基于小波变换和神经网络的电压型变频器故障诊断系统

论文摘要

随着电力电子技术和微电子技术的迅猛发展,作为交流电动机主要调速方式的变频调速技术取得日新月异的进步。变频器以其优异的控制性能和显著的节能效果在多个领域得到广泛的应用。与其他生产设备一样,基于事物内部的矛盾性,变频器经常会出现各种各样的故障。主电路部分元器件故障是导致系统失效的主要原因。据统计,80%的控制系统失效都源于元器件的故障,所以研究变频器中主电路部分的故障问题,无疑具有重要的应用价值。由于变频器利用实验实际获取数据困难,所以本文首先对变频调速系统在MATLAB软件中进行仿真,针对市场主流的电压型变频器,建立其主电路的仿真模型,模拟了实际工况中几种常见的变频器主电路故障,如晶闸管开路、快速熔断器熔断、触发脉冲丢失等引起的支路开路故障。对于变频器而言,它的关键部分是逆变部分,所以选用逆变器输出电流波形作为故障特征信息的来源,以此进行故障诊断。针对逆变电路由于具有非线性的特征而无法建立精确数学模型进行故障诊断的问题,提出一种基于小波变换和神经网络的逆变电路故障检测与诊断方法。以三相输出故障电流作为故障信息,利用小波分析的方法提取低频能量值作为特征向量,通过神经网络实现逆变电路故障桥臂定位,最后利用逆变电路同一桥臂故障输出信号对称性的特点,用一种简单的逻辑判断实现故障元件的分离。仿真结果表明:该方法可诊断PWM逆变电路故障,且收敛速度快,诊断准确度高。本文以TI公司的TMS320LF2812为核心,设计了基于小波变换的变频器故障诊断系统。故障诊断硬件主要包括信号调理、模数转换、DSP及其外部接口、电源管理等组成部分。软件部分主要包括波形显示、谐波分析、小波变换、故障诊断及定位算法等功能模块。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第一章 绪论
• 1.1 研究背景与意义
• 1.2 变频器故障诊断技术国内外研究现状
• 1.3 小波变换在故障诊断中的应用
• 1.4 本课题研究的主要内容
• 第二章 变频器故障诊断流程分析
• 2.1 变频器的基本结构
• 2.2 变频器分类
• 2.3 变频器故障诊断系统结构
• 2.3.1 信号检测与处理
• 2.3.2 多故障源诊断流程图
• 2.3.3 变频器主电路故障诊断
• 2.4 小结
• 第三章 变频器故障诊断仿真研究
• 3.1 仿真工具SIMULINK简介
• 3.2 三相桥式不可控整流电路建模
• 3.3 三相电压型PWM逆变电路的故障模型
• 3.3.1 PWM控制的基本原理
• 3.3.2 PWM逆变电路的仿真模型
• 3.4 MATLAB仿真结果
• 3.5 小结
• 第四章 基于小波变换和神经网络的变频器故障诊断方法
• 4.1 变频器输出电流的小波变换
• 4.1.1 小波分析的基本理论
• 4.1.2 变频器输出电流的小波分解
• 4.2 变频器故障特征提取方法
• 4.2.1 故障特征提取方法
• 4.2.2 基于小波分解的能量特征提取方法
• 4.3 用于诊断的神经网络模型
• 4.3.1 神经网络模型的选取
• 4.3.2 基于BP模型的神经网络结构和算法
• 4.3.3 BP神经网络的改进算法
• 4.3.4 BP神经网络的训练过程
• 4.4 应用神经网络实现逆变电路故障诊断
• 4.4.1 逆变电路故障模式
• 4.4.2 BP神经网络故障特征参数设计
• 4.4.3 故障元件分离
• 4.5 仿真结果及其分析
• 4.6 小结
• 第五章 基于小波变换的变频器故障诊断系统设计
• 5.1 故障诊断装置主CPU选型
• 5.1.1 故障诊断装置的需求分析
• 5.1.2 TMS320F2812特点介绍
• 5.1.3 主CPU选用TMS320F2812的理由
• 5.2 故障诊断装置硬件设计
• 5.2.1 信号调理部分
• 5.2.2 模数转换部分
• 5.2.3 DSP部分
• 5.2.4 外部通讯接口部分
• 5.2.5 电源管理部分
• 5.3 故障诊断系统上位机软件的设计
• 5.3.1 系统主界面
• 5.3.2 系统基本功能
• 5.4 小结
• 第六章 总结与展望
• 参考文献
• 致谢
• 攻读硕士学位期间主要的研究成果