CN103901301A - 变频器的故障诊断方法 - Google Patents

Abstract

公开了一种变频器故障诊断方法。所述故障诊断方法包括：检测变频器是否处于停机状态，当检测到变频器停机时，控制器逐一启动变频器的部件，并通过所述变频器固有的传感器检测变频器部件的运行状态来判断相应的部件是否发生故障，并定位故障源。根据本发明构思的变频器故障诊断方法，利用变频器固有的控制器及传感器，通过使变频器工作于故障诊断模式，并在此过程中逐一启动变频器的部件，根据实际反馈信号与标准反馈信号比较来实现故障诊断，从而避免了变频器子***之间的相互影响，进而不仅实现了变频器故障诊断，还较好的兼顾了降低成本与提高通用性的要求。

Description

变频器的故障诊断方法

技术领域

本发明涉及电力电子领域，更具体地讲，涉及一种变频器故障诊断方法。

背景技术

变频调速***通过交流-直流-交流电力电子变换并采用数字变频控制方式实现精确的电机的转速或转矩控制。此种控制方式与传统的定频控制方式相比，大大减小了能源消耗。因此，变频调速***广泛应用于各类发电机、电动机的控制领域。

当变频器中发生元件失效、电缆连接异常等故障时，变频器会停止工作并报出故障信息。由于变频器结构的复杂性，单一部件的故障往往会导致变频器的多个部件工作异常，从而产生大量的故障信息。例如，一个部件的故障，会导致与之直接和/或间接相连的部件均报出故障。大量的故障信息会掩盖初始故障部件，增大查找故障的困难程度。

现有技术中为了检测故障，主要使用以下两种故障检测方式：1）增加额外的传感器和故障监测设备；2）建立专家***数据库排除错误的变频器故障信息。第一种方式，虽然理论上可以较好的实现故障处理并且可以在变频器工作过程中同步检测，但是故障诊断装置及相关传感器与变频器中的控制器成本基本相当，因此其不足是经济性较差。第二种方式，故障检测结构准确性依赖于设计人员的经验，并且变频器若发生结构改变，对应信号特征及故障信息逻辑关系也会发生改变，需要重新建立分类原则及相关数据库，方法通用性受到限制。

鉴于现有技术中存在的上述问题，需要一种简洁、高效的故障诊断技术以快速定位故障。

发明内容

鉴于现有技术中存在的上述问题，本发明构思的用于变频器故障诊断方法提供了基于变频器固有的控制器及传感器，逐一运行变频器的每一个子***（或部件）并根据实际反馈信号与标准反馈信号比较来实现故障诊断。

根据本发明的示例性实施例的一方面，提供了一种变频器故障诊断方法。所述变频器应用于电机-变频器-电网组成的变频调速***，所述变频器包括控制所述变频器的控制器和固有传感器。所述故障诊断方法包括如下步骤：检测变频器是否处于停机状态，当检测到变频器停机时，控制器逐一启动变频器的部件，并通过所述变频器固有的传感器检测变频器部件的运行状态来判断相应的部件是否发生故障，并定位故障源。

优选地，所述变频器还包括直流母线、连接在直流母线上的电机侧变换器和电网侧变换器、连接到电机侧变换器的电机侧断路器、连接到电网侧变换器的电网侧断路器、与电网侧断路器并联连接的预充电回路以及直流母线的支撑电容，其中，停机状态表示电机侧断路器和电网侧断路器处于断开状态，电机侧变换器、电网侧变换器停止工作。

优选地，定位故障源的步骤包括：检测电网是否发生故障；若确定电网侧没有发生故障，则通过所述预充电回路对直流母线和支撑电容进行预充电，检测直流母线和支撑电容是否发生故障；若确定直流母线和支撑电容没有发生故障，则停止所述预充电回路的预充电，闭合电网侧断路器，并检测电网侧变换器是否发生故障；若确定电网侧变换器没有发生故障，则检测制动单元是否发生故障，而若确定制动单元没有发生故障，则检测电机侧变换器是否发生故障。

优选地，检测电网的状态的步骤包括：基于电网的三相电压的绝对值、电网频率和电网电动势中的至少一个检测电网的状态。

优选地，检测直流母线和支撑电容的状态的步骤包括：基于预充电开始后不同时间点处的直流母线的电压值计算直流母线的电容值，并基于计算的电容值检测直流母线和支撑电容的状态。

