淺談電力電子電路故障診斷基本概念和方法_1

1、    淺談電力電子電路故障診斷基本概念和方法    高福華高向【摘 要】故障診斷是一門綜合性技術，它涉及現(xiàn)代控制論、信號處理與模式識別、計算機科學、人工智能、電子技術、統(tǒng)計數(shù)學等學科?，F(xiàn)代故障診斷技術已有30多年的發(fā)展歷史，但作為一門綜合性的新學科故障診斷學?！娟P鍵詞】電路；故障；診斷1.電力電子電路故障診斷特點電力電子電路的實際運行表明，大多數(shù)故障表現(xiàn)為功率開關器件的損壞，即晶閘管的損壞，其中以功率開關器件的開路和直通最為常見，屬于硬故障。但是，電力電子電路的故障診斷與一般的模擬電路、數(shù)字電路的故障診斷還有一個重要的差別：故障信息僅存在于發(fā)生故障到停

2、電之前的數(shù)毫秒到數(shù)十毫秒之間，因此，需要實時監(jiān)視、在線診斷。1.1電力電子電路故障診斷的目的電力電子設備一旦發(fā)生故障，小則造成電器產(chǎn)品損壞、交通阻塞、工礦企業(yè)停產(chǎn)，大則會威脅人民生命、財產(chǎn)安全，甚至造成重大的人員傷亡或災難事故，影響國民經(jīng)濟的正常運行。所以，對電力電子設備進行故障檢測和診斷顯得日趨重要。長期以來，人們采取兩種維修對策：（1）等設備壞了再進行維修，稱為事后維修。這種辦法的問題是經(jīng)濟損失很大。（2）定期檢修設備，稱為預防維修。這種方法有一定的計劃性和預防性，但其缺點是如無故障，則經(jīng)濟損失較大。電力電子設備由很多部分組成，包括電力電子主電路、電動機、發(fā)電機和各種應用電路。對電力電子設

3、備進行故障診斷就是要對所有的這些電路進行故障檢測和診斷。電力電子電路是整個電力電子設備中最關鍵的部分，對其的故障檢測和診斷就顯得尤其重要。1.2電力電子故障診斷的作用（1）實現(xiàn)早期預報，防止事故發(fā)生。（2）預知性維修，提高設備管理水平。（3）方便檢修，縮短了維修時間，提高設備利用率。（4）對提高設備的設計制造水平，改善產(chǎn)品質(zhì)量有指導意義。2.電力電子電路故障診斷方法電力電子電路故障診斷技術包括兩方面的內(nèi)容：（1）故障信息的檢測：以一定的檢測技術，獲取故障發(fā)生時的所需故障信息，供故障分析，推理用；（2）故障的診斷：依據(jù)檢測的故障信息，運用合適的故障診斷方法，對故障進行分析、推理，找出故障發(fā)生的原

4、因并定位故障發(fā)生部位。傳統(tǒng)的故障診斷方法在電力電子電路故障診斷中也得到的廣泛應用，如故障字典法、故障樹、專家系統(tǒng)等。2.1故障字典法把一組典型的測量特征值和故障值以一定的表格形式存放，通過比較測量值和特征值，判斷故障。先用計算機對電路正常狀態(tài)和所有硬故障狀態(tài)模擬，建立故障字典。然后對端口測試進行分析，以識別故障，即將選定節(jié)點上測出的電壓與故障字典中電壓比較，運用某些隔離算法查出對應故障。故障字典法對于模擬電路和數(shù)字電路故障診斷具有很大的實用價值，但字典法只能解決單故障診斷，多故障的組合數(shù)大，在實際中很難實現(xiàn)。2.2故障樹法故障樹診斷法就是對可能造成系統(tǒng)失效的各種因素（包括硬件、軟件、環(huán)境、人為

