基于相電流波動(dòng)的逆變器故障特征提取方法研究

邢自厚， 楊杰， 馬軍旭， 高志龍， 汪良強(qiáng)

（1.華北水利水電大學(xué) 機(jī)械學(xué)院，鄭州450045；2.鄭州三和水工機(jī)械有限公司，鄭州450100）

0 引 言

電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)主要由電動(dòng)機(jī)本體、逆變器、傳感器及控制器等四部分組成。相關(guān)研究表明，逆變器功率管開(kāi)關(guān)電路故障占整個(gè)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)故障的82.5%[1]。由逆變器的工作原理可知，其發(fā)生故障時(shí)一定會(huì)引起電動(dòng)機(jī)相電流和相電壓發(fā)生變化，因此當(dāng)前針對(duì)逆變器故障診斷的方法主要是電流法和電壓法兩種。電流診斷法主要包括電流矢量軌跡斜率法、電流矢量瞬時(shí)頻率法、平均電流矢量法、歸一化直流法和負(fù)載電流分析法等5種方法。前4種方法均只能用于開(kāi)環(huán)系統(tǒng)，負(fù)載電流法雖能用于開(kāi)環(huán)和閉環(huán)系統(tǒng)，但診斷系統(tǒng)較為復(fù)雜。電壓診斷法理論上具有較強(qiáng)的診斷能力，系統(tǒng)復(fù)雜性適中，但對(duì)故障參數(shù)的敏感性較低[2]。為了降低電動(dòng)機(jī)故障診斷的復(fù)雜性，提升診斷的準(zhǔn)確性和診斷方法的通用性，文中將通過(guò)對(duì)故障狀態(tài)下的相電流信號(hào)進(jìn)行分析，尋求一種相電流故障特征的提取方法。

1 逆變器故障仿真

1.1 逆變器故障模式分析

逆變器故障包括功率管開(kāi)路故障和短路故障。電動(dòng)機(jī)實(shí)際發(fā)生故障時(shí)多是由于功率管被擊穿或損壞，以及接收到的控制單元的驅(qū)動(dòng)信號(hào)發(fā)生邏輯錯(cuò)誤。功率管的短路故障因存在的時(shí)間過(guò)短（通常不超過(guò)10 μs），很難被診斷，通常采用快速熔斷器將功率管短路故障轉(zhuǎn)化為開(kāi)路故障進(jìn)行研究[3]?？紤]到逆變器功率管同時(shí)發(fā)生故障的概率極低，在此只針對(duì)單管和雙管開(kāi)路故障進(jìn)行研究。

1.2 電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)建模

該模型依據(jù)無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)的驅(qū)動(dòng)原理進(jìn)行搭建，主要包括速度調(diào)節(jié)模塊、三相逆變器模塊、無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)模塊和功率管切換模塊等核心模塊，完整驅(qū)動(dòng)模型如圖1所示。其中逆變器上橋臂功率管排布從左到右為VT1、VT3、VT5，下橋臂為VT2、VT4、VT6。VT1和VT2 、VT3和VT4、VT5和VT6分別與電動(dòng)機(jī)的A、B、C三相繞組相連。

圖1 無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)模型

無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)PWM信號(hào)調(diào)制有5種方式，綜合逆變器功率管的功耗、熱平衡和調(diào)制實(shí)現(xiàn)的難易程度進(jìn)行考慮，該模型最終采用H_PWM-L_ON調(diào)制方式[4]。仿真時(shí)各開(kāi)路故障切入通過(guò)在功率管切換模塊內(nèi)部加入Switch和Clock模塊實(shí)現(xiàn)，如圖2所示。電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速比較值設(shè)定為1500 r/min，速度增益設(shè)定為30/π，負(fù)載為3 N·m。仿真時(shí)繞組電流單位為A，轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速單位為r/min，為了使仿真結(jié)果清晰可見(jiàn)，仿真時(shí)間統(tǒng)一設(shè)定為0.2 s，并設(shè)定在0.1 s導(dǎo)入故障信號(hào)。

