1、H橋逆變器電解電容參數性故障特征提取目前，在石油、鋼鐵、冶金、化工等行業中，級聯式變頻 器廣泛地應用于驅動風機、泵類及各種大型機械，已成為現 代社會節能、提高生產自動化水平、改造傳統工業、推動技 術進步的主要手段之一 。級聯式變頻器每相由多個低 壓H橋逆變器串聯組成，各 H橋逆變器由一個副邊多繞 組的移相變壓器供電。級聯式變頻器相對于傳統的兩電平 變頻器，主電路的功率器件增多了，因此其故障的可能性也 大大增加，故障問題也會越來越明顯。級聯式變頻器電解電容老化故障對變頻器的輸出電壓、電流影響很小，因而不容易被發現。若不能及時的診斷出該隱性故障，將會形 成很大的故障隱患，給安全生產帶來威脅。然而，

2、目前對于級聯式變頻器的 H橋逆變器電解電容老化故障診斷的 研究比較少，大多數是針對主電路拓撲結構、控制策略以及基于智能算法的故障診斷等研究，而對元器件劣化（如電解電容老化）情況下的故障特征研究很少，因此迫切需要提出級聯式變頻器性能劣化情況下 故障特征提取方法，并獲取其故障特征。級聯式變頻器中的H橋逆變器都配有濾波電解電容其功能主要是支撐功率單 元母線電壓及吸收逆變器的電壓紋波。為了將母線電壓紋波 控制在一定圍，電解電容的容量下限都有一定要求。電解電 容長期在高溫或大的紋波電流環境下工作，會導致電容里面的電解液會緩慢泄露或紋波電流超過電解電容的額定紋波電流，最終導致電解電容老化，容量變小，從而影

3、響變頻器的性能指標。本文針對H橋逆變器的電解電容的老化故障特征提取問題，分析了傳統基波等效分析法的不足，提出基于小波包頻帶能量法的母線電壓信號分析方法，獲取頻帶能量分布圖，準確提取出H橋逆變器電解電容老化故障情況下的故障特征。2 H橋逆變器的建模本文以6kV級聯式變頻器為研究對象，它有15個H橋逆變器功率單元組成，每相由5個額定電壓為6 9 0 V 的低壓H橋逆變器功率單元串聯組成。每個功率單元承受系統1/5的輸出相電壓和全部的輸出相電流，而功率單元的設計功率是1/ 15的輸出總功率，圖1為 A相一個H橋逆變器功率單元原理圖。電解電容器在工作過程中，會緩慢地發生介電擊穿現 象，電流會由電容器的

4、一端經過其絕緣層流向電容器的另 一端。介電擊穿的結果往往是災難性的，會導致短路或者 開路故障。電解電容器本身存在許多非理想特性，可以通 過附加寄生元件來表征，如圖2所示是電解電容器的等效 電路模型。ESR為其等效串聯電阻，C為等效串聯電容，ESL為等效串聯電感， EPR 為電容器等效并聯電阻。由于在實際情況中，這些特征參數的影響不容忽略，所以仿真時 均考慮在。3 H橋逆變器電解電容故障特征提取方法3.1基波等效分析法傳統的基波等效分析法，是在假定電解電容能吸收大部分的電流紋波的條件下，只考慮H橋逆變器輸出電壓和輸出電流的基波成分，分析基波成分對特征參數紋波電壓的影響。本文假設分析時的調制比為M

5、 , 30為輸出電流角頻率，$為功率因數角。根據圖1所示， H橋逆變器的輸入電流可以表示為：H橋逆變器的開關函數 S1 、 S 2的表達式為：由紋波電壓值的計算公式（7 ）可知，傳統基波等效分析法只是從基波成分來分析，通過電容老化程度推斷出紋波電壓的變化程度，以此提取電容老化的故障特征。但是，此方法忽略了諧波的影響，以及實際情況中ESR 的值隨著 電容老化程度的增大而增大的現象。在信號擾動比較大的情 況下，誤差會較大，可靠性不高。3.2基于小波包頻帶能量的故障特征提取方法小波包分析是一種精細的信號分析方法，對頻帶進行 多層次劃分，而且能夠根據信號的特征，自適應的選擇相應 頻帶，以此與信號頻譜匹

