韓國慶，王玉福，邊 靜，劉辛穎

（開灤(集團(tuán))有限責(zé)任公司，河北 唐山 063018）

1 引言

變頻器主要應(yīng)用變頻技術(shù)與微電子技術(shù)，由整流、逆變和平波回路等組成，利用其內(nèi)部的IGBT（絕緣柵雙極型晶體管）對供電電源的電壓和頻率進(jìn)行調(diào)整，有著優(yōu)越的調(diào)速、節(jié)能和保護(hù)等功能[1]。隨著煤礦井下開采工作對大功率采掘設(shè)備和運輸設(shè)備的使用不斷增加，相應(yīng)的電壓控制要求也在持續(xù)增長。因此，確保變頻器可靠安全運行，對降低電能消耗和提高礦井工作安全性和自動化程度具有非常重要的現(xiàn)實意義和經(jīng)濟(jì)價值。

干擾故障是當(dāng)前礦用變頻器運行過程中常見的故障之一，主要有電磁干擾、信號干擾等。一般來說，電氣設(shè)備必須同時具備抑制低頻干擾和高頻干擾的能力。低頻干擾來源主要為電源的頻率振蕩波動幅度大和電壓不穩(wěn)定等；高頻干擾則主要包括電磁場射頻傳導(dǎo)發(fā)射干擾、脈沖干擾、諧波干擾和靜電放電等。礦用變頻器由于作業(yè)環(huán)境十分復(fù)雜，礦井下干擾現(xiàn)象發(fā)生的概率通常很高，變頻器不僅自身會被各種干擾所影響，同時還可能對周圍環(huán)境造成干擾。

對此，早年有外國學(xué)者Thorsenov 等提出利用Walsh 變換輸出得到頻域特性對變頻器展開故障診斷分析，此方法可以在頻譜特性一個周期中就發(fā)現(xiàn)與之映射關(guān)系最強(qiáng)的數(shù)據(jù)并對其進(jìn)行診斷[2]。Campos 等人采用傅里葉變換取得逆變器內(nèi)定子電流信號頻域成分，得到和功率開關(guān)器件故障類型對應(yīng)的關(guān)系式[3]。Mendes 等通過利用Park 矢量法得到平均輸出電流的相位和幅值作為特征數(shù)據(jù)，根據(jù)不同故障表現(xiàn)出的直流特性不同，建立了電流均值和故障的映射關(guān)系[4]。Estima 在這基礎(chǔ)上提出用三相電流作為信號基礎(chǔ)，用Park 矢量法提取三相電流平均值的絕對值進(jìn)行故障診斷，提高了診斷的準(zhǔn)確度和速度[5]。Shahbazi 提出根據(jù)設(shè)備工作時產(chǎn)生的感應(yīng)電流變化量和時間的關(guān)系，作為變頻器故障診斷的判斷依據(jù)，此方法通過對電流設(shè)定閾值和瞬時值進(jìn)行比較，診斷精度較高[6]。國內(nèi)劉穎等結(jié)合了信號頻譜分析方法和迷糊理論，分別提取變頻器不同情況下的電壓信號波形并對其進(jìn)行頻域分析得到可用的特征信號作為參照樣本，再提取特定故障時的信號元素作為測試數(shù)據(jù)，對參照樣本和測試數(shù)據(jù)的隸屬關(guān)系進(jìn)行計算，可以得到元件故障的具體位置[7]。郭石凱利用滑動模型和輸入未知參數(shù)兩種算法，針對提高變頻器的三相PWM 整流器和逆變器故障定位展開研究，最后得出輸入未知觀測器的算法在整體上判斷效果更好的結(jié)論。孫建勇等則采用故障樹的方法對變頻器實際工作情況建立診斷模型，得到了較為理想的診斷效果[8]。

2 變頻器常見的干擾故障來源

2.1 干擾源

干擾源是指對變頻器的正常工作產(chǎn)生干擾的自然現(xiàn)象、設(shè)備和元器件等，這些干擾源通過電源、穩(wěn)壓器網(wǎng)絡(luò)、電磁波輻射或電感等方式傳播進(jìn)入變頻器內(nèi)，容易引起變頻器的誤操作而致使其出現(xiàn)故障，造成測控系統(tǒng)失準(zhǔn)和失靈，在一定程度上破壞了整個系統(tǒng)的穩(wěn)定運行。針對干擾源的分析通常從干擾信號能量、信號形式和頻域與時域[9]等方面入手。變頻器受到的干擾可分為外部干擾和內(nèi)部干擾，本文對其干擾源的分析也分為外部干擾源和內(nèi)部干擾源[10]兩部分。