优选地，检测电网侧变换器状态的步骤包括：基于电网侧变换器工作时的特征参数检测电网侧变换器的状态。

优选地，检测制动单元的状态的步骤包括：向制动单元施加脉冲PWM信号，并基于制动单元对于所述PWM信号的响应检测制动单元的状态。

优选地，检测检测电机侧变换器状态的步骤包括：向电机侧变换器施加脉冲PWM信号，并基于响应于所述PWM信号而流过电机侧变换器的电流来检测电机侧变换器的状态。

优选地，所述故障诊断方法还可包括步骤：显示和记录检测的结果。

优选地，所述的变频器的电机侧变换器与电网侧变换器为采用全控型功率器件组成的交流—直流电力电子变换电路，所述全控型功率器件包括金属氧化物半导体场效应晶体管（MOSFET）、绝缘栅双极型晶体管（IGBT）、集成门极换流晶闸管（IGCT）、门极可关断晶闸管（GTO），而所述电力电子变换电路包括两电平全桥、二极管钳位型三电平全桥、飞跨电容型三电平全桥。

优选地，，所述变频器的变换器与电机组成变频调速***，其中，所述电机包括永磁同步电机、电励磁同步电机、鼠笼式异步电机、绕线式异步电机。

根据本发明构思的变频器故障诊断方法，利用变频器固有的控制器及传感器，通过使变频器工作于故障诊断模式，并在此过程中逐一启动变频器的部件，根据实际反馈信号与标准反馈信号比较来实现故障诊断，从而避免了变频器子***之间的相互影响，进而不仅实现了变频器故障诊断，还较好的兼顾了降低成本与提高通用性的要求。

附图说明

通过下面结合附图对实施例进行的描述，本发明的这些和/或其他方面和优点将会变得清楚和更易于理解。

图1示出根据本发明的示例性实施例的变频调速***示意图。

图2示出根据本发明示例性实施例的变频器故障诊断方法的流程图。

图3是静态时电机的等效电路图。

具体实施方式

现在对本发明实施例进行详细的描述，其示例表示在附图中，其中，相同的标号始终表示相同部件。下面通过参照附图对实施例进行描述以解释本发明。

根据本发明构思的变频器故障诊断方法，利用变频器固有的控制器及传感器，通过使变频器工作于故障诊断模式，并在此过程中逐一启动变频器的部件，根据实际反馈信号与标准反馈信号比较来实现故障诊断，从而避免了变频器子***之间的相互影响，进而不仅实现了变频器故障诊断，还较好的兼顾了降低成本与提高通用性的要求。

根据本发明构思的故障诊断模式是一种变频器的特殊运行状态，其目的是诊断变频器的故障。变频器在所述故障诊断模式下，不能进行电机拖动等正常工作。换言之，变频器应处于停机状态之后才能进入所述故障诊断模式，或者变频器因故障而自动或手动地停止了操作。

另外，根据本发明构思的变频器故障诊断方法对作为被控对象的电机没有具体限定，所述电机可以是永磁同步电机、电励磁同步电机、鼠笼式异步电机、绕线式异步电机等多种。

下面，结合图1和图2详细描述根据本发明的示例性实施例的变频器及变频器故障诊断方法。

图1示出根据本发明的示例性实施例的变频调速***示图。如图1所示，变频器100包括电机侧断路器102、电机侧变换器103、直流母线110、制动单元104、支撑电容105、电网侧变换器106、滤波器107、预充电回路108、电网侧断路器109和控制器120。

如图1所示，电机侧变换器103和电网侧变换器106连接到直流母线110。电机侧变换器103和电网侧变换器106包含使用全控型功率器件的三相桥式结构。电机侧变换器103通过电机侧断路器102连接到电机200的交流引出线101上。连接在直流母线110之间的制动单元104通过消耗多余能量防止直流母线110的电压过高。连接在直流母线110之间的支撑电容105用于减小直流母线110的电压波动。此外，与电网侧断路器109并联连接的预充电回路108用来限制预充电过程的充电电流。

此外，所述变频器100中的电机侧变换器103和电网侧变换器106可以是多种结构形式。电机侧变换器103和电网侧变换器106应当能够响应控制器120给出的三相脉宽调制（PWM）输出，并执行器件通/断操作。满足此要求的电机侧变换器103和电网侧变换器106，其功率元件可为金属氧化物半导体场效应晶体管（MOSFET）、绝缘栅双极型晶体管（IGBT）、集成门极换流晶闸管（IGCT）、门极可关断晶闸管（GTO）等多种全控型器件，电力电子拓扑形式可为两电平全桥、二极管钳位型三电平全桥、飞跨电容型三电平全桥等多种形式。