6、配，具有較高的時頻分辨率，對信 號具有更強的分析能力。小波包頻帶能量法就是以頻帶能 量為元素構造其特征向量，做出頻帶能量圖，直觀的反應信 號的故障特征。當H橋逆變器的電解電容發生老化故障時，母線電壓 信號會有較大的變化。母線電壓信號的各頻帶能量有著豐 富的特征故障信息，頻帶能量的變化就代表了一種故障特 征。由于紋波電壓信號中直流分量很大，為了突出故障特 征，對信號進行小波包分解前，需要濾除直流分量。故障特 征提取步驟如下。1 ）信號預處理。首先對母線電壓采樣信號進行處理， 濾除直流分量。2 ）進行小波包分解，并求取各頻帶信號的能量。本文采用4層小波包分解，Sij為第i層的第j個節點，其中i =

7、0,1,2,3,4；j=0 , 1 ,2 ,315。設 S 4 j(j=0 , 1 ,2 ,3，15）對應的能量為E 4j ( j =0 ,1,2,3，15:），則有:3 ）構造頻帶特征向量。當H橋逆變器電解電容發生老化故障時，會對各頻帶的信號能量有影響，在此，以頻帶能量為元素可以構造特征向量。特征向量T構造如下:為了在應用上通用方便化，采取歸一化相對能量檢測，對特征向量進行能量歸一化處理，即：根據特征向量 T可以作出各個頻帶分解信號相對能量的直方圖，該直方圖稱為頻帶能量圖4 電解電容參數性故障仿真與分析本文利用 MATLAB / Simulink搭建了 一一個H橋逆變器功率單元仿真平臺，主要

8、由三相交流電壓 源、變壓器、三相不可控整流橋、直流母線濾波電解電容、H橋逆變器、RL負載等部分組成。三相交流電壓源的額 定輸入線電壓為7 2 0 V，等效串聯電阻 ES R初始值為0 .5Q ，變化圍為0.52Q。 RL 負載的電阻值為 15Q ，電感值為 20mH 。通過改變濾波電容容量大小來模擬電容老化故障，電容的額定初始值是 5.21mF 。為了提取電容老化的故障特 征，驗證小波包頻帶能量法在提取H橋逆變器電容老化故障特征的有效性，分別取電容正常（5.21mF ）和老化程度為10%( 4.68mF) ,20%(4.17mF),30%(3.65mF )等4組數據。采樣頻率取20 0 0 H

9、z ,選取的小波基為db4小波包分解層數為4層，共16個頻帶，分別取電容正常和不同老化程度下的第18個特征頻帶的頻帶能量，即E 40E 47 ,得到其頻帶能量值如表1所示。第916個特征頻帶的頻帶能量，即 E 4 8E 415 ，主要是干擾信息，這里不再 列出。同時，根據第 18個特征頻帶的能量值，作出其 頻帶能量圖如圖3所示。根據表1可知，正常情況下紋波電壓的主要頻率成分集中在特征頻帶1、2和4上，即卩062.5Hz 、622 .5-12 5Hz和187.525 0Hz，其中頻帶2所 占 的比重最大即為34.25% ,其次頻帶 1所占比重為15.3 7%。隨著電容老化程度的增大，頻帶2和頻帶4能量值也逐漸增大。以電容 老化程度3 0%為例，頻帶2的能量值E 41從0. 34 2 5逐漸增大到0.7134,為正常情況下的2 . 08倍，頻帶4的能量值E 43增大到原來的3. 2 1倍，而其余的頻帶相對能量值變化不大。由此可見，通過提取紋波 電壓信號的頻帶能量，以頻帶2和4的能量作為電解電容老 化故障特征，可以準確診斷出H橋逆變器電容老化故障，該方法比傳統的基波等效分析法可靠性高。圖3電容正常和不同老化程度下的頻帶能量圖結論針對H橋逆變器電解電容老化故障特征提取問題，通 過仿真分析，驗證了小波包頻帶能量法在提取