礦用變頻器的外部干擾源又可分為人為干擾源（包括輸電線路、開關(guān)系統(tǒng)、廣播、雷達(dá)、通信、導(dǎo)航和其他工業(yè)設(shè)備等）和自然干擾源（包括熱聲、噪聲、雷電干擾、大氣層干擾和宇宙干擾等）。礦用變壓器的內(nèi)部干擾源則主要有無源器件噪聲、有源器件噪聲、電路噪聲和EUT（受試設(shè)備）干擾等。因為晶閘管導(dǎo)通時間為每一相的半個周期，如果變頻器的換流設(shè)備中包含容量較大的晶閘管，可能會使網(wǎng)絡(luò)電壓產(chǎn)生凹凸現(xiàn)象，最終位于變頻器輸入側(cè)的整流電路會產(chǎn)生較大的反向電壓而使設(shè)備發(fā)生故障。而當(dāng)通過補(bǔ)償電容來對功率因數(shù)進(jìn)行提高時，網(wǎng)絡(luò)電壓可能會在投入和切出電容補(bǔ)償?shù)臅簯B(tài)過程中達(dá)到一個較高的峰值，過高的反向電壓會使變頻器的整流二極管被擊穿。

2.2 電磁干擾

隨著煤礦井下電氣裝置的增加，其空間中的電磁能量成分也在不斷增加。由于礦井電磁環(huán)境復(fù)雜，電子設(shè)備之間會互相影響，如何減少設(shè)備之間的電磁干擾對于它們的正常運行至關(guān)重要。電磁干擾是指任何可能導(dǎo)致設(shè)備和系統(tǒng)信號減少或性能損壞的電磁現(xiàn)象，甚至可能對器件和人身安全造成破壞性的影響。由于煤礦一般由若干條不同形狀的巷道組成，巷道空間小，濕度大，粉塵大，腐蝕性氣體和液體濃度高，礦井下的電磁環(huán)境十分復(fù)雜。礦用電纜懸掛在巷道的一側(cè)，電壓范圍廣。此外，大功率設(shè)備集中存放地點也會對通訊系統(tǒng)造成嚴(yán)重干擾，電磁干擾的強(qiáng)度會隨頻率的變化而變化。IGBT 裝置具有安裝簡單、散熱性能好以及開關(guān)頻率高等優(yōu)點，但其動作過程中伴隨著電壓和電流的瞬時上升或下降的變化，會產(chǎn)生較高的du/dt和di/dt 的高頻脈沖。高頻脈沖與寄生參數(shù)作用之后，向外輻射電磁干擾。因此，針對礦井變頻器電磁干擾的分析，可以基于頻域展開。

2.3 信號干擾

變頻器有開閉環(huán)兩種控制方式，其閉環(huán)控制可以通過將輸出信息和輸入信息進(jìn)行對比，再將運算結(jié)果反饋至系統(tǒng)并展開控制調(diào)節(jié)，以此實現(xiàn)控制系統(tǒng)輸入和反饋變化信息的動態(tài)調(diào)節(jié)，確保變頻器輸出結(jié)果可以最大精度接近設(shè)定值。變頻器閉環(huán)控制主要有轉(zhuǎn)差頻率控制、矢量控制（VC）方式、直接轉(zhuǎn)矩控制方式和矩陣式交-交控制方式等。為了彌補(bǔ)低速運轉(zhuǎn)時不易辨別的缺陷，通常選擇需要安裝旋轉(zhuǎn)編碼器的閉環(huán)控制，并且?guī)Ь幋a器的閉環(huán)控制速度精度比其他控制方式精度更高，測量值更精確[11]。

但由于礦井環(huán)境存在粉塵大、濕度高、散熱慢和煙霧多等諸多不利條件，較精密設(shè)備如控制器、編碼器和傳感器的正常工作受到很大的影響，進(jìn)而在一定程度上影響了變頻器的閉環(huán)控制系統(tǒng)的穩(wěn)定安全運行。圍繞編碼器產(chǎn)生的信號干擾影響變頻器正常運行情況主要有以下幾種原因：

（1）元器件自身故障。因設(shè)備自身損壞，無法輸出正確波形。

（2）電源故障。編碼器的電壓不能低于DC4.75V，一般為DC5V，電源發(fā)生故障造成的電壓過高或過低問題，或電纜太長導(dǎo)致線阻太大進(jìn)而影響電壓超過限值。

（3）位置故障。編碼器安裝時沒有與電機(jī)轉(zhuǎn)軸良好對中同心，運行時行間松動或門機(jī)振動，使采集到的信號誤差過大，最后使得輸出得到錯誤的波形。

