礦用變頻器的故障診斷方法研究

韓國慶，王玉福，邊 靜，劉辛穎

（開灤(集團)有限責任公司，河北 唐山 063018）

1 引言

變頻器主要應用變頻技術與微電子技術，由整流、逆變和平波回路等組成，利用其內部的IGBT（絕緣柵雙極型晶體管）對供電電源的電壓和頻率進行調整，有著優越的調速、節能和保護等功能[1]。隨著煤礦井下開采工作對大功率采掘設備和運輸設備的使用不斷增加，相應的電壓控制要求也在持續增長。因此，確保變頻器可靠安全運行，對降低電能消耗和提高礦井工作安全性和自動化程度具有非常重要的現實意義和經濟價值。

干擾故障是當前礦用變頻器運行過程中常見的故障之一，主要有電磁干擾、信號干擾等。一般來說，電氣設備必須同時具備抑制低頻干擾和高頻干擾的能力。低頻干擾來源主要為電源的頻率振蕩波動幅度大和電壓不穩定等；高頻干擾則主要包括電磁場射頻傳導發射干擾、脈沖干擾、諧波干擾和靜電放電等。礦用變頻器由于作業環境十分復雜，礦井下干擾現象發生的概率通常很高，變頻器不僅自身會被各種干擾所影響，同時還可能對周圍環境造成干擾。

對此，早年有外國學者Thorsenov 等提出利用Walsh 變換輸出得到頻域特性對變頻器展開故障診斷分析，此方法可以在頻譜特性一個周期中就發現與之映射關系最強的數據并對其進行診斷[2]。Campos 等人采用傅里葉變換取得逆變器內定子電流信號頻域成分，得到和功率開關器件故障類型對應的關系式[3]。Mendes 等通過利用Park 矢量法得到平均輸出電流的相位和幅值作為特征數據，根據不同故障表現出的直流特性不同，建立了電流均值和故障的映射關系[4]。Estima 在這基礎上提出用三相電流作為信號基礎，用Park 矢量法提取三相電流平均值的絕對值進行故障診斷，提高了診斷的準確度和速度[5]。Shahbazi 提出根據設備工作時產生的感應電流變化量和時間的關系，作為變頻器故障診斷的判斷依據，此方法通過對電流設定閾值和瞬時值進行比較，診斷精度較高[6]。國內劉穎等結合了信號頻譜分析方法和迷糊理論，分別提取變頻器不同情況下的電壓信號波形并對其進行頻域分析得到可用的特征信號作為參照樣本，再提取特定故障時的信號元素作為測試數據，對參照樣本和測試數據的隸屬關系進行計算，可以得到元件故障的具體位置[7]。郭石凱利用滑動模型和輸入未知參數兩種算法，針對提高變頻器的三相PWM 整流器和逆變器故障定位展開研究，最后得出輸入未知觀測器的算法在整體上判斷效果更好的結論。孫建勇等則采用故障樹的方法對變頻器實際工作情況建立診斷模型，得到了較為理想的診斷效果[8]。

2 變頻器常見的干擾故障來源

2.1 干擾源

干擾源是指對變頻器的正常工作產生干擾的自然現象、設備和元器件等，這些干擾源通過電源、穩壓器網絡、電磁波輻射或電感等方式傳播進入變頻器內，容易引起變頻器的誤操作而致使其出現故障，造成測控系統失準和失靈，在一定程度上破壞了整個系統的穩定運行。針對干擾源的分析通常從干擾信號能量、信號形式和頻域與時域[9]等方面入手。變頻器受到的干擾可分為外部干擾和內部干擾，本文對其干擾源的分析也分為外部干擾源和內部干擾源[10]兩部分。

礦用變頻器的外部干擾源又可分為人為干擾源（包括輸電線路、開關系統、廣播、雷達、通信、導航和其他工業設備等）和自然干擾源（包括熱聲、噪聲、雷電干擾、大氣層干擾和宇宙干擾等）。礦用變壓器的內部干擾源則主要有無源器件噪聲、有源器件噪聲、電路噪聲和EUT（受試設備）干擾等。因為晶閘管導通時間為每一相的半個周期，如果變頻器的換流設備中包含容量較大的晶閘管，可能會使網絡電壓產生凹凸現象，最終位于變頻器輸入側的整流電路會產生較大的反向電壓而使設備發生故障。而當通過補償電容來對功率因數進行提高時，網絡電壓可能會在投入和切出電容補償的暫態過程中達到一個較高的峰值，過高的反向電壓會使變頻器的整流二極管被擊穿。

