智能故障診斷技術在電力電子電路方面的應用

路新惠

（河南工業貿易職業學院 汽車工程學院，河南 鄭州 450000）

0 引 言

智能故障診斷對電力電子電路而言有重要作用，能保證電力電子電路的穩定和可靠運行，因此需及時發現和解決故障隱患，將故障可能造成的影響和損失降至最低。對于電力電子電路，如果發生故障，將對系統自身各類電氣設備均帶來很大的影響，進而產生實質問題，如設備損壞等，導致系統無法正常運行，停止生產，嚴重時還會產生安全問題或事故，存在一定程度的危險性，甚至釀成人員傷亡。在目前常見電力電子電路類型中，發生率最高的故障為晶閘管損壞，包括短路與開路。對此，為保證電力電子電路得以穩定可靠運行，充分發揮應有的作用和效果，有必要引入智能故障診斷。

1 電力電子電路

電力電子電路是指采用電力電子器件對工業電能實施變換及控制的電子電路。因電路中沒有旋轉元件和部件，所以還可將其稱作靜止式變流電路，與傳統意義上的存在旋轉元件和部件的變流電路不同，該電路主要由電動機與發電機兩部分構成。這兩種相比較，前者基本沒有磨損，而且噪聲很低，有很高的運行，容易實現自動控制及生產，基本無需建造專用地基。基于此，從20世紀60年代開始，該電路就開始逐步取代傳統的變流電路[1]。

因電力電子電路主要是對容量極大的工業電能進行處理，所以高效率和低損耗是它的核心目標。為有效減少或避免內耗，電路中的電力電子器件運行在開關狀態，基于此可將電路看作一種功率很大的開關電路[2]。按照具體的功能，可將電力電子電路分成以下幾種。一是整流電路，即能通過轉換使交流電變成直流電的電路，如圖1所示。二是逆變電路，即能通過轉換使直流電變成交流電的電路，如圖2所示。三是交流變換電路，主要包括交流調壓電路與變頻電路兩種，如圖3所示。四是直流變換電路，可以更改直流電流的方向及大小。

圖1 整流電路

圖2 逆變電路

圖3 交流變換電路

按照電能轉換次數可將電力電子電路分成基本變換電路和組合變換電路[3]。其中，基本變換電路只通過一次轉換就能完成電能變換，還可稱作直接變換電路，而組合變換電路是指通過多次轉換才能完成電能轉換，還可稱作間接變換電路。

按照組成電路的電力電子器件可將電力電子電路分成以下幾種。一是不控型變換電路，采用不控型器件，電路不對變換的電能進行控制，如圖4所示。二是半控型變換電路，采用半控型器件，僅可以在電路能對晶閘管進行關斷的情況下正常工作。三是全控型變換電路，采用自關斷器件，與半控型電路相比技術經濟指標較好，但實際的開關容量比半控型變換電路略低[4]。

圖4 不控型變換電路

按照具體的控制方式可將電力電子電路分成以下幾種。一是相控電路，其控制信號發生的變化主要表現為控制極脈沖相位發生變化。二是頻控電路，其信號發生的變化主要表現為控制極脈沖重復頻率發生變化。三是斬控電路，其控制信號發生的變化主要表現為控制極脈寬發生變化。四是組合控制電路，其是由以上3種不同控制方式組合構成的電路。

2 基于智能故障診斷的電力電子電路故障診斷模式

2.1 結構性故障

結構性故障主要由電力系統方面的問題引起，一般很難通過檢查發現，而且通常不會產生于控制電路。對電力電子電路而言，其電力系統主要由3個模塊組成。在電路中，以主電路為主要部分，電路核心為控制電路，這是故障發生率最高的部分。就當前的電路形式可知，輔助電路起到為電路提供輔助的作用，對電路沒有太大影響。基于此，在電路自身結構體系方面最容易產生結構性的故障，但在數字電路中也比較容易產生。對數字電路進行控制的系統主要在控制電路，特別是在電感和短路開路上，難免給整個電路造成很大影響。對此，在實際的故障診斷過程中應判斷正確診斷模式，在電路的電感部位進行智能斷路器的合理設置，以此保證實際的診斷效率[5]。

2.2 參數性故障

設備損壞產生的原因以電路微感軟件的實際運行不暢為主，特別是在數字電路當中，電路一般為自動化運行，一旦產生此類故障，將導致整個系統的運行陷入紊亂。在不同終端聯合作用下，難免產生參數性故障。對此，要想提高故障診斷過程及結果的智能化水平，需要從根本上提高診斷的自動化和智能化。對于智能斷路器，一方面能使電路安全運行，另一方面將監控和電路系統保護結合到一起，能有效保證整個系統運行的穩定性與可靠性。基于此，在故障診斷時應充分考慮實際情況，全面分析具體的診斷模式，使診斷得以有效提高與優化。

