H橋逆變器電解電容參數(shù)性故障特征提取

1、H橋逆變器電解電容參數(shù)性故障特征提取目前，在石油、鋼鐵、冶金、化工等行業(yè)中，級(jí)聯(lián)式變頻 器廣泛地應(yīng)用于驅(qū)動(dòng)風(fēng)機(jī)、泵類及各種大型機(jī)械，已成為現(xiàn) 代社會(huì)節(jié)能、提高生產(chǎn)自動(dòng)化水平、改造傳統(tǒng)工業(yè)、推動(dòng)技 術(shù)進(jìn)步的主要手段之一 。級(jí)聯(lián)式變頻器每相由多個(gè)低 壓H橋逆變器串聯(lián)組成，各H橋逆變器由一個(gè)副邊多繞 組的移相變壓器供電。級(jí)聯(lián)式變頻器相對(duì)于傳統(tǒng)的兩電平 變頻器，主電路的功率器件增多了，因此其故障的可能性也 大大增加，故障問(wèn)題也會(huì)越來(lái)越明顯 。級(jí)聯(lián)式變頻器電解 電容老化故障對(duì)變頻器的輸出電壓、電流影響很小，因而 不容易被發(fā)現(xiàn)。若不能及時(shí)的診斷出該隱性故障，將會(huì)形 成很大的故障隱患，給安全生產(chǎn)帶來(lái)威脅 。

2、然而，目前對(duì) 于級(jí)聯(lián)式變頻器的H橋逆變器電解電容老化故障診斷的 研究比較少，大多數(shù)是針對(duì)主電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu) 、控制策 略 以及基于智能算法的故障診斷等研究，而對(duì)元 器件劣化（如電解電容老化）情況下的故障特征研究很 少 ，因此迫切需要提出級(jí)聯(lián)式變頻器性能劣化情況下 故障特征提取方法，并獲取其故障特征。級(jí)聯(lián)式變頻器中的 H橋逆變器都配有濾波電解電容其功能主要是支撐功率單 元母線電壓及吸收逆變器的電壓紋波。為了將母線電壓紋波 控制在一定范圍內(nèi)，電解電容的容量下限都有一定要求。電 解電容長(zhǎng)期在高溫或大的紋波電流環(huán)境下工作，會(huì)導(dǎo)致電容里面的電解液會(huì)緩慢泄露 或紋波電流超過(guò)電解電容的額定紋波電流，最終導(dǎo)致電解

3、 電容老化，容量變小，從而影響變頻器的性能指標(biāo)。本文針 對(duì)H橋逆變器的電解電容的老化故障特征提取問(wèn)題，分析 了傳統(tǒng)基波等效分析法的不足，提出基于小波包頻帶能量 法的母線電壓信號(hào)分析方法，獲取頻帶能量分布圖，準(zhǔn)確提 取出H橋逆變器電解電容老化故障情況下的故障特征。H橋逆變器的建模本文以6kV級(jí)聯(lián)式變頻器為研究對(duì)象，它有15個(gè)H 橋逆變器功率單元組成，每相由5個(gè)額定電壓為6 9 0 V 的低壓H橋逆變器功率單元串聯(lián)組成。每個(gè)功率單元承受 系統(tǒng)1 5的輸出相電壓和全部的輸出相電流，而功率單 元的設(shè)計(jì)功率是1/15的輸出總功率，圖1為A相一 個(gè)H橋逆變器功率單元原理圖。電解電容器在工作過(guò)程中，會(huì)緩慢地

4、發(fā)生介電擊穿現(xiàn)象，電流會(huì)由電容器的一端經(jīng)過(guò)其絕緣層流向電容器的另 一端。介電擊穿的結(jié)果往往是災(zāi)難性的，會(huì)導(dǎo)致短路或者 開路故障。電解電容器本身存在許多非理想特性，可以通 過(guò)附加寄生元件來(lái)表征，如圖2所示是電解電容器的等效 電路模型。ESR為其等效串聯(lián)電阻，C為等效串聯(lián)電容，ESL為等效串聯(lián)電感，EPR為電容器等效并聯(lián)電阻。 由于 在實(shí)際情況中，這些特征參數(shù)的影響不容忽略，所以仿真時(shí) 均考慮在內(nèi)。H橋逆變器電解電容故障特征提取方法3.1 基波等效分析法 傳統(tǒng)的基波等效分析法，是在假定電解電容能吸收大 部分的電流紋波的條件下，只考慮H橋逆變器輸出電壓和 輸出電流的基波成分，分析基波成分對(duì)特征參數(shù)紋

5、波電壓 的影響。本文假設(shè)分析時(shí)的調(diào)制比為 M,3 0為輸出電流角頻率，屮為功率因數(shù)角。根據(jù)圖1所示，H橋逆變器的輸入電流可以表示為：H橋逆變器的開關(guān)函數(shù)S1 . S 2的表達(dá) 式為：由紋波電壓值的計(jì)算公式（7 ）可知，傳統(tǒng)基波等效分析法只是從基波成分來(lái)分析，通過(guò)電容老化程度推斷出紋波 電壓的變化程度，以此提取電容老化的故障特征。但是，此 方法忽略了諧波的影響，以及實(shí)際情況中ESR的值隨著 電容老化程度的增大而增大的現(xiàn)象。在信號(hào)擾動(dòng)比較大的情 況下，誤差會(huì)較大，可靠性不高。3.2 基于小波包頻帶能量的故障特征提取方法 小波包分析是一種精細(xì)的信號(hào)分析方法，對(duì)頻帶進(jìn)行 多層次劃分，而且能夠根據(jù)信號(hào)的

