变频调速技术是现代电力传动技术的重要发展方向，随着电力电子技术、微电子技术和现代控制理论在交流调速系统中的应用，变频交流调速已经逐渐取代了过去的滑差调速、变极调速、直流调速等调速系统。变频器作为交流调速的主要装置，不仅调速平滑，调速范围大，启动电流小，而且节能效果明显，在工业领域内应用越来越广泛。因此，对于变频器的状态监测和故障诊断的研究，确证设备的正常运行对工业生产具有重要意义。

2 变频器基本结构

通用型变频器大致包括几个部分：a整流电路；b直流中间电路；c逆变电路；d控制电路。其中产生可调电压和可调频率的逆变电路是变频器的核心技术。变频器从结构上分为交-交变频器与交-直-交变频器，从变频性质上主要分为电压源型变频器与电流源型变频器。目前国内生产的变频器主要以电压源型交-直-交变频器为主，其主电路结构如图2-1所示。

图2-1 变频器主电路图

其中IGBT构成了变频器主要硬件，图2-1中主电路功能有整流电路、滤波电路、逆变电路、限流电路、制动电路、驱动电路、保护电路七个部分。

2.1整流电路

由 ～ 组成三相桥式全波整流电路，将三相交流电整流为直流电。

2.2滤波电路

整流电路输出的直流电压为脉动的直流电压，因而需滤波电路滤去电压波纹，同时它还在整流电路与逆变电路中起到储能作用。

2.3逆变电路

由开关管 ～ 构成逆变电路将直流电压逆变成三相频率、电压可调的交流电以驱动三相电动机，是变频器实现变频的关键环节。

2.4限流电路

由限流电阻R及开关 构成，由于上电瞬间滤波电容端电压为零，上电瞬间电容充电电流较大，过大的电流可能损坏整流电路，为保护整流电路在变频器上电瞬间限流电阻串联到直流回路中，当电容充电到一定时间后通过开关 将电阻短路。

2.5制动电路

由制动电阻 及开关管 构成，主要作用是用于消耗电动机反馈回来的能量，避免过高的泵升电压损坏变频器；变频器功率在18.5 kW以下的机型，主电路主要采用集整流、逆变、制动电路和温度检测为一体的七单元模块构成，22 kW及以上的机型采用整流模块和三路两单元逆变模块构成。

2.6驱动电路

驱动电路是将主控电路中CPU产生的六个PWM信号，经光电隔离和放大后，作为逆变电路的换流器件提供驱动信号。驱动电路因换流器件的不同而异。目前，一些开发商开发了许多适宜各种换流器件的专用驱动模块。大部分的变频器采用驱动电路。图2-2是较常见的驱动电路，从修理的角度考虑，驱动电路由隔离放大电路、驱动放大电路和驱动电路电源组成。三个上桥臂驱动电路是三个独立驱动电源电路，三个下桥臂驱动电路是一个公共的驱动电源电路。

图2-2  驱动电路

2.7保护电路

每个品牌的变频器都有保护功能，有常规的检测保护电路，软件综合保护功能。有些变频器的驱动电路模块、智能功率模块、整流逆变组合模块等都具有保护功能。图2-3所示的电路是较典型的过流检测保护电路。由电流取样、信号隔离放大、信号放大输出三部分组成。

图2-3  电流检测保护电路(U相)

3 变频器故障类型及产生原因

3.1故障类型

尽管变频器已采用多种新型部件和优化结构，但从目前的元件技术水平和经济性考虑，仍不可避免的采用了寿命相对较短的零部件。与此同时，还不排除零部件受到安装环境的影响，其寿命可能要比预期的时间要短。变频器的故障率与使用时间的关系曲线如图3-1所示。

图3-1  变频器故障率与使用时间关系曲线

在图3-1中，初期故障是指变频器在安装调试和初期运行阶段，由于元器件的某种缺陷或某种外部原因而发生故障。元器件经过器件制造厂家出厂检测，变频器生产厂家进厂入库前的抽样检测，以及变频器出厂前经过严格的整机检测，能使变频器故障率降低到比较低程度。由于个别器件存在隐患和现场安装及初期运行时误操作，致使这一期间变频器故障率较高。

　  当变频器投入正常使用后，在较长的一段时间内出现故障的情况明显减少，这时的故障可能有变频器内部某个器件发生突发性故障，也可能是由于使用环境差，使变频器内部引起的故障。由于这种故障偶然性强、较难预料，故称为偶发故障。一般来说，在开发设计阶段有针对性地增加零部件的额定余量，在使用阶段加强维护保养是解决偶发故障的主要手段。

磨损故障是临近使用寿命后期而发生的故障，主要特征是随着时间的推移故障率明显的增加。为了延长变频器的使用寿命，需要对变频器进行定期的检查和保护，在预计零部件即将到达使用寿命时进行更换，做到有备无患。

