智能故障诊断技术在电力电子电路方面的应用

路新惠

（河南工业贸易职业学院 汽车工程学院，河南 郑州 450000）

0 引 言

智能故障诊断对电力电子电路而言有重要作用，能保证电力电子电路的稳定和可靠运行，因此需及时发现和解决故障隐患，将故障可能造成的影响和损失降至最低。对于电力电子电路，如果发生故障，将对系统自身各类电气设备均带来很大的影响，进而产生实质问题，如设备损坏等，导致系统无法正常运行，停止生产，严重时还会产生安全问题或事故，存在一定程度的危险性，甚至酿成人员伤亡。在目前常见电力电子电路类型中，发生率最高的故障为晶闸管损坏，包括短路与开路。对此，为保证电力电子电路得以稳定可靠运行，充分发挥应有的作用和效果，有必要引入智能故障诊断。

1 电力电子电路

电力电子电路是指采用电力电子器件对工业电能实施变换及控制的电子电路。因电路中没有旋转元件和部件，所以还可将其称作静止式变流电路，与传统意义上的存在旋转元件和部件的变流电路不同，该电路主要由电动机与发电机两部分构成。这两种相比较，前者基本没有磨损，而且噪声很低，有很高的运行，容易实现自动控制及生产，基本无需建造专用地基。基于此，从20世纪60年代开始，该电路就开始逐步取代传统的变流电路[1]。

因电力电子电路主要是对容量极大的工业电能进行处理，所以高效率和低损耗是它的核心目标。为有效减少或避免内耗，电路中的电力电子器件运行在开关状态，基于此可将电路看作一种功率很大的开关电路[2]。按照具体的功能，可将电力电子电路分成以下几种。一是整流电路，即能通过转换使交流电变成直流电的电路，如图1所示。二是逆变电路，即能通过转换使直流电变成交流电的电路，如图2所示。三是交流变换电路，主要包括交流调压电路与变频电路两种，如图3所示。四是直流变换电路，可以更改直流电流的方向及大小。

图1 整流电路

图2 逆变电路

图3 交流变换电路

按照电能转换次数可将电力电子电路分成基本变换电路和组合变换电路[3]。其中，基本变换电路只通过一次转换就能完成电能变换，还可称作直接变换电路，而组合变换电路是指通过多次转换才能完成电能转换，还可称作间接变换电路。

按照组成电路的电力电子器件可将电力电子电路分成以下几种。一是不控型变换电路，采用不控型器件，电路不对变换的电能进行控制，如图4所示。二是半控型变换电路，采用半控型器件，仅可以在电路能对晶闸管进行关断的情况下正常工作。三是全控型变换电路，采用自关断器件，与半控型电路相比技术经济指标较好，但实际的开关容量比半控型变换电路略低[4]。

图4 不控型变换电路

按照具体的控制方式可将电力电子电路分成以下几种。一是相控电路，其控制信号发生的变化主要表现为控制极脉冲相位发生变化。二是频控电路，其信号发生的变化主要表现为控制极脉冲重复频率发生变化。三是斩控电路，其控制信号发生的变化主要表现为控制极脉宽发生变化。四是组合控制电路，其是由以上3种不同控制方式组合构成的电路。

2 基于智能故障诊断的电力电子电路故障诊断模式

2.1 结构性故障

结构性故障主要由电力系统方面的问题引起，一般很难通过检查发现，而且通常不会产生于控制电路。对电力电子电路而言，其电力系统主要由3个模块组成。在电路中，以主电路为主要部分，电路核心为控制电路，这是故障发生率最高的部分。就当前的电路形式可知，辅助电路起到为电路提供辅助的作用，对电路没有太大影响。基于此，在电路自身结构体系方面最容易产生结构性的故障，但在数字电路中也比较容易产生。对数字电路进行控制的系统主要在控制电路，特别是在电感和短路开路上，难免给整个电路造成很大影响。对此，在实际的故障诊断过程中应判断正确诊断模式，在电路的电感部位进行智能断路器的合理设置，以此保证实际的诊断效率[5]。

2.2 参数性故障

设备损坏产生的原因以电路微感软件的实际运行不畅为主，特别是在数字电路当中，电路一般为自动化运行，一旦产生此类故障，将导致整个系统的运行陷入紊乱。在不同终端联合作用下，难免产生参数性故障。对此，要想提高故障诊断过程及结果的智能化水平，需要从根本上提高诊断的自动化和智能化。对于智能断路器，一方面能使电路安全运行，另一方面将监控和电路系统保护结合到一起，能有效保证整个系统运行的稳定性与可靠性。基于此，在故障诊断时应充分考虑实际情况，全面分析具体的诊断模式，使诊断得以有效提高与优化。

