數(shù)值進行分析，便可確定故障源頭，完成故障診斷與檢測，為后續(xù)處理工作提供依據(jù)。針對電動機變頻調(diào)速系統(tǒng)的故障檢測，可以利用變換器-電機系統(tǒng)穩(wěn)定狀態(tài)檢測體系，建立無故障斬波器狀態(tài)空間平均模型，確定正規(guī)殘差與簡單殘差關(guān)系式，確定斬波器開關(guān)元件與續(xù)流二極管以及短路故障狀態(tài)下實際輸出與正常輸出殘差波形，針對不同故障模式下殘差波形特點，建立相應邏輯判斷方法，降低故障診斷難度。

2.3 神經(jīng)網(wǎng)絡故障診斷

基于神經(jīng)網(wǎng)絡故障診斷方法的應用，可以充分發(fā)揮出人工神經(jīng)網(wǎng)絡所具有的快速識別、分布存儲、強容錯性以及自適應性等優(yōu)勢，在無需構(gòu)建對象數(shù)學模型基礎上，通過對故障信號的分析，便可完成設備故障診斷。比如，可以利用小波分析實現(xiàn)神經(jīng)網(wǎng)絡電力電子電路故障診斷，診斷結(jié)果可靠性更高。但對于神經(jīng)網(wǎng)絡故障診斷技術(shù)而言，獲取訓練樣本難度高，與專家系統(tǒng)聯(lián)系較少，專家經(jīng)驗知識無法得到應用，且網(wǎng)絡權(quán)值的表達形式理解難度大，還需要在對實際情況綜合分析后確定是否應用。

2.4 信號處理故障診斷

基于信號處理來對電動機變頻調(diào)速系統(tǒng)進行故障診斷與檢測，需要重點做好對電壓信號采集的控制，然后對所獲數(shù)據(jù)信號進行頻譜分析，得到被診斷系統(tǒng)或元件各類故障狀態(tài)下關(guān)鍵點頻譜特征。通過對診斷系統(tǒng)以及元件故障隸屬度進行對比確定，得到可靠的故障信息。比如，基于三相橋式整流電路改進的譜分析故障診斷方法，可以通過特征值的診斷定位歸納出試驗算法后，應用DSP系統(tǒng)完成系統(tǒng)故障的診斷。該診斷方法的應用可避免對診斷對象建立數(shù)學模型，在實際應用中具有更高的通用性和適應性，診斷過程靈敏度高、速度快，并需要與專家系統(tǒng)相結(jié)合，利用專家的經(jīng)驗知識來對故障特征參數(shù)進行設定，還未有通用實效性高的設定方法。

3 故障檢測要點

3.1 系統(tǒng)故障模式

將逆變器驅(qū)動的電動機變頻調(diào)速系統(tǒng)作為研究對象，系統(tǒng)出現(xiàn)運行故障后，常見的表現(xiàn)形式主要為：電動機一相開路故障、功率開關(guān)元件短路故障、功率開關(guān)元件斷路故障以及逆變器一相橋臂兩開關(guān)元件同時斷路故障。其中，對于開關(guān)元件短路故障來講，一般商用逆變器均設置有保護措施，以此來避免逆變器橋臂直通故障的發(fā)生，如果在運行中出現(xiàn)開關(guān)元件短路故障問題，保護電路便會對橋臂上另一個開關(guān)元件進行關(guān)閉，僅通過一個開關(guān)元件開通[4]。

3.2 故障檢測方法

如果系統(tǒng)逆變器存在某開關(guān)元件運行故障，則其輸出信號會與正常狀態(tài)存在差異，與之對應的數(shù)字信號模型中各次諧波分量幅值也會發(fā)生相應變化。因為基本正序?qū)ΨQ分量可對系統(tǒng)性能重要參數(shù)造成影響，這樣便可以利用數(shù)字信號模型內(nèi)基本正序?qū)ΨQ分量Vp1實施估計來實現(xiàn)逆變器的故障檢測。對于任何采樣期，將電動機變頻調(diào)速系統(tǒng)作為對象，通過估計方法中的基本正序?qū)ΨQ分量，可以反映電動機變頻系統(tǒng)的運行狀態(tài)。

為了實現(xiàn)對系統(tǒng)運行故障的有效檢測，必須將實際運行狀態(tài)下所得的基本正序?qū)ΨQ分量估計值與理想無故障正常相應分量進行對比，如果2種狀態(tài)下數(shù)值相同，則代表系統(tǒng)無運行故障；如果數(shù)值不同，則代表存在故障，應進行故障檢測，即設定Vp0∈C為系統(tǒng)無故障運行狀態(tài)下基本正序?qū)ΨQ分量，Vp1∈C表示實際系統(tǒng)運行狀態(tài)下基本正序?qū)ΨQ分量，則基本譜產(chǎn)殘差rf可表示為rf=Vp1－Vp0.電動機變頻調(diào)速系統(tǒng)不存在任何干擾因素，但出現(xiàn)運行故障時，Vp1=Vp0，則rf=0.但在實際運行中，必定會受到噪聲因素的干擾，因此，即便系統(tǒng)處于無故障運行狀態(tài)，基本譜殘差應滿足的統(tǒng)計性質(zhì)為E[rf]=0，因此，在系統(tǒng)發(fā)生運行故障后，基本譜殘差統(tǒng)計性質(zhì)應滿足E[rf]≠0.

3.3 故障決策邏輯

因為基本譜殘差為復數(shù)，為了實現(xiàn)系統(tǒng)故障檢測，定義決策函數(shù)為，判斷電動機變頻調(diào)速系統(tǒng)有無故障則按照公式分析：R≥TD，系統(tǒng)發(fā)生故障；R＜TD，系統(tǒng)無故障。其中，閾值可以通過仿真與試驗獲得，且為了降低系統(tǒng)內(nèi)噪聲與其他因素對基本譜殘差準確性的影響，可確定Vp0為系統(tǒng)無故障狀態(tài)下基本正序?qū)ΨQ分量。

4 結(jié)束語

對電動機變頻調(diào)速系統(tǒng)故障檢測方法進行分析，需要確定系統(tǒng)運行特點，并總結(jié)以往的經(jīng)驗確定故障診斷方法，根據(jù)實際情況選擇最為合適的診斷與檢測技術(shù)。同時，做好系統(tǒng)故障檢測過程各細節(jié)控制，經(jīng)過對比殘差后，判斷系統(tǒng)是否存在故障，為后續(xù)管理工作提供依據(jù)。

［1］陳慶.廣義解調(diào)法在異步電機變頻調(diào)速系統(tǒng)故障分析中的應用［D］.武漢：武漢科技大學，2014.

［2］張保龍.變頻調(diào)速異步電動機軸承故障特征分析［D］.北京：華北電力大學，2012.

［3］張文蓉.HHT方法在變頻調(diào)速異步電機故障診斷中的應用［D］.武漢：武漢科技大學，2010.

［4］李濤.基于小波包神經(jīng)網(wǎng)絡的變頻調(diào)速系統(tǒng)故障診斷的研究［D］.鄭州：河南理工大學，2009.

〔編輯：張思楠〕

TM921.51

A

10.15913/j.cnki.kjycx.2017.18.049

2095－6835（2017）18－0049－02