（4）信號故障。這類故障通常發(fā)生的概率比以上三種情況更大，主要原因分為三種：電纜通信發(fā)生接觸不良的問題如短路和斷路等情況；屏蔽層由于沒有可靠接地而產(chǎn)生的干擾現(xiàn)象；光柵污染（主要大量存在于粉塵環(huán)境）。

3 干擾故障分析過程

3.1 波動信號預(yù)處理

由于變頻器與終端監(jiān)控設(shè)備之間的通信連接反饋的信號中可能攜帶大量噪聲與干擾信息，信息采集時需要對反饋信號進(jìn)行電壓波動消除處理[12]?？蓪⒋诉^程作為盲源信號的分離處理過程，在已知信號源與信號傳輸信道參數(shù)的基礎(chǔ)上，提取噪聲信號、觀測信號，將信號一并錄入觀測系統(tǒng)，完成對源信號的分離處理。在此基礎(chǔ)上，由于變頻器中直流母線的電壓為非恒定值，在運行過程中，電壓必須達(dá)到一定的過欠壓范圍才能實現(xiàn)對其運行的邏輯檢測。因此，通常設(shè)計的礦用變頻器過電壓應(yīng)滿足10%、50%的欠壓容量，而采用固定閾值的檢測原理，則不能探測到電源輸出電壓的改變。為解決此方面的問題，在完成對電源信號的處理后，引進(jìn)鏡像電流源檢測法，在直流母線電壓發(fā)生動態(tài)改變時，對電源輸出邏輯進(jìn)行錯誤判斷，以此為依據(jù)，設(shè)計變頻器反饋信號電壓波動的消除處理。處理過程中，變頻器在作業(yè)過程中三極管射極電壓相同，根據(jù)基爾霍夫電流定律，可以計算輸入變頻器的電壓值：

式中表示變頻器的輸入電壓；表示反相器；表示射極電阻；表示直流母線電流值；表示功率單元輸出電阻值。為了實現(xiàn)對變頻器在作業(yè)過程中電壓波動的消除處理，其輸入電壓應(yīng)當(dāng)滿足條件如下公式所示：

表示調(diào)理電路參數(shù)；表示模塊輸出端電壓；表示采樣電位差值。在輸入電壓滿足上述條件后，通過反饋信號的盲源處理方式，提取源信號，即可完成對變頻器反饋信號電壓波動的消除處理。

3.2 基于小波變換的故障信號提取

雖然變頻器在不同的故障情況下輸出電壓信號波形也會不同，可以通過建立一一對應(yīng)的映射關(guān)系對其進(jìn)行詳細(xì)分析。但往往變頻器不同的故障時其輸出電壓差異并不大，甚至非常相似，難以對它們進(jìn)行區(qū)分。傅里葉變換能夠?qū)⑿盘枏臅r域變換到頻域，但是對于非平穩(wěn)信號，傳統(tǒng)的傅里葉變換并不能對其精確的分析，短時傅里葉變換又有在頻率動態(tài)變化時不能隨之變化的缺陷。小波變換可以看作在短時傅里葉變換的基礎(chǔ)上，有著能夠適應(yīng)信號動態(tài)變化的優(yōu)點，所以本文計劃采用小波變換的方法對輸出信號進(jìn)行提取，通過多種運算手段對信號進(jìn)行多尺度的細(xì)化分解，可以提取得到比原始數(shù)據(jù)更明顯的差異信號。以三級分解為例，小波變換過程如圖 1 所示。

如式（3）所示小波變換原理依舊為原信號和基函數(shù)的乘積，且有兩個變量，即為原信號函數(shù)，a 指控制頻率變化（基函數(shù)的伸縮）的尺度，b 為實現(xiàn)基函數(shù)在時間軸上平移的平移量，由此小波分解變換能夠得到各種成分具體的時域位置。如圖1 所示為小波三級分解示意圖，S 為原信號函數(shù)，A1-A3 為信號分解得到的近似低頻分量，D1-D3 為高頻近似分量，每一層只針對低頻分量展開分解操作，則此原信號函數(shù)可等效為S=A3+D3+D2+D1。a 和b 均為連續(xù)變量，在實際計算時由于計算機(jī)只能對二進(jìn)制數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，需要把a(bǔ)、b 變量離散化。規(guī)定變量a 和b 以指數(shù)形式增長，令a=a1k，b=ya1kb1(a1＞0，k 為整數(shù))，可得小波變換離散化后基函數(shù)表達(dá)式為：