3 基于智能故障诊断的电力电子电路故障诊断具体方法

对电力电子电路而言，其仪表必须得到有效优化。由于仪表系统属于智能化系统，所以相关技术人员应经常维护处理，避免系统产生故障或直接崩溃。在实际情况中大多采用的是DCS系统，该系统不仅有很高的可靠性，而且故障率很低，还有很强的自诊断及实时报警功能，对于重要仪表对应的控制回路进行冗余配置，能延长整个系统及设备的实际生命周期，比其他现场仪表设备要好很多。然而，要想使该系统得以良好运行，需做好定期维护，以此提高自动化水平，保证可靠性[6]。

以系统的仪表硬件实施维护，可提高其应用进程，特别是灵敏度可以得到很大提升，在仪表的实际应用过程中应保证科学性与合理性，准确把控使用周期，及时更换一些老化的仪表。此外还要保证参数测量结果的准确性与可靠性，保证仪表灵敏性，使仪表具有的检测功能和修复功能都得以有效完善。

对电力电子电路进行的诊断主要包含信息检测与故障诊断。其中，信息检测是指利用合理有效的检测技术与方法对故障产生时对应的所有信息予以提取，以此为故障的分析和诊断提供可靠依据。故障诊断是指以诊断出的各类信息为依据，分析并推理发生故障的具体部位，以此确定故障产生的主要原因[7]。

频谱分析在故障诊断过程中属于一种信号分析方式，常用频谱为傅里叶谱与沃尔什谱。通过频谱分析能有效减小信号再生，为信息的提取创造方便。在产生故障信号之后，相应信号的波形将无法反映出故障特征，对工作人员的故障判断造成影响。然而，在不同的电力电子电路中，其故障信息通常存在一定规律，而且还有周期性。基于此，可通过傅里叶变换使故障变形，从时域变成频域，实现对故障信息的凸显，进而完成故障诊断。事实上，无论是傅里叶谱还是沃尔什谱均属于对周期函数进行的分解，但前者是将周期函数分解为频率不同的正弦分量，而后者则将周期函数分解成沃尔什函数分量，以上两种方法的工作原理基本相同[8]。

对数字信号处理而言，目前最常用的为自适应滤波。该处理方法十分简单且直接，对工作人员没有太高的要求，可直接利用现有的资料来分析，再通过运算对滤波器各项参数予以更改。通过这样的方式，滤波器的实际输出将对信号特征发生的变化予以自动跟踪。对自适应处理而言，其最大的优势在于可以在噪声背景中提取故障信息具有的特征，进而为相关人员对故障的诊断提供可靠参考依据。从测量方法角度讲，可以分成检测滤波器、状态估计以及参数辨识几种，现在常用的为前两种。第一种方法较为简单，仅需工作人员将故障实际输出方向固定于特定方向上即可，该方法有很强的可操作性，且作用效果显著[9]。而第二种方法则没有第一种直接，需要对系统状态发生的变化予以监测，在实际的故障诊断过程中利用观测器对系统实际输出进行观测，以得出系统输出对应的估计值。该估计值与实际输出之间存在一定偏差，该偏差就是量测残差。在该量测残差中存在很多系统内部变化对应的信息，相关工作人员可根据这些信息对故障信息予以判断。尽管这种方法耗时较长，但其计算量相对较小，且诊断速度很快，有很高的准确率。除以上几种方法外，还存在一种以人工神经网络为基础的故障诊断方法，该方法将人工神经网络作为核心，通过自主学习明确故障信号和类型之间的关系，其科学性很高，且速度很快，准确率高[10]。

除以上几种方法外，还可采用粗糙集的方法，该方法主要建立在分类不发生变化的基础上，通过知识约简化对概念分类予以推导，其主要特点为可分析并处理精确度和完整性均不高的信息，可以在其中找出隐含的信息，并根据这些信息揭露出其中的规律性。然而，因该方法是从精确与完整性均较差的信息中对诊断规则进行推导，所以难免产生一定误差，在实际工作中采用这种方法时需要对其高度重视。

4 结 论

在工业快速发展的时期中，电力电子电路具有的功能得以进一步发挥，为了使电路发挥出应有的作用功能，有必要引入智能故障诊断技术，以此及时发现和处理电路中的各类故障，将故障发生后可能造成的损失降至最低。在应用智能故障诊断的过程中需要对仪表实施必要的优化，并根据电路的实际情况采用恰当的方法来处理电路问题，使电力系统得以全面且有效的优化，进而使智能故障诊断实际应用价值得以体现。