2.2 電磁干擾

隨著煤礦井下電氣裝置的增加，其空間中的電磁能量成分也在不斷增加。由于礦井電磁環境復雜，電子設備之間會互相影響，如何減少設備之間的電磁干擾對于它們的正常運行至關重要。電磁干擾是指任何可能導致設備和系統信號減少或性能損壞的電磁現象，甚至可能對器件和人身安全造成破壞性的影響。由于煤礦一般由若干條不同形狀的巷道組成，巷道空間小，濕度大，粉塵大，腐蝕性氣體和液體濃度高，礦井下的電磁環境十分復雜。礦用電纜懸掛在巷道的一側，電壓范圍廣。此外，大功率設備集中存放地點也會對通訊系統造成嚴重干擾，電磁干擾的強度會隨頻率的變化而變化。IGBT 裝置具有安裝簡單、散熱性能好以及開關頻率高等優點，但其動作過程中伴隨著電壓和電流的瞬時上升或下降的變化，會產生較高的du/dt和di/dt 的高頻脈沖。高頻脈沖與寄生參數作用之后，向外輻射電磁干擾。因此，針對礦井變頻器電磁干擾的分析，可以基于頻域展開。

2.3 信號干擾

變頻器有開閉環兩種控制方式，其閉環控制可以通過將輸出信息和輸入信息進行對比，再將運算結果反饋至系統并展開控制調節，以此實現控制系統輸入和反饋變化信息的動態調節，確保變頻器輸出結果可以最大精度接近設定值。變頻器閉環控制主要有轉差頻率控制、矢量控制（VC）方式、直接轉矩控制方式和矩陣式交-交控制方式等。為了彌補低速運轉時不易辨別的缺陷，通常選擇需要安裝旋轉編碼器的閉環控制，并且帶編碼器的閉環控制速度精度比其他控制方式精度更高，測量值更精確[11]。

但由于礦井環境存在粉塵大、濕度高、散熱慢和煙霧多等諸多不利條件，較精密設備如控制器、編碼器和傳感器的正常工作受到很大的影響，進而在一定程度上影響了變頻器的閉環控制系統的穩定安全運行。圍繞編碼器產生的信號干擾影響變頻器正常運行情況主要有以下幾種原因：

（1）元器件自身故障。因設備自身損壞，無法輸出正確波形。

（2）電源故障。編碼器的電壓不能低于DC4.75V，一般為DC5V，電源發生故障造成的電壓過高或過低問題，或電纜太長導致線阻太大進而影響電壓超過限值。

（3）位置故障。編碼器安裝時沒有與電機轉軸良好對中同心，運行時行間松動或門機振動，使采集到的信號誤差過大，最后使得輸出得到錯誤的波形。

（4）信號故障。這類故障通常發生的概率比以上三種情況更大，主要原因分為三種：電纜通信發生接觸不良的問題如短路和斷路等情況；屏蔽層由于沒有可靠接地而產生的干擾現象；光柵污染（主要大量存在于粉塵環境）。

3 干擾故障分析過程

3.1 波動信號預處理

由于變頻器與終端監控設備之間的通信連接反饋的信號中可能攜帶大量噪聲與干擾信息，信息采集時需要對反饋信號進行電壓波動消除處理[12]?？蓪⒋诉^程作為盲源信號的分離處理過程，在已知信號源與信號傳輸信道參數的基礎上，提取噪聲信號、觀測信號，將信號一并錄入觀測系統，完成對源信號的分離處理。在此基礎上，由于變頻器中直流母線的電壓為非恒定值，在運行過程中，電壓必須達到一定的過欠壓范圍才能實現對其運行的邏輯檢測。因此，通常設計的礦用變頻器過電壓應滿足10%、50%的欠壓容量，而采用固定閾值的檢測原理，則不能探測到電源輸出電壓的改變。為解決此方面的問題，在完成對電源信號的處理后，引進鏡像電流源檢測法，在直流母線電壓發生動態改變時，對電源輸出邏輯進行錯誤判斷，以此為依據，設計變頻器反饋信號電壓波動的消除處理。處理過程中，變頻器在作業過程中三極管射極電壓相同，根據基爾霍夫電流定律，可以計算輸入變頻器的電壓值：

式中表示變頻器的輸入電壓；表示反相器；表示射極電阻；表示直流母線電流值；表示功率單元輸出電阻值。為了實現對變頻器在作業過程中電壓波動的消除處理，其輸入電壓應當滿足條件如下公式所示：

表示調理電路參數；表示模塊輸出端電壓；表示采樣電位差值。在輸入電壓滿足上述條件后，通過反饋信號的盲源處理方式，提取源信號，即可完成對變頻器反饋信號電壓波動的消除處理。

