矿用变频器的故障诊断方法研究

韩国庆，王玉福，边 静，刘辛颖

（开滦(集团)有限责任公司，河北 唐山 063018）

1 引言

变频器主要应用变频技术与微电子技术，由整流、逆变和平波回路等组成，利用其内部的IGBT（绝缘栅双极型晶体管）对供电电源的电压和频率进行调整，有着优越的调速、节能和保护等功能[1]。随着煤矿井下开采工作对大功率采掘设备和运输设备的使用不断增加，相应的电压控制要求也在持续增长。因此，确保变频器可靠安全运行，对降低电能消耗和提高矿井工作安全性和自动化程度具有非常重要的现实意义和经济价值。

干扰故障是当前矿用变频器运行过程中常见的故障之一，主要有电磁干扰、信号干扰等。一般来说，电气设备必须同时具备抑制低频干扰和高频干扰的能力。低频干扰来源主要为电源的频率振荡波动幅度大和电压不稳定等；高频干扰则主要包括电磁场射频传导发射干扰、脉冲干扰、谐波干扰和静电放电等。矿用变频器由于作业环境十分复杂，矿井下干扰现象发生的概率通常很高，变频器不仅自身会被各种干扰所影响，同时还可能对周围环境造成干扰。

对此，早年有外国学者Thorsenov 等提出利用Walsh 变换输出得到频域特性对变频器展开故障诊断分析，此方法可以在频谱特性一个周期中就发现与之映射关系最强的数据并对其进行诊断[2]。Campos 等人采用傅里叶变换取得逆变器内定子电流信号频域成分，得到和功率开关器件故障类型对应的关系式[3]。Mendes 等通过利用Park 矢量法得到平均输出电流的相位和幅值作为特征数据，根据不同故障表现出的直流特性不同，建立了电流均值和故障的映射关系[4]。Estima 在这基础上提出用三相电流作为信号基础，用Park 矢量法提取三相电流平均值的绝对值进行故障诊断，提高了诊断的准确度和速度[5]。Shahbazi 提出根据设备工作时产生的感应电流变化量和时间的关系，作为变频器故障诊断的判断依据，此方法通过对电流设定阈值和瞬时值进行比较，诊断精度较高[6]。国内刘颖等结合了信号频谱分析方法和迷糊理论，分别提取变频器不同情况下的电压信号波形并对其进行频域分析得到可用的特征信号作为参照样本，再提取特定故障时的信号元素作为测试数据，对参照样本和测试数据的隶属关系进行计算，可以得到元件故障的具体位置[7]。郭石凯利用滑动模型和输入未知参数两种算法，针对提高变频器的三相PWM 整流器和逆变器故障定位展开研究，最后得出输入未知观测器的算法在整体上判断效果更好的结论。孙建勇等则采用故障树的方法对变频器实际工作情况建立诊断模型，得到了较为理想的诊断效果[8]。

2 变频器常见的干扰故障来源

2.1 干扰源

干扰源是指对变频器的正常工作产生干扰的自然现象、设备和元器件等，这些干扰源通过电源、稳压器网络、电磁波辐射或电感等方式传播进入变频器内，容易引起变频器的误操作而致使其出现故障，造成测控系统失准和失灵，在一定程度上破坏了整个系统的稳定运行。针对干扰源的分析通常从干扰信号能量、信号形式和频域与时域[9]等方面入手。变频器受到的干扰可分为外部干扰和内部干扰，本文对其干扰源的分析也分为外部干扰源和内部干扰源[10]两部分。

矿用变频器的外部干扰源又可分为人为干扰源（包括输电线路、开关系统、广播、雷达、通信、导航和其他工业设备等）和自然干扰源（包括热声、噪声、雷电干扰、大气层干扰和宇宙干扰等）。矿用变压器的内部干扰源则主要有无源器件噪声、有源器件噪声、电路噪声和EUT（受试设备）干扰等。因为晶闸管导通时间为每一相的半个周期，如果变频器的换流设备中包含容量较大的晶闸管，可能会使网络电压产生凹凸现象，最终位于变频器输入侧的整流电路会产生较大的反向电压而使设备发生故障。而当通过补偿电容来对功率因数进行提高时，网络电压可能会在投入和切出电容补偿的暂态过程中达到一个较高的峰值，过高的反向电压会使变频器的整流二极管被击穿。