圖1 小波分解結(jié)構(gòu)樹

圖2 小波分解變換流程圖

其又可稱之為離散小波變換，令任意原信號為平方可積函數(shù)f(t)=L2(R)，則此函數(shù)小波分解表達(dá)式為：

對應(yīng)的能量值計算函數(shù)式為：

小波分解變頻器特征信號主要分為如下5 步：（1）導(dǎo)出變頻器的故障信號周期幅值數(shù)據(jù)。（2）選取一個周期的幅值數(shù)據(jù)將其低頻分量進(jìn)行多層分析（以三層為例），得到四個頻帶的小波變換系數(shù)和函數(shù)關(guān)系S=A3+D3+D2+D1。（3）求解四個頻帶的能量信號：其中分別為三次小波分解后的四個頻帶，為其對應(yīng)的能量信號。（4）計算得到的全部能量信號即可構(gòu)成特征向量M 呈現(xiàn)了不同故障情況下分別對應(yīng)的特征信號。（5）由于小波變化得到的能量信號可能會出現(xiàn)較大幅值使計算變得復(fù)雜，對故障診斷產(chǎn)生不利影響，所以需要對特征向量M 合并到一起歸一化處理組成新的向量，可選擇利用公式進(jìn)行歸一化處理。整體而言小波分解的流程如圖 2 所示。

3.3 矩量法計算電磁干擾

矩量法基于麥克斯韋積分方程建立，通過將連續(xù)的矢量積分方程離散化，得到離散的標(biāo)量代數(shù)方程[13]，使得電磁積分方程通過數(shù)值求解手段就可以得到數(shù)值解，又被稱為“源”的求解算法，具有計算精度高和對任意形狀三維目標(biāo)適應(yīng)性良好的優(yōu)點。矩量法用于微分方程時所得到的代數(shù)方程組的系數(shù)矩陣往往是病態(tài)的，因此它主要用于求解積分方程。由于格林函數(shù)自動滿足輻射邊界條件，所以矩量法無需像微分方程法那樣必須設(shè)置吸收邊界條件，只需要離散幾何模型，無需離散空間，對于求解變頻器中復(fù)雜的電磁場邊界的問題可以靈活求解，比其他數(shù)值解法更有優(yōu)勢。自提出以來，矩量法在電磁輻射、電磁散射、電磁兼容等方面得到了廣泛應(yīng)用[14]。

矩量法求解過程中需要計算廣義矩量，基本過程主要包括以下三步：（1）離散化處理：將待求函數(shù)表示為算子定義域內(nèi)一組線性無關(guān)的基函數(shù)的線性組合，然后依據(jù)算子的線性特性，將其轉(zhuǎn)化為代數(shù)方程。（2）取樣檢測處理：將算子的值域內(nèi)一組線性無關(guān)的代數(shù)方程同權(quán)函數(shù)取內(nèi)積并對其開展N 次抽樣檢驗，根據(jù)算子的線性性質(zhì)和內(nèi)積的性質(zhì)，即可將抽檢得到的內(nèi)積方程轉(zhuǎn)化得到矩陣方程。（3）矩陣求逆處理：通過矩陣求逆再與前式聯(lián)立，即可得到所求解。值得一提的是，矩陣規(guī)模的大小影響著矩量法內(nèi)存的占用量，從而決定了計算的速度，所以加速矩量法計算的因素之一即為減少矩陣方程的存儲量。

待求量即由函數(shù)f 轉(zhuǎn)變?yōu)镹 個未知量an，可得：

求解N 個未知量，需要建立N 個方程，因此采用插值的方法使N 個點完全滿足函數(shù)要想使誤差在全域上最小，而非僅僅在單點上完全滿足，選擇采用擬合的方法。引入檢驗函數(shù)在上式兩邊同時對作內(nèi)積，這個內(nèi)積即被稱為矩量，即在空間基函數(shù)上的分量。從而得到：

將未知量的式子(11)代入式(7)可求解得到函數(shù)f。完整的矩量法流程如圖3 所示。

圖3 矩量法求解電磁干擾信號流程圖

相較于其他算法，矩量法的求解具有較高的準(zhǔn)確度，缺點是計算所需內(nèi)存大。因此采用矩量法求解電磁場時，結(jié)果的準(zhǔn)確度主要取決于對目標(biāo)物體建模的精細(xì)程度、權(quán)函數(shù)和基函數(shù)的選擇以及阻抗元素的計算[15]，其計算量的大小取決于計算頻率以及幾何模型的尺寸大小。