3.2 基于小波變換的故障信號提取

雖然變頻器在不同的故障情況下輸出電壓信號波形也會不同，可以通過建立一一對應的映射關系對其進行詳細分析。但往往變頻器不同的故障時其輸出電壓差異并不大，甚至非常相似，難以對它們進行區分。傅里葉變換能夠將信號從時域變換到頻域，但是對于非平穩信號，傳統的傅里葉變換并不能對其精確的分析，短時傅里葉變換又有在頻率動態變化時不能隨之變化的缺陷。小波變換可以看作在短時傅里葉變換的基礎上，有著能夠適應信號動態變化的優點，所以本文計劃采用小波變換的方法對輸出信號進行提取，通過多種運算手段對信號進行多尺度的細化分解，可以提取得到比原始數據更明顯的差異信號。以三級分解為例，小波變換過程如圖 1 所示。

如式（3）所示小波變換原理依舊為原信號和基函數的乘積，且有兩個變量，即為原信號函數，a 指控制頻率變化（基函數的伸縮）的尺度，b 為實現基函數在時間軸上平移的平移量，由此小波分解變換能夠得到各種成分具體的時域位置。如圖1 所示為小波三級分解示意圖，S 為原信號函數，A1-A3 為信號分解得到的近似低頻分量，D1-D3 為高頻近似分量，每一層只針對低頻分量展開分解操作，則此原信號函數可等效為S=A3+D3+D2+D1。a 和b 均為連續變量，在實際計算時由于計算機只能對二進制數據進行處理，需要把a、b 變量離散化。規定變量a 和b 以指數形式增長，令a=a1k，b=ya1kb1(a1＞0，k 為整數)，可得小波變換離散化后基函數表達式為：

圖1 小波分解結構樹

圖2 小波分解變換流程圖

其又可稱之為離散小波變換，令任意原信號為平方可積函數f(t)=L2(R)，則此函數小波分解表達式為：

對應的能量值計算函數式為：

小波分解變頻器特征信號主要分為如下5 步：（1）導出變頻器的故障信號周期幅值數據。（2）選取一個周期的幅值數據將其低頻分量進行多層分析（以三層為例），得到四個頻帶的小波變換系數和函數關系S=A3+D3+D2+D1。（3）求解四個頻帶的能量信號：其中分別為三次小波分解后的四個頻帶，為其對應的能量信號。（4）計算得到的全部能量信號即可構成特征向量M 呈現了不同故障情況下分別對應的特征信號。（5）由于小波變化得到的能量信號可能會出現較大幅值使計算變得復雜，對故障診斷產生不利影響，所以需要對特征向量M 合并到一起歸一化處理組成新的向量，可選擇利用公式進行歸一化處理。整體而言小波分解的流程如圖 2 所示。

3.3 矩量法計算電磁干擾

矩量法基于麥克斯韋積分方程建立，通過將連續的矢量積分方程離散化，得到離散的標量代數方程[13]，使得電磁積分方程通過數值求解手段就可以得到數值解，又被稱為“源”的求解算法，具有計算精度高和對任意形狀三維目標適應性良好的優點。矩量法用于微分方程時所得到的代數方程組的系數矩陣往往是病態的，因此它主要用于求解積分方程。由于格林函數自動滿足輻射邊界條件，所以矩量法無需像微分方程法那樣必須設置吸收邊界條件，只需要離散幾何模型，無需離散空間，對于求解變頻器中復雜的電磁場邊界的問題可以靈活求解，比其他數值解法更有優勢。自提出以來，矩量法在電磁輻射、電磁散射、電磁兼容等方面得到了廣泛應用[14]。

矩量法求解過程中需要計算廣義矩量，基本過程主要包括以下三步：（1）離散化處理：將待求函數表示為算子定義域內一組線性無關的基函數的線性組合，然后依據算子的線性特性，將其轉化為代數方程。（2）取樣檢測處理：將算子的值域內一組線性無關的代數方程同權函數取內積并對其開展N 次抽樣檢驗，根據算子的線性性質和內積的性質，即可將抽檢得到的內積方程轉化得到矩陣方程。（3）矩陣求逆處理：通過矩陣求逆再與前式聯立，即可得到所求解。值得一提的是，矩陣規模的大小影響著矩量法內存的占用量，從而決定了計算的速度，所以加速矩量法計算的因素之一即為減少矩陣方程的存儲量。

待求量即由函數f 轉變為N 個未知量an，可得：

求解N 個未知量，需要建立N 個方程，因此采用插值的方法使N 個點完全滿足函數要想使誤差在全域上最小，而非僅僅在單點上完全滿足，選擇采用擬合的方法。引入檢驗函數在上式兩邊同時對作內積，這個內積即被稱為矩量，即在空間基函數上的分量。從而得到：

