电机自动控制系统故障分析

张海平

（天华化工机械及自动化研究设计院有限公司，甘肃 兰州 730060）

电机的自动控制系统中，变流装置的功率器件最易发生故障，其可靠性问题一直没有得到充分解决。而最新研究也表明，变流装置的故障占该系统故障的80%以上。因此，通过降低变流装置的故障发生概率，便可以有效提高电机自动控制系统运行安全性。

目前电机自动控制系统减小变流装置故障率的方法有两种，一是采用降额设计，一是并联冗余元件或电路。这两种方法都会导致系统造价过高，而且会增加装置的体积，需要更大的安装空间，使用条件受到限制。按照故障诊断依据的对象不同，该类系统常采用的方法有基于模型的、基于学习知识的和基于信号的。本文采用基于信号的诊断方法，利用加窗Fourier 算法，提取电机自动控制系统中变流装置输出信号，分析其频谱特征，从而判断故障。这种方法的运算量较小，可以有效地节约运算时间。

1 电机自动控制系统的故障特征分析

图1 是某电机自动控制系统中变流装置的主电路图，该电路常见故障类型主要有以下几种情况：（1）单个功率管短路；（2）单个功率管开路；（3）主电路同一相的两个功率管开路；（4）电机的其中一相发生开路。电机运行时，在高频开关状态工作的功率器件最易发生故障，且发生开路或短路故障最为常见。发生开路故障将导致电机工作在非平衡状态，带负载能力下降。发生断路故障将导致设备损坏。因此，准确判断故障类型及发生位置，对电机自动控制系统的正常安全运行意义重大。

变流装置工作过程中，其主电路输出的电压信号直接反映装置的工作状态，是最为有效且直接的故障特征信号。电机正常工作时，主电路的三相电压是对称的，主电路的各相输出电压波形一致，相位相差120°，电机工作在平衡状态。当电机发生故障时，三相电压的对称关系被打破，电机在非平衡状态下工作。因此，通过分析电机变流装置的主电路的输出电压，就能判断电机自动控制系统的运行状态。

图1 电机控制系统中变流装置的主电路

电机在稳定工作时，变流装置的主电路输出电压可表示为：

可表示为：

表达式（3）中，第一部分是其直流分量，第二部分是载波的谐波及其他一些变频信号，在时，只考虑其低频成分，高频部分可忽略。在电机正常运行的时候，该电压的低频部分只包含直流成分。当主电路的功率管短路时，对应的桥臂会异常导通。此时，输出电压的低频部分除了含有直流成分之外，还将包括其他的低频信号。譬如VT4 发生短路故障，主电路输出电压将不再是对称的，数学分析结果表明变流装置的输出电压低频成分中不仅含有直流成分，还包括了变流装置正常运行时所没有的调制信号及其谐波的频率成分。因此，可用调制信号的低频部分的频率成分，作为单管短路的判断依据。

2 短路故障的特征信号提取

当电机自动控制系统中主电路发生故障以后，系统的基波频率是变化的，这样就无法保证信号的采样频率为输出信号频率的整倍数关系，容易导致谱泄漏的发生，从而影响Fourier 变换的准确性，导致故障诊断结果不准确。因此，本文采用改进的加窗Fourier 算法，以期准确的提取到故障特征频谱。

离散Fourier 变换(DFT)是将复信号序列变换成其复谱。定义：

通过数学分析结果可以看出，本算法运算量小，运算需要的时间短。与电机正常工作时的输出信号相比，主电路故障时的输出信号的频谱特征发生了明显改变，将其与电机系统正常工作时的输出电压的频谱对比分析，就可以准确判断主电路的短路故障。

3 主电路短路故障时的仿真结果及分析

由于单管短路故障模式涉及元件数量少，且故障特征明显，与单管开路故障相似,比较容易确定，图2、3 是采用加窗Fourier 变化得到的主电路V1 单管短路故障的输出电压频谱。

图2 V1 短路时A 相输出电压频谱

图3 V1 短路时B 相输出电压频谱

V1 短路时，C 相输出电压频谱与B 相相同，从提取的频谱可以看到故障相（A 相）基波含有率明显偏低，总谐波畸变率达159.32%，B 相和C 相总谐波畸变率为73.09%，发生短路故障一相的输出电压的总谐波含有率比没有发生故障的一相输出电压谐波含有率高得多，这可以作为判断故障发生相的依据。对于发生故障一相的对应桥臂的确定，同样可通过输出电压极性实现，以A 相为例，上桥臂发生故障的时候A 相输出电压为正，下桥臂发生故障的时候A 相输出电压为负。再结合频谱特征就可以准确的判断发生单管短路的位置。

4 结语

理论分析及仿真结果表明，改进的加窗短时Fourier 变换可有效的提取故障频谱，在完整反映故障特征的同时，有效避免谱泄漏问题，为电机控制系统中变流装置的故障诊断提供了新思路。