电动机变频调速系统故障检测探讨

殷方元

（重庆潼南航运电力开发有限公司，重庆402660）

电动机变频调速系统故障检测探讨

殷方元

（重庆潼南航运电力开发有限公司，重庆402660）

为了提高电动机运行的可靠性，必须要对其做好运行状态检测，掌握设备运行信息，及时发现并确定故障隐患，然后有针对性地采取措施处理。目前，很多电动机应用了变频调速技术，可以提高资源利用率，避免资源浪费。在基于电动机变频调速系统故障检测技术进行分析时，需要掌握系统运行特点，从专业角度出发，选择最合适的故障检测方法，保证检测结果的准确性，为后续工作提供可靠依据。对电动机变频调速系统故障检测方法进行了简单分析。

电动机；变频调速；故障检测；电源

在电动机变频调速系统广泛应用的背景下，可以提高资源利用率，但想要保证系统运行的可靠性，还需要针对其运行状态进行有效检测，及时发现存在的故障隐患，为维护管理工作的开展提供依据。针对电动机变频调速系统运行故障检测和诊断原理，选择合适的故障检测与诊断方法，对系统故障特征进行有效提取，从而提高检测结果的准确性。

1 变频调速系统的运行原理

变频调速系统感应电动机转速可以由以下公式表示：

式（1）中：n为电动机运行转速；f1为供电电源输出频率；s为电动机转差率；p为电动机定子极对数；n1为旋转磁场同步转速。可以确定电动机调速主要分为2种转差率——s调速与旋转磁场同步转速调速n1形式。

电动机想要实现变频调速，需要对电源供电频率进行调整，实现同步转速同步变化。而变频器作为整个调速系统的核心部分，需要通过整流回路来对电网发出的交流电进行整流，使其成为可以控制的直流电，并利用电容稳压与逆变电路将直流电转变为可以调节频率的交流电，实现对电动机转速的控制。基于成熟的变流技术，电动机变频调速控制策略与控制方法越来越成熟，可以满足更大范围的调速需求，整个调速过程更加简单，具有启动电流小、效率高、电动机运行稳定性高的特点。

2 电动机变频调速系统运行故障诊断

2.1 基于知识故障诊断

基于知识故障的诊断方法，即将某领域专家所提供的知识和经验作为依据，对设备运行状态进行推理和判断，利用逻辑推理手段，模拟人类专家推理决策过程，形成与系统故障特征有联系的逻辑函数与信息代码，完成对设备运行故障的诊断。可建立以专家系统和虚拟仪器为基础的变频器故障诊断系统，对专家知识与虚拟仪器技术进行有效结合，在实现计算机智能诊断的同时，还可以满足各仪器之间信息数据共享，提高了变频调速系统故障诊断、检测效率。其中，故障树诊断法在实际生产中应用比较广泛，可以更直观地对故障源进行诊断，通用性和灵活性更强。

2.2 参考模型故障诊断

将参考模型作为依据进行故障诊断，即对系统运行实际输出量与正常输出量进行比较，确定两者之间的残差。如果变频调速系统无故障，则残差为0；系统存在运行故障时，两者残差会有明显的跳跃现象；对差异数值进行分析，便可确定故障源头，完成故障诊断与检测，为后续处理工作提供依据。针对电动机变频调速系统的故障检测，可以利用变换器-电机系统稳定状态检测体系，建立无故障斩波器状态空间平均模型，确定正规残差与简单残差关系式，确定斩波器开关元件与续流二极管以及短路故障状态下实际输出与正常输出残差波形，针对不同故障模式下残差波形特点，建立相应逻辑判断方法，降低故障诊断难度。

2.3 神经网络故障诊断

基于神经网络故障诊断方法的应用，可以充分发挥出人工神经网络所具有的快速识别、分布存储、强容错性以及自适应性等优势，在无需构建对象数学模型基础上，通过对故障信号的分析，便可完成设备故障诊断。比如，可以利用小波分析实现神经网络电力电子电路故障诊断，诊断结果可靠性更高。但对于神经网络故障诊断技术而言，获取训练样本难度高，与专家系统联系较少，专家经验知识无法得到应用，且网络权值的表达形式理解难度大，还需要在对实际情况综合分析后确定是否应用。