將未知量的式子(11)代入式(7)可求解得到函數f。完整的矩量法流程如圖3 所示。

圖3 矩量法求解電磁干擾信號流程圖

相較于其他算法，矩量法的求解具有較高的準確度，缺點是計算所需內存大。因此采用矩量法求解電磁場時，結果的準確度主要取決于對目標物體建模的精細程度、權函數和基函數的選擇以及阻抗元素的計算[15]，其計算量的大小取決于計算頻率以及幾何模型的尺寸大小。

4 變頻器故障預防和處理措施

（1）降低輸出脈沖電壓變化率。在正常工作時，變頻器電機匝間絕緣沖擊過電壓的變化值會隨著輸出脈沖電壓上升沿/下降沿時間的減小而增大，過電壓增加到超過一定限值時會加速設備的老化甚至造成設備的損壞。因此，增加變頻器輸出脈沖電壓的波形上升時間，防止沖擊電壓過大，極大地降低了變頻器需要承受的最大電壓，以此保證電機繞組的匝間電壓合理分布。

（2）加裝濾波器。將抗干擾濾波器串接在變頻器的輸入端口，避免干擾信號由電源線侵入設備；將脈沖電壓轉變近似正弦的電壓，并降低電壓的高頻諧波，也可以起到降低變頻器承受的過電壓的作用[16]，提高變頻器的使用壽命。

（3）增強設備的的散熱能力。變頻器正常運行時，因為其敏感性很容易受到周圍環境變化的影響，不僅其外部工作環境可能產生較高的溫度，變頻器內部的運行模塊也會產生較多的熱量，使變頻器無法在高溫環境下持續穩定運行。所以應充分考慮礦井下環境的溫度濕度是否有利于變頻器運行散熱等因素，采用高效率冷卻方式，避免變頻器運行時因溫度過高而引發故障。

（4）定期檢查。礦井特殊工況環境，控制模塊和通訊線路以及屏蔽層接地情況等都需要接受定期的檢查和及時的維護，避免出現通訊故障。

（5）單端接地。變頻器可靠接地即能防止變頻器向外輻射電磁波影響其他設備，又能避免外部環境的電磁波影響變頻器內部的情況。由于雙端接地可能有電壓壓差較大或其他不利于穩定的情況，可以選擇將變頻器的外殼良好單端接地。

（6）盡量縮短配線距離。電纜線到指定電路之間距離應當盡可能地縮短，同時需要與主回路的線路分開，這樣可以對干擾信號起到屏蔽的作用。當電纜的配電線和控制電路的長度不能減小時，可以選擇搭建隔離放大器的附加電路。

（7）RC 電路和線圈并聯。由于繼電器的接觸器觸點在開斷和閉合時會伴有浪涌電壓的產生，采用該方式可以對其進行限制。

（8）針對頻繁出現的電磁干擾，必要時可以采用的方法還有：光電耦合隔離、分開布局動力線和雙絞線、濾波噪聲利用軟硬件等方法進行抑制，提升其自身抗干擾能力。

5 結論

變頻器在煤礦產業的廣泛使用和持續改進不僅高效促進了井下作業時設備運行的安全性和可靠性，還大大節省了工業生產的能量損耗，降低了工廠的運作成本。由于其內部結構復雜，故障診斷研發技術還需要不斷進行完善，確保變頻器設備日常維護和檢修工作正常進行十分重要。本文主要分析了變頻器在工作時常見的兩種干擾故障——電磁干擾和信號干擾，首先對信息采集時的反饋信號進行了消除電壓波動的處理計算。然后著重根據小波變換分解方法分解多層故障信號，并去除每層的高頻分量系數，對相應的低頻信號系數進行提取，再求解出不同故障情況下的能量信號，即構成了完整的故障特征向量。接著根據矩量法進行了電磁干擾計算方法的討論，最后提出了幾種可以對干擾故障進行預防和維護的方法。通過對變頻器的常見干擾故障的了解和掌握，可以總結得到變頻器故障的實踐經驗和教訓，保障變頻器可靠穩定運行。在今后的礦用變頻器應用中，更要加強開展技術培訓和理論指導，不斷提升相關工作人員故障檢修和排查能力，為變頻器的安全穩定運行提供可靠的技術支持。要定時檢查，維護良好的井下環境，及時發現安全隱患問題，杜絕重大故障的發生，為保障煤炭可靠、有序、安全的開采提供堅實有力的基礎。