1.3 逆變器故障仿真

逆變器由6個(gè)功率管組成，可知其共有21種單管和雙管開(kāi)路故障。由于篇幅有限，文中僅以正常狀態(tài)、VT3開(kāi)路、VT3和VT4同時(shí)開(kāi)路等3種狀態(tài)為例對(duì)逆變器相電流故障特征進(jìn)行分析，其他幾種狀態(tài)的故障特征可以參考上述單管和單相開(kāi)路故障進(jìn)行分析，相電流變化曲線不再展示。

圖2 VT3開(kāi)路時(shí)功率管切換模塊內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖

由圖3可知，正常狀態(tài)下電動(dòng)機(jī)三相電流除起始時(shí)刻產(chǎn)生跳動(dòng)外，均以近似方波沿時(shí)間軸周期性變化；圖4中在0.1 s導(dǎo)入VT3開(kāi)路故障后，B相不再有正向電流通過(guò)，且其反向電流較正常狀態(tài)有明顯增大。同時(shí)A、C相電流幅值較正常狀態(tài)也明顯增大，且其反向電流波形由近似方波變得尖銳，即發(fā)生突變。同樣觀察圖5可以發(fā)現(xiàn)，當(dāng)VT3和VT4同時(shí)發(fā)生開(kāi)路故障時(shí)，B相不再有電流通過(guò)，A、C相電流幅值的增加比單管開(kāi)路故障更為明顯，電流波形在幅值處發(fā)生更為劇烈的突變。

圖3 正常狀態(tài)下三相電流變化曲線

圖4 VT3開(kāi)路時(shí)三相電流變化曲線

圖5 VT3 和VT4 開(kāi)路時(shí)三相電流變化曲線

2 逆變器故障特征的提取

2.1 故障信號(hào)處理方法的選擇

根據(jù)上述仿真結(jié)果可以看出，逆變器發(fā)生開(kāi)路故障時(shí)相電流會(huì)發(fā)生瞬時(shí)突變現(xiàn)象，且故障發(fā)生與故障導(dǎo)入時(shí)間同步，因此所選擇的信號(hào)處理方法需要較好的時(shí)頻特性。目前常用的具備時(shí)頻處理能力的信號(hào)處理方法有加窗傅里葉變換法和小波分解法兩種。加窗傅里葉變換時(shí)窗和頻窗的大小是一個(gè)固定值，很難確定一組合適的值定位信號(hào)突變點(diǎn)。相比于加窗傅里葉變換，小波分解可以根據(jù)信號(hào)的不同頻率成分自動(dòng)調(diào)節(jié)采樣的疏密，通過(guò)伸縮平移運(yùn)算對(duì)信號(hào)進(jìn)行多尺度分析，經(jīng)過(guò)多層分解可以實(shí)現(xiàn)在低頻處頻率細(xì)分、在高頻處時(shí)間細(xì)分的效果，最后通過(guò)對(duì)信號(hào)進(jìn)行重構(gòu)就可以捕捉到信號(hào)的突變點(diǎn)[5]。因此文中選取小波分解法對(duì)逆變器故障信號(hào)進(jìn)行處理。

2.2 故障信號(hào)小波分解

小波分解就是將原始信號(hào)S分成相等的兩部分，a(逼近信號(hào))和d（細(xì)節(jié)信號(hào)），然后根據(jù)所要求的分解層數(shù)繼續(xù)對(duì)低頻信號(hào)進(jìn)行劃分，高頻信號(hào)不再處理。進(jìn)行小波分解的要點(diǎn)是小波基函數(shù)的選擇，目前針對(duì)小波函數(shù)的選擇尚沒(méi)有標(biāo)準(zhǔn)的理論依據(jù)，其主要從緊支撐性、正交性、平滑性和對(duì)稱(chēng)性幾個(gè)標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行選擇。