具有如图1结构的变频器故障诊断方式如下：a)控制器120检测电网300三相电压，控制器120使用锁相环(PLL)算法测量电网频率与相位，判断电网300短路、断路、相序接错等故障；b)闭合预充电回路108中的预充电接触器，检测直流母线电压随时间变化值，判断预充电接触器工作异常故障及支撑电容105容值异常故障；c)启动电网侧变换器106，根据直流母线电压、电网侧变换器106的电流等参数判断电网侧全控型功率器件、电网侧功率计量故障；d)控制器120发出PWM信号驱动制动单元104工作，并检测流过制动单元104的电流，判断制动功率器件故障及制动电阻阻值异常故障；e)吸合电机侧断路器102，控制器120发出PMW信号驱动电机侧变换器103工作，通过检测电机交流引出线101的电流，计算电机电阻，并判断电机侧变换器103的故障，电机交流引出线101连线故障；f)显示检测到的故障，提示用户处理故障的方法。

下面，结合图1和2详细描述根据本发明示例性实施例的变频器故障诊断方法，其中，图2示出根据本发明示例性实施例的变频器故障诊断方法的流程图。

步骤S110，变频器100进入故障诊断模式。

在故障诊断模式下，变频器100的所有内部部件停止工作，且电机侧断路器102和电网侧断路器109断开。

进入故障模式之后，控制器120将如步骤S120至S160所示的逐一启动变频器的各个部件，以定位故障源。在步骤S120至S160中，若确定故障源，则报错后退出，否则进行到下一步。下面，基于步骤S120至S160描述各个部件的故障检测方式。

步骤S120，检测电网300是否发生故障。

为了便于描述，下面以额定电压为690V，额定频率为50Hz的电网为例。检测电网的三相电压值，若三相线电压的绝对值连续20ms小于额定线电压峰值的50%（额定电网电压690V，则额定线电压峰值的50%为487.9V），则判定为电网连线故障。

另外，可使用电力电子领域所公知的锁相环（PLL）算法，根据三相电压输入计算电网频率以及电网电动势。若电网频率大于额定频率的150%或电网频率小于额定频率的50%，则判定为电网连线相序连接错误故障；若电网电动势的绝对值小于电网额定电动势绝对值的90%，或电网电动势的绝对值大于电网额定电动势的110%，则判定为电网电动势异常故障。

若步骤S120中检测到电网300未发生故障，则执行步骤S130，吸合预充电回路108中的预充电接触器对支撑电容105进行预充电。通过检测零时刻，和预充电Δt时刻的直流母线电压判断直流母线110和支撑电容105是否发生故障

支撑电容105的电容值计算公式为：

$C=\frac{\mathrm{\Δt}}{R\ln \left(\frac{U^{*}-U_0}{U^{*}-U_t}\right)}---\left(1\right)$

式(1)中C为支撑电容105的电容值；Δt为时间差值；R为预充电回路108的电阻阻值；U₀为零时刻的直流母线110的电压；U_t为充电Δt时刻后的直流母线110电压；U^*为稳态的直流母线110的电压，此数值由电网电压决定。由于预充电回路108的电阻值R是预知的，可以由(1)式计算出支撑电容105的电容值。

若计算得到的支撑电容105电容值C小于其理论电容值80%，则判定为支撑电容低故障；若计算得到的支撑电容105电容值C大于其理论电容值120%，则判定为支撑电容高故障。若5秒后直流母线110的电压小于U*的50%，则判定为直流母线110的短路故障。

若在步骤S130中检测到直流母线110和支撑电容105没有发生故障，则执行步骤S140，断开所述预充电回路108的中的预充电接触器，闭合电网侧断路器109，启动电网侧变换器106，并检测其是否发生故障。