3.2故障原因

（1）外部原因。如操作错误、参数设定不正确、负载过重、外部冷却风扇损坏、温度过高、外界干扰、电网本身有问题等。

（2）内部原因。如电路短路、接地元件损坏、绝缘破坏、接插件接触不良、模块损坏等。

4 变频器的故障诊断与维修

由于使用方法的不正确或设置环境的不合理，将容易造成变频器误动作及发生故障，常用的故障诊断方法有：（1）故障树诊断法；（2）人工与自诊断结合法；（3）对比诊断法。但是在实际的故障中，应当对故障原因进行认真分析，排除变频器外围电路和机械部分故障后，针对变频器的电路结构，结合故障现象和变频器主电路结构框图，对实际电路故障进行分析和诊断。

4.1主回路跳闸

该故障表现为变频器运行过程中有大的响声，或开机时送不上电，变频器控制用的断路器或空气开关跳闸。这种情况一般是由于主电路(包括整流模块、电解电容或逆变桥)直接击穿短路所致，在击穿的瞬间强烈的大电流造成模块炸裂而产生巨大响声。引起这类故障的主要原因有以下几种情况：

4.1.1整流模块损坏的原因

整流模块损坏的主要原因有：（1）器件本身质量不好；（2）后级电路，逆变功率开关元件损坏，导致整流桥流过短路电流而损坏；（3）电网电压太高，电网遇雷击和过电压浪涌。电网内阻小，过压保护的压敏电阻已经烧毁，不起作用，导致全部过压加到整流桥上；（4）变频器与电网的电源变压器太近，中间的线路阻抗很小，变频器没有安装直流电抗器和输入侧交流电抗器，使整流桥处于电容滤波的高幅度尖脉冲电流的冲击状态下，整流桥损坏；（5）三相输入缺相，使整流桥负担加重而损坏。

为保证整流模块的正常作用，要解决这类电网波形畸变的有效方法是：（1）在配电变压器后面的变频器的总负载容量不要太大，一般应小于配电变压器容量的1/10以下；（2）变频器要配置直流电抗器和输入侧交流电抗器，而且选择电抗器的电感数值应当大一些为好。直流电抗器电感量越大，电流连续性越好，对功率因数改善越有利。

4.1.2 IGBT损坏的原因

IGBT的损坏主要是由于均压造成的，这包括动态均压和静态均压。具体包括：（1）在使用较久的变频器中，由于某些电容的容量减少而导致整个电容组的不均压，分担电压高的电容容易炸裂。IGBT的损坏主要是由于母线尖峰电压过高而缓冲电路吸收不利造成的。在IGBT导通与关断过程当中，存在着极高的电流变化率，当母线设计不合理，造成母线电感过高时，就会使模块承担的电压过高而被击穿，击穿的瞬间大电流造成模块炸裂，所以减小母线电感是保护变频器的关键；（2）在IGBT的前级光电隔离器件因击穿导致功率器件也被击穿，或印制板在隔离器件部位因尘埃、潮湿造成打火击穿，导致IGBT损坏；（3）雷击、房屋漏水人浸，异物进入、检查人员误碰等意外，也会可能导致IGBT被击穿。只有先查找损坏的根本原因，才能决定是否更换逆变模块，消除再次损坏的可能。

为保证IGBT工作正常，相应的解决办法有：（1）使IGBT同绝缘栅场效应管一样避免静电损坏，在装配焊接中防止损坏的根本措施是：使要修理的机器、IGBT模块、电烙铁、人、操作工作台垫板等全部处在同一电场电位下进行操作。全部连接的公共点如果都能接地就更好，特别是电烙铁头上不能带有示电高电位，示波器电源要用隔离良好的变压器隔离。IGBT模块在未使用前要保持控制极G与发射极E接通，不得随意去掉该器件出厂前的防静电保护GE连通措施；（2）功率模块与散热器之间涂导热硅脂，保证涂层厚度为0.1mm～0.25 mm，接触面80％以上，紧固力矩按紧固螺钉大小施加(M4 13 kgcm、M5 17 kgcm、M6 22 kgcm)，以确保模块散热良好；（3）并联模块要求型号、编号一致，在编号无法一致时，要确保被并联的全部模块性能相同；（4）对因炸机造成铜件缺损，要把毛刺修圆砂光，避免因过电压发生尖端放电而再次损坏。此外，参数设置不合理也会造成IGBT损坏，尤其在大惯量负载下，如离心风机、离心搅拌机等，因变频器频率下降时间过短，造成停机过程电机发电而使母线电压升高，超过模块所能承受的界限而炸裂。这种情况应当尽量使下降时间放长，一般不低于300s，或在主电路中增加泄放回路，采用耗能电阻来释放掉该能量，如图4-1所示。