3 基于智能故障診斷的電力電子電路故障診斷具體方法

對電力電子電路而言，其儀表必須得到有效優化。由于儀表系統屬于智能化系統，所以相關技術人員應經常維護處理，避免系統產生故障或直接崩潰。在實際情況中大多采用的是DCS系統，該系統不僅有很高的可靠性，而且故障率很低，還有很強的自診斷及實時報警功能，對于重要儀表對應的控制回路進行冗余配置，能延長整個系統及設備的實際生命周期，比其他現場儀表設備要好很多。然而，要想使該系統得以良好運行，需做好定期維護，以此提高自動化水平，保證可靠性[6]。

以系統的儀表硬件實施維護，可提高其應用進程，特別是靈敏度可以得到很大提升，在儀表的實際應用過程中應保證科學性與合理性，準確把控使用周期，及時更換一些老化的儀表。此外還要保證參數測量結果的準確性與可靠性，保證儀表靈敏性，使儀表具有的檢測功能和修復功能都得以有效完善。

對電力電子電路進行的診斷主要包含信息檢測與故障診斷。其中，信息檢測是指利用合理有效的檢測技術與方法對故障產生時對應的所有信息予以提取，以此為故障的分析和診斷提供可靠依據。故障診斷是指以診斷出的各類信息為依據，分析并推理發生故障的具體部位，以此確定故障產生的主要原因[7]。

頻譜分析在故障診斷過程中屬于一種信號分析方式，常用頻譜為傅里葉譜與沃爾什譜。通過頻譜分析能有效減小信號再生，為信息的提取創造方便。在產生故障信號之后，相應信號的波形將無法反映出故障特征，對工作人員的故障判斷造成影響。然而，在不同的電力電子電路中，其故障信息通常存在一定規律，而且還有周期性。基于此，可通過傅里葉變換使故障變形，從時域變成頻域，實現對故障信息的凸顯，進而完成故障診斷。事實上，無論是傅里葉譜還是沃爾什譜均屬于對周期函數進行的分解，但前者是將周期函數分解為頻率不同的正弦分量，而后者則將周期函數分解成沃爾什函數分量，以上兩種方法的工作原理基本相同[8]。

對數字信號處理而言，目前最常用的為自適應濾波。該處理方法十分簡單且直接，對工作人員沒有太高的要求，可直接利用現有的資料來分析，再通過運算對濾波器各項參數予以更改。通過這樣的方式，濾波器的實際輸出將對信號特征發生的變化予以自動跟蹤。對自適應處理而言，其最大的優勢在于可以在噪聲背景中提取故障信息具有的特征，進而為相關人員對故障的診斷提供可靠參考依據。從測量方法角度講，可以分成檢測濾波器、狀態估計以及參數辨識幾種，現在常用的為前兩種。第一種方法較為簡單，僅需工作人員將故障實際輸出方向固定于特定方向上即可，該方法有很強的可操作性，且作用效果顯著[9]。而第二種方法則沒有第一種直接，需要對系統狀態發生的變化予以監測，在實際的故障診斷過程中利用觀測器對系統實際輸出進行觀測，以得出系統輸出對應的估計值。該估計值與實際輸出之間存在一定偏差，該偏差就是量測殘差。在該量測殘差中存在很多系統內部變化對應的信息，相關工作人員可根據這些信息對故障信息予以判斷。盡管這種方法耗時較長，但其計算量相對較小，且診斷速度很快，有很高的準確率。除以上幾種方法外，還存在一種以人工神經網絡為基礎的故障診斷方法，該方法將人工神經網絡作為核心，通過自主學習明確故障信號和類型之間的關系，其科學性很高，且速度很快，準確率高[10]。

除以上幾種方法外，還可采用粗糙集的方法，該方法主要建立在分類不發生變化的基礎上，通過知識約簡化對概念分類予以推導，其主要特點為可分析并處理精確度和完整性均不高的信息，可以在其中找出隱含的信息，并根據這些信息揭露出其中的規律性。然而，因該方法是從精確與完整性均較差的信息中對診斷規則進行推導，所以難免產生一定誤差，在實際工作中采用這種方法時需要對其高度重視。

4 結 論

在工業快速發展的時期中，電力電子電路具有的功能得以進一步發揮，為了使電路發揮出應有的作用功能，有必要引入智能故障診斷技術，以此及時發現和處理電路中的各類故障，將故障發生后可能造成的損失降至最低。在應用智能故障診斷的過程中需要對儀表實施必要的優化，并根據電路的實際情況采用恰當的方法來處理電路問題，使電力系統得以全面且有效的優化，進而使智能故障診斷實際應用價值得以體現。