动态调速的双PWM变频调速系统故障诊断技术研究

双PWM 变频调速系统以其网侧电流接近正弦波、网侧功率因数可控、电能双向传输、动态控制响应速度快等优点得到了广泛的重视。但是IGBT、电容和电动机故障时有发生，造成的停工停产、设备损坏等潜在风险显著提高，需要有效可靠的综合监测手段，特别是在动态调速模式下。本项目拟通过理论研究、仿真和实验相结合手段，建立调速过程中的系统动态仿真模型和实验平台，系统分析双PWM 变频调速电动机系统十余种常见故障的动态行为；提取双PWM 变频器的输入和输出电流与电压信号，经过时频信号分析提取主分量成分，确定系统运行模式；通过广义Fourier将时变主成份转换成恒频成分并使用Relax算法加以滤除，突出故障特征；同时融合输入和输出端的故障信息，实现故障定位、故障量化和复合故障分离；分析控制参数和负载对故障诊断的影响。为研制具有自主知识产权的集驱动和故障诊断功能于一体的双PWM 变频调速系统提供理论基础和技术支持。

双PWM 变频调速系统以其网侧电流接近正弦波、网侧功率因数可控、电能双向传输、动态控制响应速度快等优点得到了广泛的重视。但是IGBT、电容和电动机故障时有发生，造成的停工停产、设备损坏等潜在风险显著提高，需要有效可靠的综合监测手段，特别是在动态调速模式下，变频器输出电压和电流信号本身的频率随时间变化而变化，难以突出故障特征，需要有效的时频转化方法。在国家自然科学基金的资助下，我们从系统建模、仿真、时频信号分析、实验等角度，对IGBT器件、电容器的不同故障形式进行了分析和研究，主要内容和结论包括：（1）建立了可进行故障设置的双PWM变频调速异步电动机系统动态模型和基于MATLAB SIMULINK的仿真软件平台；（2）搭建基于Opal-RT的半实物仿真实验平台，能实现上述故障的准实物实验；（3）研究了局域波分解（LMD）方法的原理，编写了实现程序，通过LMD分解可以从原始信号中分离出纯调频信号和包络信号，再通过Chirp Z可以分析出多分量调幅调频信号的特征信息，非常适合于复合故障时由于相互调制引发的故障特征难以解耦和分离的情形；（4）系统分析了广义FOURIER变换的原理，可以对任意的运行方式提取变频器输出电压（电流）的主频率成分，从而识别调速系统的运行模式，可以通过转化而突出故障特征；（5）将仿真获得的电流值通过电流Park矢量法、三相电流平均值法来呈现故障特征，均具有一定的有效性，不足之处是随着负载的改变，判断阈值要相应调整，为此使用基于离散傅立叶变换的归一化方法克服了负载波动的影响。（6）随着计算机技术、通信技术及自动控制技术的迅猛发展和相互融合，当今的控制系统出现了一体化、网络化、分散化以及节点智能化的趋势，变频调速器也成为了网络系统的一个单元。由于网络的带宽有限，共享网络资源使得各个子系统只有获得了权限才能传输信息，故不可避免的出现排队等待、资源竞争、网络拥塞等现象。本项目在深入研究大规模复杂网络化系统的基础上，建立了比较广泛的数学模型，基于获得的模型，研究了相应系统的故障检测问题，揭示了网络因素对故障检测性能的影响。