在實(shí)際應(yīng)用中采集的故障電流信號(hào)屬于離散信號(hào)，因此需要使用離散小波進(jìn)行分解。db小波由于具有正交性、緊支撐性和高常態(tài)性等優(yōu)點(diǎn)，因此適用于電力系統(tǒng)信號(hào)處理[6]。對(duì)于db小波，當(dāng)其消失階數(shù)為1時(shí)即為Haar小波，此時(shí)其有明確的表達(dá)式，其他階數(shù)均沒(méi)有明確的表達(dá)式。消失階數(shù)越大則反映信號(hào)高頻細(xì)節(jié)的能力越強(qiáng)，階數(shù)越小則越能反映信號(hào)的局部化特征。

聯(lián)系前面進(jìn)行的3種狀態(tài)仿真，本文在此選用db小波對(duì)B相電流進(jìn)行5層的小波分解。在MATLAB中應(yīng)用小波分解和重構(gòu)函數(shù)編程對(duì)相電流變化曲線進(jìn)行處理，可得結(jié)果如圖6、圖7和圖8所示。小波分解后對(duì)應(yīng)狀態(tài)原始信號(hào)S與各分解信號(hào)的關(guān)系為S=a5+d5+d4+d3+d2+d1。

觀察圖6、圖7和圖8可以發(fā)現(xiàn)，小波分解后低頻信號(hào)a與原始電流信號(hào)波形較為接近，可以很好地反映原始信號(hào)的頻率特性。將圖7和圖8與圖6作對(duì)比可知，對(duì)相電流故障信號(hào)進(jìn)行小波分解后，各層細(xì)節(jié)信號(hào)d均發(fā)生明顯的變化，且不同故障狀態(tài)下的細(xì)節(jié)信號(hào)有明顯區(qū)別。因此可以利用各層細(xì)節(jié)信號(hào)的變化特征對(duì)不同故障進(jìn)行區(qū)分。

圖6 正常狀態(tài)下B相電流的小波分解

圖7 VT3開(kāi)路時(shí)B相電流的小波分解

圖8 VT3 和VT4 開(kāi)路時(shí)B 相電流的小波分解

2.3 故障特征的提取

通過(guò)前面分析可知，當(dāng)逆變器發(fā)生開(kāi)路故障時(shí)，相電流故障信號(hào)經(jīng)小波分解后細(xì)節(jié)信號(hào)會(huì)發(fā)生明顯變化，在這個(gè)過(guò)程中細(xì)節(jié)信號(hào)自身的能量值較正常狀態(tài)也會(huì)發(fā)生變化。因此，本文選取電動(dòng)機(jī)細(xì)節(jié)信號(hào)的能量值作為故障特征[7]：

式中：Ei表示第i層細(xì)節(jié)信號(hào)的能量和；xk

i是第i層細(xì)節(jié)信號(hào)第k個(gè)點(diǎn)所具有的能量；N為小波分解的采樣點(diǎn)數(shù)，其取決于仿真時(shí)的采樣頻率。按式（1）編程，求上述3種狀態(tài)下A、B、C三相電流各層細(xì)節(jié)信號(hào)在0.1 s和0.2 s之間頻帶的能量值，結(jié)果如表1～表3所示。

表1 正常狀態(tài)下細(xì)節(jié)信號(hào)的能量值

表2 VT3開(kāi)路時(shí)細(xì)節(jié)信號(hào)的能量值

對(duì)比上述細(xì)節(jié)信號(hào)的能量值表可以發(fā)現(xiàn)，不同狀態(tài)下同相電流各對(duì)應(yīng)層的能量值有明顯差異，且d5、d4與d3的能量之和占總能量的絕大多數(shù)，因此可以選取三相電流d5、d4和d3等3層細(xì)節(jié)信號(hào)的能量值作為故障特征。

3 結(jié) 論

1）逆變器不同的故障狀態(tài)會(huì)引起電動(dòng)機(jī)相電流幅值和頻率發(fā)生不同程度的變化；2）故障電流經(jīng)db小波分解后可以較好地反映相電流變化的時(shí)頻特性；3）經(jīng)小波分解的三相電流細(xì)節(jié)信號(hào)的能量值可以作為逆變器的故障特征值。