基于智能的電力電子電路故障診斷

黃貴松

【摘要】：隨著電力電子技術的迅猛發展，電力電子裝置的應用日益廣泛，其故障問題也越來越突出。且電力電子裝置通常在工程系統中起著很重要的作用，一旦發生故障而不能及時得到診斷和恢復的話，就會導致停機而造成人員傷亡，帶來巨大的經濟損失。因此進行基于智能的電力電子電路故障診斷理論和方法的研究，具有現實和經濟意義。

【關鍵詞】：人工智能；電力電子電路；故障診斷

【引言】：國、內外經常采用的電力電子故障診斷方法如故障字典法只能解決單故障，故障樹法建樹工作量大，易發生錯誤，直接檢測法硬件電路難于實現、投資大，殘差法需要建立精確的數學模型，專家系統法存在知識獲取“瓶頸”這些方法由于自身的局限性都限制了應用。基于智能的故障診斷方法由于良好的非線性映射特性和自學習能力，很好地適應了這一趨勢，成為了故障診斷領域的研究熱點。

1. 電力電子設備中電路的主要故障模式

電力電子設備的電路故障主要分為結構性故障和參數性故障兩種。電力電子 電路的結構性故障主要指電路中的電容、電阻、電感與各種開關等電路器件的短 路與開路， 由于功率器件的損壞而導致電力電子設備的主電路的結構發生改變是 這一故障最為主要的表現形式。而電力電子電路的參數性故障主要是指電阻、電 感、 電容等器件參數由于發生了偏移或者開關的性能較為劣化，而導致了電力電 子設備的電路裝置特性與它的正常特性產生了嚴重的偏離[1]。對于電力電子設備經過一段過程與時間運行，會產生各種各樣的故障，電導致設備停止運行影響生產，嚴重的甚至會造成人身、設備事故。其故障大致可分為兩大類：（1）具有外特征直觀性的故障，如電動機、電氣明顯發熱，冒煙，散發焦臭往往是電動機，電氣繞組過載，線圈絕緣下降或擊穿損壞，機械阻力過大或機械卡死，短路或接地所致。（2）沒有外特征的隱性故障。這類故障時檢修的難點，也是主要故障，其主要問題在電氣線路或電氣元件本身。如電氣元件調整不當、損壞或電氣元件與機械操作桿配合不當（如磨損）、松動錯位，電氣元件機械部分動作失靈，觸點及壓接線頭接粗不良或松脫，導線絕緣磨破，元件參數設置不當或元件選擇不當等原因所致。

2. 電力電子電路故障診斷的難點

由于電力電子產業發展較快，電力電子設備的內部構造越來越復雜，這造成 了對電力電子設備的電路故障難以進行診斷的現狀。 再加上對電路的在線診斷本 身就具有較高的要求， 而且測試激勵不好選用，使得對電力電子電路故障的診斷 難上加難。 首先， 電力電子設備的電路存在著非線性故障診斷問題。由于電力電子設備 的非線性電路較強，所以很難對其建立起精確的數學模型。 其次， 常用的電力電子電路測試節點只負責輸出負載電壓，而僅靠設備的輸 出電壓難以對電路故障做出具體的診斷或是根本不能診斷。 而如果增加電力電子 電路的測試節點又會提高電路的復雜性，并對負載輸出的電壓產生交叉影響，進 一步加大了故障診斷的難度[2]。 第三， 由于電力電子電路的故障診斷信息只在故障發生后與停電前的幾十毫 秒內存在， 因此對其需要進行在線診斷與動態監聽。而要完成電路的在線診斷就 需要在原有的設備基礎上再增加新的部件，而這往往會導致企業成本的大幅上 升。 由于這些難點的存在，使得電子電力電路設備的診斷變得十分困難而復雜。 三、智能技術在電力電子電路故障診斷中的應用 從世界上第一支晶閘管出現開始， 電力電子技術已經走過了將近五十年的發 展歷程。由于現在的電力電子電路故障診斷技術中存在著許多亟待解決的難題， 為電力電子產業的進一步發展帶來了十分不利的影響。 而將人工智能技術引入到 對電力電子電路故障診斷中來已經成為了必然的發展趨勢。

3. 智能技術在電力電子電路故障診斷中的應用

將人工智能技術引入到電力電子電路故障診斷中已經成為未來發展的必然趨勢。具體應用如下：

3.1模擬安全的電路環境

電力電子電路智能診斷技術隨著科學技術的發展得到了極大的進步，越來越多的問題被解決。電力電子產品的功能的增多和性能的提升，導致電力電子電路面臨著超負荷的工作狀態。在這種情況下，為了保證電力電子電路的安全、穩定的運行，利用先進的手段對電力電子電路進行事先模擬。在模擬的過程中，綜合分析影響電力的因素，對經過電路的各項指標進行科學的計算分析，預防在實際過程中出現的故障，確保電路的安全運行。通過電路模擬可以有效的減小故障出現的概率，保證電力電子產品的使用安全。

3.2建立完整可靠的信息庫

完整可靠的信息庫是對故障進行診斷的依據。在進行電力電子電路智能診斷中，收集電路的信息和故障的原因及故障易發點，錄入信息庫中。信息庫的信息具有兩部分，一是動態，包括監測與診斷過程中得出的結論；二是靜態，包括電路運行時各種參數的具體數值。一個完整可靠的信息庫需要全面覆蓋電力電子電路的各種參數、易發故障的信息。當故障發生時，通過與信息庫的比較，可以精確、快速的判斷出故障的原因，提高工作效率。

3.3診斷輸電線路故障

電力電子產品在使用過程，最容易出現的問題就是電路故障。人們生活水平的提高使得人們對電力電子產品的需求越來越高，功能要求越來越大眾化。在這樣的背景下，電力電子電路在換向的時候會產生一定的能量，當能量超出電路的最大承受限度時，電路很有可能就會出現故障，無法安全運行。

3.4診斷主電路故障

電力電子電路的可靠性在電力電子產品的使用中至關重要，直接影響到電力電子產品的使用。在智能診斷技術中，對主電路的診斷主要使用晶閘管三相橋式變流器的技術。在晶閘管三相橋式變流器中，當電壓經過時會觸發脈沖控制器從而實現對電路電壓的控制。此外，還可以通過計算得出變流器的輸出電壓，再根據電壓量實現對主電路的檢測。

結束語

電力電子電路的故障診斷理論發展了近五十年， 但是在如今的電路故障診斷 領域還是存在著對強非線性電路與容差電路故障診斷的很多問題。 而人工智能對電力電子電路故障診斷具有非線性并行性與容差性的特點， 因此能夠很 好的解決原本的電力電子電路故障診斷中存在的問題。 這對進一步推動電力電子 產業的發展具有重大的意義。

【參考文獻】：

[1] 錢照明，張軍明.我國電力電子與電力傳動面臨的挑戰與機遇[J].電工技術 學報，2013，19（08）：101-122.

[2] 張志學， 馬皓.電力電子電路拓撲向量的尋求[J].中國電機工程學報，2006， 26（20）：157-163.