基于電力電子技術(shù)的電氣設(shè)備故障診斷研究

李永寧,張 弛,江茗宇

(山東玻纖集團(tuán)股份有限公司,山東 臨沂 276400)

電力電子系統(tǒng)由電力系統(tǒng)、電氣設(shè)備及能源轉(zhuǎn)換系統(tǒng)等組成,通過電力電子設(shè)備對(duì)電能進(jìn)行高效、靈活的轉(zhuǎn)換及控制,從而實(shí)現(xiàn)電力系統(tǒng)的優(yōu)化運(yùn)行及電氣設(shè)備的高效利用,但由于種種因素可能會(huì)出現(xiàn)不同類型的故障,不僅影響設(shè)備的正常運(yùn)行,還會(huì)威脅電力系統(tǒng)的穩(wěn)定安全。

1 電力電子技術(shù)

1.1 基本原理

電力電子技術(shù)的基本原理為電力電子元件工作原理[1]。如圖1所示,電力電子系統(tǒng)主要由主電路、驅(qū)動(dòng)放大電路、控制電路及保護(hù)電路組成。主電路是電力電子系統(tǒng)的核心,包括晶閘管、二極管、場效應(yīng)管、IGBT等電力電子元件,這些元件可實(shí)現(xiàn)各種電路控制及運(yùn)算,是電力電子技術(shù)的基本執(zhí)行元件。晶閘管是一種具有開關(guān)功能的電子元件,利用控制電壓控制其導(dǎo)通及封鎖。二極管利用P型與N型半導(dǎo)體石墨組成PN結(jié),實(shí)現(xiàn)電流的單向?qū)?。場效?yīng)管由半導(dǎo)體材料制成,通過調(diào)節(jié)柵極電壓控制其導(dǎo)通及截止。IGBT是一種高效能的半導(dǎo)體元件,融合了MOSFET與BJT兩種元件的優(yōu)點(diǎn),可通過柵極電壓快速開關(guān)大電流[2]。驅(qū)動(dòng)放大電路用于驅(qū)動(dòng)主電路中的電力電子元件,可提供足夠的驅(qū)動(dòng)電力,令電力電子元件能夠正常工作?？刂齐娐肥请娏﹄娮酉到y(tǒng)的大腦,根據(jù)外部指令或系統(tǒng)狀態(tài),通過處理與計(jì)算生成對(duì)應(yīng)的控制信號(hào)控制主電路中電力電子元件的運(yùn)行狀態(tài),以實(shí)現(xiàn)對(duì)電能的精確轉(zhuǎn)換及控制。保護(hù)電路是電力電子系統(tǒng)的保護(hù)者,負(fù)責(zé)監(jiān)測電力電子系統(tǒng)的運(yùn)行狀態(tài),一旦發(fā)現(xiàn)系統(tǒng)出現(xiàn)異常,如過溫、過壓、過流等,會(huì)立即采取保護(hù)措施,防止電力電子系統(tǒng)因故障而損壞[3]。

圖1 電力電子系統(tǒng)的構(gòu)成Fig.1 System structure of power electronics

1.2 電力電子設(shè)備的組成

電力電子設(shè)備的組成包括電源模塊、控制模塊、電力電子元件及散熱系統(tǒng)等。電源模塊是電力電子設(shè)備的能量來源,負(fù)責(zé)將輸入的電能轉(zhuǎn)化為設(shè)備所需的電壓及電流。通常涉及電壓的升降轉(zhuǎn)換、頻率變換及電源質(zhì)量的優(yōu)化等[4]?？刂颇K是電力電子設(shè)備的大腦,負(fù)責(zé)接收和處理輸入的信號(hào),根據(jù)這些信號(hào)控制電力電子元件的工作狀態(tài),以實(shí)現(xiàn)對(duì)電能的精確轉(zhuǎn)換及控制?？刂颇K包括信號(hào)處理器、微處理器或數(shù)字信號(hào)處理器等。電力電子元件是實(shí)現(xiàn)電能轉(zhuǎn)換及控制的關(guān)鍵部件,包括二極管、晶閘管、場效應(yīng)管、IGBT等,在電路中起到開關(guān)、整流、調(diào)制等作用,是電力電子設(shè)備中不可或缺的部分[5]。

2 電氣設(shè)備故障診斷

電氣設(shè)備故障診斷是一項(xiàng)復(fù)雜的技術(shù)過程,涉及故障檢測、故障定位、故障分析及故障修復(fù)4個(gè)步驟,如圖2所示。故障檢測。對(duì)電氣設(shè)備進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測,發(fā)現(xiàn)設(shè)備異常情況后,判斷設(shè)備是否出現(xiàn)故障。故障定位。一旦發(fā)現(xiàn)設(shè)備出現(xiàn)故障,要確定故障的具體位置,通常需要依賴設(shè)備的運(yùn)行數(shù)據(jù)及故障信息。故障分析。確定故障位置后,對(duì)故障進(jìn)行深入分析,找出故障原因,通常涉及電力電子技術(shù)、電路理論、控制理論等方面的知識(shí)。故障修復(fù)。找出故障原因后,采取相應(yīng)的措施進(jìn)行故障修復(fù),恢復(fù)設(shè)備運(yùn)行。