控制器120可通过电网侧变换器106工作时的特征参数判断电网侧变换器106是否发生故障，特征参数包括直流母线电压、电网侧变换器106电流、电网侧变换器106功率计算值等。在电网侧变换器106工作时，若直流母线110的平均电压未达到直流母线110的预设电压或持续10秒直流母线110的电压标准差大于预设报错限值，则确定发生了直流母线110的电压异常故障；若任意一相电流有效值大于10A，则确定发生了电网侧变换器106的功率器件故障；若电网侧有功功率大于额定功率的1%，则确定发生了网侧有功功率计量故障；若电网侧无功功率绝对值大于额定功率的1%，则确定发生了电网侧无功功率计量故障。

若步骤S140中确定电网侧变换器106没有发生故障，则执行步骤S150检测制动单元104是否发生故障。

控制器120将PWM信号施加到制动单元104，并基于响应于该PWM信号而流过制动单元104的电流来检测制动单元104是否发生故障。

例如，控制器120将占空比为50%的PWM信号连续三次施加到制动单元104，以驱动制动单元104中的全控型功率器件进行开关动作并检测流过制动单元104的电流。PWM驱动信号是一种脉宽调制信号，其中包括“0”与“1”两个电平。在施加有“0”电平时，制动单元104中的全控型功率器件处于断开状态；而在施加有“1”电平时，制动单元104中的全控型功率器件处于导通状态。当施加有“0”电平时，流过制动单元104的电流为0；而施加有“1”电平时，流过制动单元104的电流为I_chopper，可由如下的（2）式计算出制动电阻。

R_chopper=U_dc/I_chopper   (2)

其中，U_dc为直流母线110电压，I_chopper为流过制动单元104的电流，R_chopper为制动单元104的电阻。若I_chopper小于理论值50%，或大于理论值150%，则确定发生制动单元功率器件故障；若计算得到的R_chopper小于理论值的80%或大于理论值的120%，则确定发生为制动电阻异常故障。

若步骤S150中确定制动单元104没有发生故障，则执行步骤S160检测电机侧变换器103是否发生故障。

控制器120发出PWM信号，驱动电机侧变换器中的全控型功率器件进行开关动作，检测流过所述全控型功率器件的电流，以此检测电缆连接故障及全控型功率器件故障。

图3所示为电机静止时的等效电路。首先向A相全控型功率器件以及B相全控型功率器件发出占空比恒定的PWM信号，C相全控型功率器件保持关闭，电机电流公式如(3)式所示：

$\left\{\begin{array}{c}{P}_{A1}{U}_{\mathrm{dc}}-R_{\mathrm{SA}}{i}_{a1}-L_A\frac{{\mathrm{di}}_{a1}}{\mathrm{dt}}=P_{B1}{U}_{\mathrm{dc}}-R_{\mathrm{SB}}{i}_{b1}-L_B\frac{{\mathrm{di}}_{a1}}{\mathrm{dt}}\\ i_{a1}=i_{b1}\end{array}\right.---\left(3\right)$

其中，U_dc为直流母线电压，P_A1、P_B1为第1次测试时电机的A相PWM占空比与B相PWM占空比；R_SA、R_SB、R_SC为电机三相电阻；L_A、L_B、L_C为电机三相定子电感；i_a1、i_b1为第1次测试时电机200的定子电流。由于控制器120发出的占空比恒定，所得到的电流也是恒定值，电感两端电压为零，

(3)式可以简化为：

$\left\{\begin{array}{c}{P}_{A1}{U}_{\mathrm{dc}}-R_{\mathrm{SA}}{i}_{a1}=P_{B1}{U}_{\mathrm{dc}}-R_{\mathrm{SB}}{i}_{b1}\\ i_{a1}=i_{b1}\end{array}\right.---\left(4\right)$

若i_a1=i_b1=0，则确定发生电机侧交流引出线101断路故障；若在误差允许的范围内i_a1≠i_b1，则确定电机侧变换器103全控型功率器件故障。

完成上述步骤后，在分别对B、C相，A、C相施加短时脉冲，得到式（5）（6）

$\left\{\begin{array}{c}{P}_{B2}{U}_{\mathrm{dc}}-R_{\mathrm{SB}}{i}_{b2}=P_{C2}{U}_{\mathrm{dc}}-R_{\mathrm{SC}}{i}_{c2}\\ i_{b2}=i_{c2}\end{array}\right.---\left(5\right)$

$\left\{\begin{array}{c}{P}_{A3}{U}_{\mathrm{dc}}-R_{\mathrm{SA}}{i}_{a3}=P_{C3}{U}_{\mathrm{dc}}-R_{\mathrm{SC}}{i}_{c3}\\ i_{a3}=i_{c3}\end{array}\right.---\left(6\right)$