2.4 信号处理故障诊断

基于信号处理来对电动机变频调速系统进行故障诊断与检测，需要重点做好对电压信号采集的控制，然后对所获数据信号进行频谱分析，得到被诊断系统或元件各类故障状态下关键点频谱特征。通过对诊断系统以及元件故障隶属度进行对比确定，得到可靠的故障信息。比如，基于三相桥式整流电路改进的谱分析故障诊断方法，可以通过特征值的诊断定位归纳出试验算法后，应用DSP系统完成系统故障的诊断。该诊断方法的应用可避免对诊断对象建立数学模型，在实际应用中具有更高的通用性和适应性，诊断过程灵敏度高、速度快，并需要与专家系统相结合，利用专家的经验知识来对故障特征参数进行设定，还未有通用实效性高的设定方法。

3 故障检测要点

3.1 系统故障模式

将逆变器驱动的电动机变频调速系统作为研究对象，系统出现运行故障后，常见的表现形式主要为：电动机一相开路故障、功率开关元件短路故障、功率开关元件断路故障以及逆变器一相桥臂两开关元件同时断路故障。其中，对于开关元件短路故障来讲，一般商用逆变器均设置有保护措施，以此来避免逆变器桥臂直通故障的发生，如果在运行中出现开关元件短路故障问题，保护电路便会对桥臂上另一个开关元件进行关闭，仅通过一个开关元件开通[4]。

3.2 故障检测方法

如果系统逆变器存在某开关元件运行故障，则其输出信号会与正常状态存在差异，与之对应的数字信号模型中各次谐波分量幅值也会发生相应变化。因为基本正序对称分量可对系统性能重要参数造成影响，这样便可以利用数字信号模型内基本正序对称分量Vp1实施估计来实现逆变器的故障检测。对于任何采样期，将电动机变频调速系统作为对象，通过估计方法中的基本正序对称分量，可以反映电动机变频系统的运行状态。

为了实现对系统运行故障的有效检测，必须将实际运行状态下所得的基本正序对称分量估计值与理想无故障正常相应分量进行对比，如果2种状态下数值相同，则代表系统无运行故障；如果数值不同，则代表存在故障，应进行故障检测，即设定Vp0∈C为系统无故障运行状态下基本正序对称分量，Vp1∈C表示实际系统运行状态下基本正序对称分量，则基本谱产残差rf可表示为rf=Vp1－Vp0.电动机变频调速系统不存在任何干扰因素，但出现运行故障时，Vp1=Vp0，则rf=0.但在实际运行中，必定会受到噪声因素的干扰，因此，即便系统处于无故障运行状态，基本谱残差应满足的统计性质为E[rf]=0，因此，在系统发生运行故障后，基本谱残差统计性质应满足E[rf]≠0.

3.3 故障决策逻辑

因为基本谱残差为复数，为了实现系统故障检测，定义决策函数为，判断电动机变频调速系统有无故障则按照公式分析：R≥TD，系统发生故障；R＜TD，系统无故障。其中，阈值可以通过仿真与试验获得，且为了降低系统内噪声与其他因素对基本谱残差准确性的影响，可确定Vp0为系统无故障状态下基本正序对称分量。

4 结束语

对电动机变频调速系统故障检测方法进行分析，需要确定系统运行特点，并总结以往的经验确定故障诊断方法，根据实际情况选择最为合适的诊断与检测技术。同时，做好系统故障检测过程各细节控制，经过对比残差后，判断系统是否存在故障，为后续管理工作提供依据。

［1］陈庆.广义解调法在异步电机变频调速系统故障分析中的应用［D］.武汉：武汉科技大学，2014.

［2］张保龙.变频调速异步电动机轴承故障特征分析［D］.北京：华北电力大学，2012.

［3］张文蓉.HHT方法在变频调速异步电机故障诊断中的应用［D］.武汉：武汉科技大学，2010.

［4］李涛.基于小波包神经网络的变频调速系统故障诊断的研究［D］.郑州：河南理工大学，2009.

〔编辑：张思楠〕

TM921.51

A

10.15913/j.cnki.kjycx.2017.18.049

2095－6835（2017）18－0049－02