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电力电子系统故障诊断技术浅谈
王杰
(航天长征火箭技术有限公司北京 100076)
摘要: 本文介绍了电力电子系统故障诊断的原理及几种常用的故障诊断方法,介绍了故障诊断的可靠性分析方法并给出了一个简单的故障检测与诊断系统的实例。实际应用表明这些方法可行、有效,适应性强,具有较高的实用价值。
关键词:电力电子系统;故障诊断;可靠性分析;专家系统
1 引言
电力电子电路的实际运行表明,大多数故障表现为功率开关器件的损坏,其中以功率开关器件的开路和直通最为常见。电力电子电路故障诊断与一般的模拟电路、数字电路的故障诊断存在较大差别,由于电力电子器件过载能力小,损坏速度快,其故障信息仅存在于发生故障到停电之前数十毫秒之内,因此,需要实时监视、在线诊断;另外电力电子电路的功率已达数千千瓦,模拟电路、数字电路诊断中采用的改变输入看输出的方法不再适用,只能以输出波形来诊断电力电子电路是否有故障及有何种故障。
故障诊断的关键是提取故障的特征。故障特征是指反映故障征兆的信号经过加工处理后所得的反映设备与系统的故障种类、部位与程度的综合量。故障诊断方法按提取特征的方法的区别,可分为谱分析方法、基于动态系统数学模型的方法、采用模式识别的方法、基于神经网络的方法、专家系统的方法、小波变换的方法和利用遗传算法等。这些方法将在下文具体介绍。
故障诊断的主要作用有:早期预报,防止事故发生;预知性维修,提高设备管理水平;方便检修,缩短了维修时间,提高设备利用率;对提高设备的设计制造水平,改善产品质量有指导意义等。
2 故障诊断方法
这里所谓的故障诊断方法确切的说是提取故障特征的方法,下面对一些常用的诊断方法分别加以介绍。
故障诊断中的谱分析方法
在故障诊断中比较常用的信号处理方法是谱分析。常用傅里叶谱、沃尔什谱,另外还有滤波、相关分析等。
谱分析的目的:信号中包含噪声,为了提取特征;故障信号的时域波形不能清楚地反映故障的特征。而电力电子电路中包含故障信息的关键点信号通常具有周期性,因此可以用傅里叶变换将时域中的故障波形变换到频域,以突出故障特征,实现故障诊断。
傅里叶变换是将某一周期函数分解成各种频率的正弦分量,类似地,沃尔什变换是将某一函数分解成一组沃尔什函数分量。
自适应滤波是一种数字信号的处理统计方法,它不需要知道信号一二阶的先验统计知识,直接利用观测资料,通过运算改变滤波器的某些参数,而使自适应滤波器的输出能自动跟踪信号特性的变化。在电力电子系统故障诊断中,可以用自适应处理来实现噪声抵消,谱线增强等功能,从噪声背景下提取故障特征,从而实现准确的诊断。
参数模型与故障诊断
如果系统的数学模型是已知的,就可以通过测量,估计系统的状态和参数,确定状态变量和系统参量是否变化。采用基于系统数学模型的故障诊断方法,可以从较少的测量点去估计系统的多个状态量或系统参数,从而实现故障诊断。
进一步又可以分为检测滤波器方法、状态估计法和参数辨识方法三种。
检测滤波器方法
它将部件、执行机构和传感器的故障的输出方向分别固定在特定的方向或平面上。
状态估计法
通过监测系统的状态变化,也能反映由系统参数变化引起的故障,并对故障进行诊断。与一般的状态估计不同,在进行故障诊断时,并不是去估计未知的状态信息,而是借助观测器