2.2 电磁干扰

随着煤矿井下电气装置的增加，其空间中的电磁能量成分也在不断增加。由于矿井电磁环境复杂，电子设备之间会互相影响，如何减少设备之间的电磁干扰对于它们的正常运行至关重要。电磁干扰是指任何可能导致设备和系统信号减少或性能损坏的电磁现象，甚至可能对器件和人身安全造成破坏性的影响。由于煤矿一般由若干条不同形状的巷道组成，巷道空间小，湿度大，粉尘大，腐蚀性气体和液体浓度高，矿井下的电磁环境十分复杂。矿用电缆悬挂在巷道的一侧，电压范围广。此外，大功率设备集中存放地点也会对通讯系统造成严重干扰，电磁干扰的强度会随频率的变化而变化。IGBT 装置具有安装简单、散热性能好以及开关频率高等优点，但其动作过程中伴随着电压和电流的瞬时上升或下降的变化，会产生较高的du/dt和di/dt 的高频脉冲。高频脉冲与寄生参数作用之后，向外辐射电磁干扰。因此，针对矿井变频器电磁干扰的分析，可以基于频域展开。

2.3 信号干扰

变频器有开闭环两种控制方式，其闭环控制可以通过将输出信息和输入信息进行对比，再将运算结果反馈至系统并展开控制调节，以此实现控制系统输入和反馈变化信息的动态调节，确保变频器输出结果可以最大精度接近设定值。变频器闭环控制主要有转差频率控制、矢量控制（VC）方式、直接转矩控制方式和矩阵式交-交控制方式等。为了弥补低速运转时不易辨别的缺陷，通常选择需要安装旋转编码器的闭环控制，并且带编码器的闭环控制速度精度比其他控制方式精度更高，测量值更精确[11]。

但由于矿井环境存在粉尘大、湿度高、散热慢和烟雾多等诸多不利条件，较精密设备如控制器、编码器和传感器的正常工作受到很大的影响，进而在一定程度上影响了变频器的闭环控制系统的稳定安全运行。围绕编码器产生的信号干扰影响变频器正常运行情况主要有以下几种原因：

（1）元器件自身故障。因设备自身损坏，无法输出正确波形。

（2）电源故障。编码器的电压不能低于DC4.75V，一般为DC5V，电源发生故障造成的电压过高或过低问题，或电缆太长导致线阻太大进而影响电压超过限值。

（3）位置故障。编码器安装时没有与电机转轴良好对中同心，运行时行间松动或门机振动，使采集到的信号误差过大，最后使得输出得到错误的波形。

（4）信号故障。这类故障通常发生的概率比以上三种情况更大，主要原因分为三种：电缆通信发生接触不良的问题如短路和断路等情况；屏蔽层由于没有可靠接地而产生的干扰现象；光栅污染（主要大量存在于粉尘环境）。

3 干扰故障分析过程

3.1 波动信号预处理

由于变频器与终端监控设备之间的通信连接反馈的信号中可能携带大量噪声与干扰信息，信息采集时需要对反馈信号进行电压波动消除处理[12]。可将此过程作为盲源信号的分离处理过程，在已知信号源与信号传输信道参数的基础上，提取噪声信号、观测信号，将信号一并录入观测系统，完成对源信号的分离处理。在此基础上，由于变频器中直流母线的电压为非恒定值，在运行过程中，电压必须达到一定的过欠压范围才能实现对其运行的逻辑检测。因此，通常设计的矿用变频器过电压应满足10%、50%的欠压容量，而采用固定阈值的检测原理，则不能探测到电源输出电压的改变。为解决此方面的问题，在完成对电源信号的处理后，引进镜像电流源检测法，在直流母线电压发生动态改变时，对电源输出逻辑进行错误判断，以此为依据，设计变频器反馈信号电压波动的消除处理。处理过程中，变频器在作业过程中三极管射极电压相同，根据基尔霍夫电流定律，可以计算输入变频器的电压值：

式中表示变频器的输入电压；表示反相器；表示射极电阻；表示直流母线电流值；表示功率单元输出电阻值。为了实现对变频器在作业过程中电压波动的消除处理，其输入电压应当满足条件如下公式所示：

表示调理电路参数；表示模块输出端电压；表示采样电位差值。在输入电压满足上述条件后，通过反馈信号的盲源处理方式，提取源信号，即可完成对变频器反馈信号电压波动的消除处理。