其中，P_A*、P_B*、P_C*分别为A、B、C三相的PWM占空比，i_a*、i_b*、i_c*分别为A、B、C三相的全控型功率器件的电流（*=1、2、3），根据式(4)(5)(6)即可计算得到R_SA、R_SB、R_SC。若计算得到的电阻值小于定子的理论电阻值的80%或大于定子的理论电阻值的120%，则确定发生电机200参数异常故障。

如上所述的顺序执行步骤S120至S160过程中，确定故障源，则进行到步骤S180，记录和显示报错后退出，否则进行到下一步。若通过步骤S120至S160，没有检测到故障，则在步骤S170显示检测过程主要数据，并退出。

尽管参照其典型实施例表示和描述了本发明的实施例，以举例说明本发明的原理，但本发明并不限于表示和描述的实施例。应该理解，在不脱离由所附权利要求限定的本发明的精神和范围的情况下，本领域的技术人员可进行各种变动和修改。因此，应该理解，这样的变动、修改及其等同物全部包括在本发明的范围内。

Claims (10)

1.一种变频器故障诊断方法，所述变频器应用于电机-变频器-电网组成的变频调速***，所述变频器包括控制所述变频器的控制器和固有传感器，其特征在于，所述故障诊断方法包括如下步骤：

检测变频器是否处于停机状态，

当检测到变频器停机时，控制器逐一启动变频器的部件，并通过所述变频器固有的传感器检测变频器部件的运行状态来判断相应的部件是否发生故障，并定位故障源。

2.如权利要求1所述的方法，其中，所述变频器还包括直流母线、连接在直流母线上的电机侧变换器和电网侧变换器、连接到电机侧变换器的电机侧断路器、连接到电网侧变换器的电网侧断路器、与电网侧断路器并联连接的预充电回路以及直流母线的支撑电容，

其中，停机状态表示电机侧断路器和电网侧断路器处于断开状态，电机侧变换器、电网侧变换器停止工作；

其中，定位故障源的步骤包括：

检测电网是否发生故障；

若确定电网侧没有发生故障，则通过所述预充电回路对直流母线和支撑电容进行预充电，检测直流母线和支撑电容是否发生故障；

若确定直流母线和支撑电容没有发生故障，则停止所述预充电回路的预充电，闭合电网侧断路器，并检测电网侧变换器是否发生故障；

若确定电网侧变换器没有发生故障，则检测制动单元是否发生故障，

若确定制动单元没有发生故障，则检测电机侧变换器是否发生故障。

3.如权利要求2所述的方法，其中，检测电网的状态的步骤包括：基于电网的三相电压的绝对值、电网频率和电网电动势中的至少一个检测电网的状态。

4.如权利要求2所述的方法，其中，检测直流母线和支撑电容的状态的步骤包括：

基于预充电开始后不同时间点处的直流母线的电压值计算直流母线的电容值，并基于计算的电容值检测直流母线和支撑电容的状态。

5.如权利要求2所述的方法，其中，检测电网侧变换器状态的步骤包括：

基于电网侧变换器工作时的特征参数检测电网侧变换器的状态。

6.如权利要求2所述的方法，其中，检测制动单元的状态的步骤包括：

向制动单元施加脉冲PWM信号，并基于制动单元对于所述PWM信号的响应检测制动单元的状态。

7.如权利要求2所述的方法，其中，检测检测电机侧变换器状态的步骤包括：

向电机侧变换器施加脉冲PWM信号，并基于响应于所述PWM信号而流过电机侧变换器的电流来检测电机侧变换器的状态。

8.如权利要求1所述的方法，还包括步骤：显示和记录检测的结果。

9.如权利要求2所述的方法，其中，

所述的变频器的电机侧变换器与电网侧变换器为采用全控型功率器件组成的交流—直流电力电子变换电路，

所述全控型功率器件包括金属氧化物半导体场效应晶体管、绝缘栅双极型晶体管、集成门极换流晶闸管、门极可关断晶闸管，

所述电力电子变换电路包括两电平全桥、二极管钳位型三电平全桥、飞跨电容型三电平全桥。

10.如权利要求1所述的方法，其中，所述变频器的变换器与电机组成变频调速***，其中，所述电机包括永磁同步电机、电励磁同步电机、鼠笼式异步电机、绕线式异步电机。

Images