5、因素）進行分析，畫出邏輯框圖，即故障樹，從故障樹的頂事件進行搜索從而找出故障原因的方法。故障樹表達了系統(tǒng)內(nèi)在聯(lián)系，并指出元部件故障與系統(tǒng)之間的邏輯關系。故障樹診斷直觀、靈活、通用，但建樹工作量大，繁瑣易錯，對診斷故障空間較小的問題比較合適。2.3殘差法殘差法是一種基于解析模型的故障診斷方法。即通過研究實際系統(tǒng)與參考模型特征輸出量間的殘差來進行電力電子裝置主電路在線故障診斷和故障定位的過程。該方法同樣適用于逆變器主電路的故障診斷，參考模型法用于電力電子電路的故障診斷具有檢測量少、判據(jù)簡單且與輸出大小無關的特點。特別是在復雜電力電子電路的故障診斷中該法的優(yōu)勢更加明顯。2.4直接檢測功率器件兩端電壓

6、或橋臂電流的方法通過檢測各功率器件兩端的電壓，或檢測各橋臂電流，得到功率器件的工作方式，再與觸發(fā)脈沖進行時序邏輯比較，從而判斷被診斷對象是否故障，此方法需要檢測每個被診斷器件的電壓和電流，所需測點較多，需要專門的檢測電路和邏輯電路。該方法還可以通過測量電路的輸入輸出來實現(xiàn)故障診斷。正常工作時，電路的輸入輸出在一定的范圍內(nèi)變動，當超出此范圍時，可認為故障已經(jīng)發(fā)生。另外，還可以測量輸入輸出變量的變化率是否超出范圍來判斷是否發(fā)生故障。該方法雖然簡單，但抗干擾性差。2.5專家系統(tǒng)診斷的方法專家系統(tǒng)就是利用計算機推理能力和領域?qū)＜业呢S富經(jīng)驗，以及系統(tǒng)內(nèi)部因果關系和人工智能的機器學習功能，設計出的一種智能

7、計算機程序系統(tǒng)，解決復雜的系統(tǒng)故障診斷問題。專家系統(tǒng)對經(jīng)驗性的診斷知識進行形式化描述，突破個人局限廣為傳播，有利于存儲和推廣專家的經(jīng)驗，發(fā)揮專門人才作用，開辟了綜合利用專家知識的新途徑，比人類專家更可靠、靈活，不受環(huán)境影響。專家系統(tǒng)的知識結(jié)構(gòu)中知識庫與推理控制相對獨立，可重寫增刪，可以結(jié)合其它診斷方法，構(gòu)成知識結(jié)構(gòu)的應用程序，擁有人機聯(lián)診功能，充分發(fā)揮了現(xiàn)場技術人員的主觀能動性，并能逐步積累經(jīng)驗日趨完善，因此是很有生命力的故障診斷法。專家系統(tǒng)診斷的基本思想是：先通過實驗或仿真建立起一個可靠的知識庫，該知識庫包含了電路的環(huán)境知識、系統(tǒng)知識和一個規(guī)則庫，其中知識庫反映了系統(tǒng)的因果關系，具體到故障診

8、斷系統(tǒng)中就是系統(tǒng)變量和故障類型、故障點之間的因果關系：然后通過人機接口得到實際運行中的特征變量值；將它應用到規(guī)則庫進行推理，就得到了電路的基本工作狀態(tài)和故障信息。該方法的缺點是知識庫建立困難，特別是知識庫龐大時更是如此。傳統(tǒng)的故障診斷專家系統(tǒng)，大多是基于規(guī)則的專家系統(tǒng)，它將領域知識編成一系列產(chǎn)生式規(guī)則（表示形式為if，then）。這種專家系統(tǒng)可以解決許多系統(tǒng)的故障診斷問題，但是由于對復雜的系統(tǒng)要利用大量的產(chǎn)生式規(guī)則（這種規(guī)則主要依賴人工編寫），因而故障診斷專家系統(tǒng)運行很慢，很難適應實時環(huán)境的要求；另外，當遇到未見過的新故障或新信息時，如此建立的專家故障診斷系統(tǒng)往往不能正確處理，會因推理能力弱而出現(xiàn)“匹配沖突”、“組合爆炸”及“無窮遞歸”等問題。要解決這些問題，除非不斷進行規(guī)則更新，可是新規(guī)則與原有規(guī)則很有可能相互牽連，這必然導致在規(guī)則添加和刪除時遇到難以處理的困難。總之，專家診斷系統(tǒng)存在知識獲取“瓶頸”問題、難以維護、應用面窄以及診斷能力弱和不適應模