圖2 故障診斷流程Fig.2 Fault diagnosis process

3 實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

3.1 實(shí)驗(yàn)方法

實(shí)驗(yàn)方法主要采用數(shù)據(jù)收集、故障模擬及機(jī)器學(xué)習(xí)模型訓(xùn)練。

數(shù)據(jù)收集。在商用交流變頻器正常運(yùn)行過程中,利用數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)收集設(shè)備的實(shí)時(shí)參數(shù),包括輸入/輸出電壓、電流、開關(guān)頻率及功率因數(shù)等,用于后續(xù)的故障模型建立及故障診斷。

故障模擬。數(shù)據(jù)收集結(jié)束后,人為地改變?cè)O(shè)備工作狀態(tài),模擬各種可能的故障情況,如改變供電電壓,模擬IGBT過壓故障。改變?cè)O(shè)備負(fù)載,模擬電流過流故障。關(guān)閉冷卻系統(tǒng),模擬冷卻系統(tǒng)故障。在模擬故障期間繼續(xù)收集設(shè)備參數(shù)數(shù)據(jù)。

機(jī)器學(xué)習(xí)模型訓(xùn)練。利用收集到的正常及故障數(shù)據(jù),訓(xùn)練一個(gè)用于故障診斷的機(jī)器學(xué)習(xí)模型。選擇決策樹模型,訓(xùn)練過程中將80%的數(shù)據(jù)用于模型訓(xùn)練,剩余20%的數(shù)據(jù)用于模型驗(yàn)證。

此實(shí)驗(yàn)方法的優(yōu)點(diǎn)是綜合了數(shù)據(jù)收集、故障模擬及機(jī)器學(xué)習(xí)技術(shù),能有效模擬設(shè)備的真實(shí)工作環(huán)境,準(zhǔn)確地識(shí)別并定位故障。

3.2 實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的收集

實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)主要來源于商用交流變頻器在正常運(yùn)行及故障模擬狀態(tài)下的電力參數(shù),包括輸入/輸出電壓(Vin,Vout)、電流(Iin,Iout)、開關(guān)頻率(fsw)及功率因數(shù)(PF)。通過數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)每秒收集一次。具體的參數(shù)數(shù)據(jù)如表1所示。

表1 參數(shù)數(shù)據(jù)部分展示Tab.1 Display of some parameter data

數(shù)據(jù)處理階段。進(jìn)行數(shù)據(jù)清洗,剔除不完整或明顯錯(cuò)誤的數(shù)據(jù)記錄?；谑占降臄?shù)據(jù)計(jì)算每一個(gè)電力參數(shù)的平均值、方差及峰峰值,為故障診斷提供豐富的信息。計(jì)算公式如下:

平均值(μ)的計(jì)算公式為:

μ= (1/N) *∑xi

其中,N是數(shù)據(jù)總數(shù),xi是第i個(gè)數(shù)據(jù),∑表示求和。

方差(σ2)的計(jì)算公式為:

σ2= (1/N) * ∑ (xi-μ)2

其中,N是數(shù)據(jù)總數(shù),xi是第i個(gè)數(shù)據(jù),μ是平均值,∑表示求和。

峰峰值 (Vpp)的計(jì)算公式為:

Vpp=Vmax-Vmin

其中,Vmax是數(shù)據(jù)的最大值,Vmin是數(shù)據(jù)的最小值。

3.3 數(shù)據(jù)處理

對(duì)收集的電力參數(shù)數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)特性計(jì)算。計(jì)算數(shù)據(jù)如表2。

表2 計(jì)算后的統(tǒng)計(jì)特性數(shù)據(jù)Tab.2 Statistical characteristic data after calculation

對(duì)表2進(jìn)行分析發(fā)現(xiàn),輸入電壓與輸出電壓的平均值相差20 V,表明設(shè)備在運(yùn)行過程中可能存在電壓降低的現(xiàn)象。輸入電流的平均值高于輸出電流的平均值,說明電氣設(shè)備存在一定的能量損失。開關(guān)頻率的平均值為20 kHz,方差較小,表明設(shè)備的開關(guān)頻率較為穩(wěn)定,系統(tǒng)運(yùn)行的穩(wěn)定性較好。功率因數(shù)的平均值接近于1,峰峰值較小,說明設(shè)備大部分時(shí)間都在有效的工作狀態(tài)中。

3.4 結(jié)果分析

為了驗(yàn)證故障診斷方法的有效性,對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行分析。根據(jù)3.3節(jié)中計(jì)算的電氣設(shè)備統(tǒng)計(jì)特性,分析設(shè)備的正常工作狀態(tài)與發(fā)生故障時(shí)的狀態(tài)差異。對(duì)故障診斷結(jié)果進(jìn)行統(tǒng)計(jì),并將結(jié)果匯總在表3中。

表3 不同電壓與電流條件下的故障診斷結(jié)果Tab.3 Fault diagnosis results under different voltage and current conditions

表3的數(shù)據(jù)結(jié)果表明,基于電力電子技術(shù)的電氣設(shè)備故障診斷方法具有較高的準(zhǔn)確性及實(shí)用性。未來,還需進(jìn)一步優(yōu)化該方法,提高故障檢測與診斷速度及準(zhǔn)確率。