3.2 基于小波变换的故障信号提取

虽然变频器在不同的故障情况下输出电压信号波形也会不同，可以通过建立一一对应的映射关系对其进行详细分析。但往往变频器不同的故障时其输出电压差异并不大，甚至非常相似，难以对它们进行区分。傅里叶变换能够将信号从时域变换到频域，但是对于非平稳信号，传统的傅里叶变换并不能对其精确的分析，短时傅里叶变换又有在频率动态变化时不能随之变化的缺陷。小波变换可以看作在短时傅里叶变换的基础上，有着能够适应信号动态变化的优点，所以本文计划采用小波变换的方法对输出信号进行提取，通过多种运算手段对信号进行多尺度的细化分解，可以提取得到比原始数据更明显的差异信号。以三级分解为例，小波变换过程如图 1 所示。

如式（3）所示小波变换原理依旧为原信号和基函数的乘积，且有两个变量，即为原信号函数，a 指控制频率变化（基函数的伸缩）的尺度，b 为实现基函数在时间轴上平移的平移量，由此小波分解变换能够得到各种成分具体的时域位置。如图1 所示为小波三级分解示意图，S 为原信号函数，A1-A3 为信号分解得到的近似低频分量，D1-D3 为高频近似分量，每一层只针对低频分量展开分解操作，则此原信号函数可等效为S=A3+D3+D2+D1。a 和b 均为连续变量，在实际计算时由于计算机只能对二进制数据进行处理，需要把a、b 变量离散化。规定变量a 和b 以指数形式增长，令a=a1k，b=ya1kb1(a1＞0，k 为整数)，可得小波变换离散化后基函数表达式为：

图1 小波分解结构树

图2 小波分解变换流程图

其又可称之为离散小波变换，令任意原信号为平方可积函数f(t)=L2(R)，则此函数小波分解表达式为：

对应的能量值计算函数式为：

小波分解变频器特征信号主要分为如下5 步：（1）导出变频器的故障信号周期幅值数据。（2）选取一个周期的幅值数据将其低频分量进行多层分析（以三层为例），得到四个频带的小波变换系数和函数关系S=A3+D3+D2+D1。（3）求解四个频带的能量信号：其中分别为三次小波分解后的四个频带，为其对应的能量信号。（4）计算得到的全部能量信号即可构成特征向量M 呈现了不同故障情况下分别对应的特征信号。（5）由于小波变化得到的能量信号可能会出现较大幅值使计算变得复杂，对故障诊断产生不利影响，所以需要对特征向量M 合并到一起归一化处理组成新的向量，可选择利用公式进行归一化处理。整体而言小波分解的流程如图 2 所示。

3.3 矩量法计算电磁干扰

矩量法基于麦克斯韦积分方程建立，通过将连续的矢量积分方程离散化，得到离散的标量代数方程[13]，使得电磁积分方程通过数值求解手段就可以得到数值解，又被称为“源”的求解算法，具有计算精度高和对任意形状三维目标适应性良好的优点。矩量法用于微分方程时所得到的代数方程组的系数矩阵往往是病态的，因此它主要用于求解积分方程。由于格林函数自动满足辐射边界条件，所以矩量法无需像微分方程法那样必须设置吸收边界条件，只需要离散几何模型，无需离散空间，对于求解变频器中复杂的电磁场边界的问题可以灵活求解，比其他数值解法更有优势。自提出以来，矩量法在电磁辐射、电磁散射、电磁兼容等方面得到了广泛应用[14]。

矩量法求解过程中需要计算广义矩量，基本过程主要包括以下三步：（1）离散化处理：将待求函数表示为算子定义域内一组线性无关的基函数的线性组合，然后依据算子的线性特性，将其转化为代数方程。（2）取样检测处理：将算子的值域内一组线性无关的代数方程同权函数取内积并对其开展N 次抽样检验，根据算子的线性性质和内积的性质，即可将抽检得到的内积方程转化得到矩阵方程。（3）矩阵求逆处理：通过矩阵求逆再与前式联立，即可得到所求解。值得一提的是，矩阵规模的大小影响着矩量法内存的占用量，从而决定了计算的速度，所以加速矩量法计算的因素之一即为减少矩阵方程的存储量。