6、特征，自適應(yīng)的選擇相應(yīng) 頻帶，以此與信號(hào)頻譜匹配，具有較高的時(shí)頻分辨率，對(duì)信 號(hào)具有更強(qiáng)的分析能力。小波包頻帶能量法就是以頻帶能 量為元素構(gòu)造其特征向量，做出頻帶能量圖，直觀的反應(yīng)信 號(hào)的故障特征。當(dāng)H橋逆變器的電解電容發(fā)生老化故障時(shí)，母線電壓信號(hào)會(huì)有較大的變化。母線電壓信號(hào)的各頻帶能量有著豐 富的特征故障信息，頻帶能量的變化就代表了一種故障特 征。由于紋波電壓信號(hào)中直流分量很大，為了突出故障特 征，對(duì)信號(hào)進(jìn)行小波包分解前，需要濾除直流分量。故障特 征提取步驟如下。）信號(hào)預(yù)處理。首先對(duì)母線電壓采樣信號(hào)進(jìn)行處理， 濾除直流分量。)進(jìn)行小波包分解，并求取各頻帶信號(hào)的能量。本文采用4層小波包分解，為

7、第i層的第j個(gè)節(jié)點(diǎn)， 其中 i=0,l,2,3,4；j=0,l,2 , 3 ,，15。設(shè) S4j ( j =0 , 1 , 3 ,-,15 )對(duì)應(yīng)的能量為E 4 j ( j =0 ,1 ,2 ,3 ,15 ),則有：)構(gòu)造頻帶特征向量。當(dāng)H橋逆變器電解電容發(fā)生 老化故障時(shí),會(huì)對(duì)各頻帶內(nèi)的信號(hào)能量有影響,在此,以頻 帶能量為元素可以構(gòu)造特征向量。特征向量T構(gòu)造如下：為了在應(yīng)用上通用方便化,采取歸一化相對(duì)能量檢測(cè), 對(duì)特征向量進(jìn)行能量歸一化處理,即：根據(jù)特征向量 T 可以作出各個(gè)頻帶分解信號(hào)相對(duì)能量的直方圖,該直方圖稱為頻帶能量圖。電解電容參數(shù)性故障仿真與分析本文利用MATLAB / Simuli

8、nk 搭建了一 個(gè)H橋逆變器功率單元仿真平臺(tái)，主要由三相交流電壓源、 變壓器、三相不可控整流橋、直流母線濾波電解電容、H橋 逆變器、RL負(fù)載等部分組成。三相交流電壓源的額定輸 入線電壓為720V ，等效串聯(lián)電阻ES R初始值為 0.5Q ，變化范圍為0. 52Q 。 RL負(fù)載的電阻 值為15Q，電感值為2 0mH o 通過(guò)改變?yōu)V波電容容量大小來(lái)模擬電容老化故障，電容的 額定初始值是5. 21mF 。為了提取電容老化的故障特 征，驗(yàn)證小波包頻帶能量法在提取 H 橋逆變器電容老化故 障特征的有效性，分別取電容正常( 5.21mF )和老 化程度為10%(4. 68mF )，20%( 4.17mF

9、)，3 0%(3 65m F)等組數(shù)據(jù)。采樣頻率取20 0 0 Hz ，選取的小波基為db4，小波包分解層數(shù)為4層，共16 個(gè)頻帶，分別取電容正常 和不同老化程度下的第 18 個(gè)特征頻帶的頻帶能量，即 E 40E 47,得到其頻帶能量值如表1所示。第9 16個(gè)特征頻帶的頻帶能量，即E 48 - E 415 ,主要是干擾信息，這里不再 列出。同時(shí)，根據(jù)第18個(gè)特征頻帶的能量值，作出其 頻帶能量圖 如圖3所示。根據(jù)表1可知，正常情況下紋波電壓的主要頻率成分集中在特征頻帶1 、2和4上，即06 2.5Hz、62.5125Hz和187 .52 5 0 Hz ，其中頻帶2所占的 比 重 最 大 即 為3

10、4.25，其次頻帶 1 所占比重為15.37。隨著電容老化 程度的增大，頻帶2和頻帶4能量值也逐漸增大。以電容 老化程度 30為例，頻帶 2 的能量值 E 41 從 0.3 425逐漸增大到0.7134 ，為正常情況下的2.0 8倍，頻帶4的能量值E43增大到原來(lái)的3.21倍，而 其余的頻帶相對(duì)能量值變化不大。由此可見(jiàn)，通過(guò)提取紋波 電壓信號(hào)的頻帶能量，以頻帶2和4的能量作為電解電容老 化故障特征，可以準(zhǔn)確診斷出 H 橋逆變器電容老化故障， 該方法比傳統(tǒng)的基波等效分析法可靠性高。圖 3 電容正常和不同老化程度下的頻帶能量圖針對(duì)H橋逆變器電解電容老化故障特征提取問(wèn)題，通過(guò)仿真分析，驗(yàn)證了小波包頻帶能量法在