關于高壓變頻器故障診斷系統的研究

來源：  發布日期：2021/9/1  點擊次數：3105

1、變頻器故障診斷過程中存在的問題

目前，在冶金、鋼鐵、石油、化工、水處理等各行業中，高壓變頻器被廣泛用于驅動風機、泵類、壓縮機及各種大型機械，已成為當今節電、改造傳統工業、提高生產過程自動化水平推動技術進步的主要手段之一。高壓變頻器運行時一旦發生故障，輕則使調速系統不能正常工作，重則導致設備損壞，極大的影響了生產系統并會帶來巨大經濟損失。變頻器故障診斷過程中主要存在以下問題：一、領域專家數量短缺，技術力量相對薄弱；二、診斷過程中普遍存在隨意性和盲目性；三、故障知識資料管理不規范，必要時查閱困難。此外，變頻器的故障診斷技術大多數針對通用變頻器，對高壓變頻器故障診斷技術的研究則較少。因此，建立××準確的高壓變頻器的故障診斷專家系統顯得尤為重要。當故障發生時利用此系統可以迅速找出故障的性質、原因及處理方法，盡快排除故障并恢復生產。

2、變頻器故障診斷技術國內外研究現狀

2.1基于信號處理的變頻器故障診斷

國內：提出用傅立葉方法診斷三相全控整流電路的故障。通過對關鍵信號波形進行傅立葉分析，將時域信息變換到頻域分析，根據幅值特征診斷出是哪一種故障，再利用相位特征診斷到故障類型中的具體故障元。

國外：提出基于沃爾什分析法的三相全控整流電路診斷方法。通過電路中包含故障信息的關鍵點波形做沃爾什變換，將時域中波形的一個周期變換到頻率域中，利用頻率域中的故障特征，實現故障的檢測與定位。

基于信號處理的故障診斷方法，無需對象的數學模型，靈敏度高，診斷速度快，實現簡單，可在線實時故障診斷，但×大的難點是故障特征判別參數的設定，沒有一種通用的、切實可行的設定方法，通常需要根據專家經驗整理歸納來設定。

2.2基于故障樹的變頻器故障診斷

故障樹診斷原理：故障樹模型是一個基于被診斷對象結構、功能特性的行為模型，是一種定型的因果模型，以系統×不希望事件為頂事件，以可能導致頂事件發生的其他事件為中間事件和底事件，并用邏輯門表示事件之間聯系的一種倒樹狀結構。它反映了特征向量和故障向量（故障原因）之間的全部邏輯關系。

基于故障樹的變頻器故障診斷方法的步驟：① 選擇合理的頂事件，一般以待診斷對象故障為頂事件；② 根據對變頻器進行的故障分析，建立正確合理故障樹；③ 選擇合理的搜尋方式（邏輯推理診斷法和×小割集診斷法），進行故障搜尋與診斷。故障樹法對故障源的搜尋，直接簡單、靈活性大、通用性好，它是以正確故障樹結構為基礎的，因此建造正確合理的故障樹是診斷的核心和關鍵。

2.3基于神經網絡的變頻器故障診斷

神經網絡技術的出現為故障診斷問題提供了一種新的解決途徑。利用人工神經網絡技術，結合領域知識，開發故障診斷系統，可以實現對診斷對象的狀態識別和故障分類、推理故障原因，特別對復雜系統和非線性系統。由于基于解析模型的故障診斷方法面臨著建立數學模型的實際困難，基于知識的故障診斷方法成了重要的、也是實際可行的方法。而神經網絡的FO非線性映射特性、信息的分布存儲、并行處理和全局集體作用，特別是高度的自組織和自學習能力，使其成為故障診斷的一種有效方法和手段，并己在許多實際系統中得到了成功的應用。變頻裝置是一個隨機性、模糊性很強的系統，用傳統的方法難以實現準確地、快速地故障檢測和定位，神經網絡的出現為解決這一問題提供了有效途徑。神經網絡故障診斷雖然有它獨特的優越性，但也存在一些困難，主要表現在三方面：一是訓練樣本獲取困難；二是忽視了領域專家的經驗知識；三是網絡權值形式表達方式難以理解。

3、高壓變頻器故障診斷專家系統的功能分析

高壓變頻器故障診斷專家系統通過總結專家所擁有的故障經驗，形成故障現象與原因之間的判斷規則，利用新故障現象與判斷規則的匹配關系，診斷故障原因并顯示處理方法。從軟件工程的角度來看，深入、透徹地了解和分析用戶需求，并在此基礎上建立合理、實用的軟件結構是至關重要的一步。隨著診斷理論與技術以及計算機技術的進步，用戶對專家系統提出了更高的要求。用戶需求可分為如下幾個方面：(1)能涵蓋高壓變頻器的所有常見故障，對每一個故障，都能給出一個適當診斷結果（故障原因、處理方法等）。(2)推理診斷速度較快，診斷結果準確率較高，可以提供近乎高壓變頻器專家的較為詳細的故障處理方法。(3)專家系統須具有缺陷庫自我豐富、判斷規則自我擴充的功能，能在不斷判斷故障、進行分析的過程中，提高診斷準確程度，逐漸豐富功能。(4)人機對話的質量要高，專家系統輸出結果和解釋時用詞要易于用戶接受；用戶界面要友好，操作要容易。根據以上高壓變頻器故障診斷的功能需求分析，提出了故障診斷專家系統的設計結構，其功能框圖如圖1所示。

專家系統從功能上分為四部分：知識庫管理、故障樹分析、故障診斷和診斷報告管理。

(1)知識庫管理

知識庫管理的主要作用是管理高壓變頻器故障診斷專家系統的診斷知識庫，可實現規則瀏覽和故障樹管理的功能，它們均需故障樹的支持。規則瀏覽模塊的功能是使用戶可以快速瀏覽規則屬性、故障原因及處理方法等內容。打開規則瀏覽界面窗口可以看到編輯好的規則，也可以通過檢索快速檢索到需要查看的規則。故障樹管理模塊設有專家和普通用戶登陸窗口，只有高壓變頻器專家可以使用。故障樹管理模塊的功能是管理故障樹，專家可以對故障樹進行增加、修改或刪除操作，使診斷知識庫更加準確和完整。

(2)故障樹分析

由于診斷知識庫中的知識允許專家進行添加、修改、刪除等操作，這勢必會引起故障樹定性和定量分析結果的改變，從而影響各底事件在規則中的優先級順序。為了保持運算結果的準確性，必須重新對故障樹進行分析。這一功能可實現故障樹的定性、定量計算、底事件概率和重要度曲線顯示及重要度排序等功能。此模塊只供高壓變頻器專家使用，專家可通過更改診斷知識庫中的知識及其發生概率來重新進行故障樹分析。

(3)故障診斷

故障診斷模塊是專家系統的核心部分，用戶通過輸入故障關鍵字訪問知識庫，獲取診斷信息，經過專家系統的推理得到×終診斷結果，借助友好的人機界面將推理過程和診斷結果提供給用戶。

(4)診斷報告顯示

系統提供生成診斷報告及查看歷史報告的功能。用戶可以將診斷結果保存下來，也可隨時調出歷史診斷報告查看或借鑒。

本文針對高壓變頻器運行過程中時常發生故障，嚴重影響經濟效益的情況，運用故障樹分析法，廣泛汲取領域專家知識，開發出一套高壓變頻器故障診斷專家系統。利用本系統可以使運行、檢修人員快速、準確地診斷出高壓變頻器的故障原因和處理方法，進而提高高壓變頻器的安全、經濟運行水平。

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