4 變頻器故障預(yù)防和處理措施

（1）降低輸出脈沖電壓變化率。在正常工作時，變頻器電機(jī)匝間絕緣沖擊過電壓的變化值會隨著輸出脈沖電壓上升沿/下降沿時間的減小而增大，過電壓增加到超過一定限值時會加速設(shè)備的老化甚至造成設(shè)備的損壞。因此，增加變頻器輸出脈沖電壓的波形上升時間，防止沖擊電壓過大，極大地降低了變頻器需要承受的最大電壓，以此保證電機(jī)繞組的匝間電壓合理分布。

（2）加裝濾波器。將抗干擾濾波器串接在變頻器的輸入端口，避免干擾信號由電源線侵入設(shè)備；將脈沖電壓轉(zhuǎn)變近似正弦的電壓，并降低電壓的高頻諧波，也可以起到降低變頻器承受的過電壓的作用[16]，提高變頻器的使用壽命。

（3）增強(qiáng)設(shè)備的的散熱能力。變頻器正常運行時，因為其敏感性很容易受到周圍環(huán)境變化的影響，不僅其外部工作環(huán)境可能產(chǎn)生較高的溫度，變頻器內(nèi)部的運行模塊也會產(chǎn)生較多的熱量，使變頻器無法在高溫環(huán)境下持續(xù)穩(wěn)定運行。所以應(yīng)充分考慮礦井下環(huán)境的溫度濕度是否有利于變頻器運行散熱等因素，采用高效率冷卻方式，避免變頻器運行時因溫度過高而引發(fā)故障。

（4）定期檢查。礦井特殊工況環(huán)境，控制模塊和通訊線路以及屏蔽層接地情況等都需要接受定期的檢查和及時的維護(hù)，避免出現(xiàn)通訊故障。

（5）單端接地。變頻器可靠接地即能防止變頻器向外輻射電磁波影響其他設(shè)備，又能避免外部環(huán)境的電磁波影響變頻器內(nèi)部的情況。由于雙端接地可能有電壓壓差較大或其他不利于穩(wěn)定的情況，可以選擇將變頻器的外殼良好單端接地。

（6）盡量縮短配線距離。電纜線到指定電路之間距離應(yīng)當(dāng)盡可能地縮短，同時需要與主回路的線路分開，這樣可以對干擾信號起到屏蔽的作用。當(dāng)電纜的配電線和控制電路的長度不能減小時，可以選擇搭建隔離放大器的附加電路。

（7）RC 電路和線圈并聯(lián)。由于繼電器的接觸器觸點在開斷和閉合時會伴有浪涌電壓的產(chǎn)生，采用該方式可以對其進(jìn)行限制。

（8）針對頻繁出現(xiàn)的電磁干擾，必要時可以采用的方法還有：光電耦合隔離、分開布局動力線和雙絞線、濾波噪聲利用軟硬件等方法進(jìn)行抑制，提升其自身抗干擾能力。

5 結(jié)論

變頻器在煤礦產(chǎn)業(yè)的廣泛使用和持續(xù)改進(jìn)不僅高效促進(jìn)了井下作業(yè)時設(shè)備運行的安全性和可靠性，還大大節(jié)省了工業(yè)生產(chǎn)的能量損耗，降低了工廠的運作成本。由于其內(nèi)部結(jié)構(gòu)復(fù)雜，故障診斷研發(fā)技術(shù)還需要不斷進(jìn)行完善，確保變頻器設(shè)備日常維護(hù)和檢修工作正常進(jìn)行十分重要。本文主要分析了變頻器在工作時常見的兩種干擾故障——電磁干擾和信號干擾，首先對信息采集時的反饋信號進(jìn)行了消除電壓波動的處理計算。然后著重根據(jù)小波變換分解方法分解多層故障信號，并去除每層的高頻分量系數(shù)，對相應(yīng)的低頻信號系數(shù)進(jìn)行提取，再求解出不同故障情況下的能量信號，即構(gòu)成了完整的故障特征向量。接著根據(jù)矩量法進(jìn)行了電磁干擾計算方法的討論，最后提出了幾種可以對干擾故障進(jìn)行預(yù)防和維護(hù)的方法。通過對變頻器的常見干擾故障的了解和掌握，可以總結(jié)得到變頻器故障的實踐經(jīng)驗和教訓(xùn)，保障變頻器可靠穩(wěn)定運行。在今后的礦用變頻器應(yīng)用中，更要加強(qiáng)開展技術(shù)培訓(xùn)和理論指導(dǎo)，不斷提升相關(guān)工作人員故障檢修和排查能力，為變頻器的安全穩(wěn)定運行提供可靠的技術(shù)支持。要定時檢查，維護(hù)良好的井下環(huán)境，及時發(fā)現(xiàn)安全隱患問題，杜絕重大故障的發(fā)生，為保障煤炭可靠、有序、安全的開采提供堅實有力的基礎(chǔ)。