待求量即由函数f 转变为N 个未知量an，可得：

求解N 个未知量，需要建立N 个方程，因此采用插值的方法使N 个点完全满足函数要想使误差在全域上最小，而非仅仅在单点上完全满足，选择采用拟合的方法。引入检验函数在上式两边同时对作内积，这个内积即被称为矩量，即在空间基函数上的分量。从而得到：

将未知量的式子(11)代入式(7)可求解得到函数f。完整的矩量法流程如图3 所示。

图3 矩量法求解电磁干扰信号流程图

相较于其他算法，矩量法的求解具有较高的准确度，缺点是计算所需内存大。因此采用矩量法求解电磁场时，结果的准确度主要取决于对目标物体建模的精细程度、权函数和基函数的选择以及阻抗元素的计算[15]，其计算量的大小取决于计算频率以及几何模型的尺寸大小。

4 变频器故障预防和处理措施

（1）降低输出脉冲电压变化率。在正常工作时，变频器电机匝间绝缘冲击过电压的变化值会随着输出脉冲电压上升沿/下降沿时间的减小而增大，过电压增加到超过一定限值时会加速设备的老化甚至造成设备的损坏。因此，增加变频器输出脉冲电压的波形上升时间，防止冲击电压过大，极大地降低了变频器需要承受的最大电压，以此保证电机绕组的匝间电压合理分布。

（2）加装滤波器。将抗干扰滤波器串接在变频器的输入端口，避免干扰信号由电源线侵入设备；将脉冲电压转变近似正弦的电压，并降低电压的高频谐波，也可以起到降低变频器承受的过电压的作用[16]，提高变频器的使用寿命。

（3）增强设备的的散热能力。变频器正常运行时，因为其敏感性很容易受到周围环境变化的影响，不仅其外部工作环境可能产生较高的温度，变频器内部的运行模块也会产生较多的热量，使变频器无法在高温环境下持续稳定运行。所以应充分考虑矿井下环境的温度湿度是否有利于变频器运行散热等因素，采用高效率冷却方式，避免变频器运行时因温度过高而引发故障。

（4）定期检查。矿井特殊工况环境，控制模块和通讯线路以及屏蔽层接地情况等都需要接受定期的检查和及时的维护，避免出现通讯故障。

（5）单端接地。变频器可靠接地即能防止变频器向外辐射电磁波影响其他设备，又能避免外部环境的电磁波影响变频器内部的情况。由于双端接地可能有电压压差较大或其他不利于稳定的情况，可以选择将变频器的外壳良好单端接地。

（6）尽量缩短配线距离。电缆线到指定电路之间距离应当尽可能地缩短，同时需要与主回路的线路分开，这样可以对干扰信号起到屏蔽的作用。当电缆的配电线和控制电路的长度不能减小时，可以选择搭建隔离放大器的附加电路。

（7）RC 电路和线圈并联。由于继电器的接触器触点在开断和闭合时会伴有浪涌电压的产生，采用该方式可以对其进行限制。

（8）针对频繁出现的电磁干扰，必要时可以采用的方法还有：光电耦合隔离、分开布局动力线和双绞线、滤波噪声利用软硬件等方法进行抑制，提升其自身抗干扰能力。

5 结论

变频器在煤矿产业的广泛使用和持续改进不仅高效促进了井下作业时设备运行的安全性和可靠性，还大大节省了工业生产的能量损耗，降低了工厂的运作成本。由于其内部结构复杂，故障诊断研发技术还需要不断进行完善，确保变频器设备日常维护和检修工作正常进行十分重要。本文主要分析了变频器在工作时常见的两种干扰故障——电磁干扰和信号干扰，首先对信息采集时的反馈信号进行了消除电压波动的处理计算。然后着重根据小波变换分解方法分解多层故障信号，并去除每层的高频分量系数，对相应的低频信号系数进行提取，再求解出不同故障情况下的能量信号，即构成了完整的故障特征向量。接着根据矩量法进行了电磁干扰计算方法的讨论，最后提出了几种可以对干扰故障进行预防和维护的方法。通过对变频器的常见干扰故障的了解和掌握，可以总结得到变频器故障的实践经验和教训，保障变频器可靠稳定运行。在今后的矿用变频器应用中，更要加强开展技术培训和理论指导，不断提升相关工作人员故障检修和排查能力，为变频器的安全稳定运行提供可靠的技术支持。要定时检查，维护良好的井下环境，及时发现安全隐患问题，杜绝重大故障的发生，为保障煤炭可靠、有序、安全的开采提供坚实有力的基础。