图4-1  耗能电阻接线图

图4-1中R为耗能电阻，在母线电压过高时，A管导通，母线电压下降，正常后关断。使母线电压趋于稳定，保证主器件的安全。

4.2过流故障

过流故障可能是变频器的输出短路所引起，这时要对线路及电机进行检查。如果断开负载变频器还是过流，说明变频器的逆变电路损坏，应修理或更换。如拆开机器可能发现严重的短路现象，整流模块和IGBT模块爆裂，储能大电容一部分发胀，电容板上的两颗大螺丝接触处烧焦，这是变频器的通病。因为所有电量都要经过这两颗铁螺丝，一旦铁螺丝生锈，很容易引起电容的充、放电不良，这样电容发热漏电，发胀到比较后损坏重要器件。为了防止再次接触不良打火，在上螺丝的同时比较好焊上几股粗铜线，维修触发板时如果不知道参数，可以参考控制板上完好的器件并对比损坏的器件；更换损坏器件后，可以加电试验，试验步骤按主回路到控制回路，空载和负载分别运行检查。加电试验前为保证器件安全，防止再次损坏重要器件，大容量电容器暂时不要装，用两只小容量电容器代替即可。为了保护IGBT，电容器到IGBT的供电回路比较好是串联白炽灯泡(也就是串接一个假负载)，通电后如果显示正常，可以启动变频器；再测量6个触发脉冲，如果信号正常，可以去掉电容器与IGBT之间的灯泡，装上大电容器进行空载运行，正常后再接负载运行，经调试过后变频器一般可恢复正常。

5 小波分析在故障诊断中的应用

利用小波变换的多分辨率性质，基于信号和随机噪声在小波变换域中不同的模极大值系数特征，不但能提取信号和噪声在多尺度分辨空间中的波形特征，而且根据表征该特征的小波系数模极大值传播特性的不同，来实现对信号波形的有效检测。这样，既避免了矩阵运算，降低了运算量，又能在获得一定改善信噪比增益的同时，保持对信号波形细节有较好分辨率，井且对待检测信号形式不敏感。

小波分析是一种全新的信号的时间尺度分析方法，它继承了傅里叶分析用简谐函数作为基函数来逼近任意信号思想，只不过小波分析的基函数是一系列尺度可变函数。这使得小波分析具有良好的时一频定位特性以及对信号的自适应能力，故而能够对各种时变信号进行有效的分解，为控制系统故障诊断提供丁新的、强有力的分析手段。小波变换属线性变换，无干扰项，它具有多分辨率分析的特点，即时频分辨率可变，具有“变焦”特性，因此具有对非平稳信号局部化分析的突出优点，有良好的时一频定位功能。很适合探测正常信号中夹带的瞬态反常现象并展示其成分，因此，在机械设备及系统中，利用小波变换进行动态系统故障检测与诊断具有良好的效果。

变频器逆变输出电压波形中通常含有非周期信号和畸变信号，小波变换对信号的波形非常敏感。利用这个特点，通过选择恰当的小波基点和合适的尺度参数，可以在强噪声情况下，准确地检测到突变信号。小波分析实质上就是对被检测信号的多带通滤波，通过分析变频器输出电压频率分量的变化情况可以确定故障是否发生以及相应故障定位。

5.1小波分析

小波分析在时域和频域范围内同时具有良好的局部化性质，可以对高频成分采用逐渐精细的方法取代时域空间波长，从而可以聚焦到对象的任意细节。在变频器运行过程中，其故障与否必然表现为一些特征量的变化，故障特征提取方法的研究便成了变频器故障诊断技术的关键。含有丰富信息的变频器运行状态信号的特征提取是建立在数字信号处理基础上的，信号分析的目的就是通过对运行状态信号处理，确定设备运行状态的特征量。

小波分析是从Fourier分析逐步发展起来的，而傅里叶变换是分析平稳信号特性的强有力手段，在许多科学领域中得到了很广泛的应用。小波，简单地说就是“一小段波”，是一种特殊的长度有限的、平均值为零的波。它有两个特点：一是“小”，即在时域范围内具有紧支撑集或近似紧支撑集；二是正负交替的波动性，也就是其直流分量为零。小波分析方法就是将信号分解为一系列小波函数的叠加，而这些函数都是由一个小波母函数经过平移和尺度伸缩得来的，这是小波变换有别于其他分析方法先进的地方。

把对于模拟信号 的积分变换：

                        （5-1）

称为小波变换，其中 是由 经过平移和伸缩得到的小波基函数。在小波变换的定义中，小波函数 是窗函数，它可以表现出小波分析的变换情况。在实际应用中，计算机所处理的信号都是通过采样得到的二进制离散信号，因此通常将 中的连续变量a和b取整数离散形式，将 化为 ，相应的小波变换可以表示为变换 的形式。

若 为信号的离散采样数据，如果 ，其离散小波变换可采用特殊的算法来实现离散信号在不同尺度上的二进制小波变换。该算法表示为：

                                   

  

                 （ ）                      （5-2）

其中：N为离散采样数据；h，g为滤波器的脉冲响应，即分解各列滤波器参数； 为信号的逼近参数； 为 在 分辨率下的连续逼近； 为信号的细节参数； 为 在 分辨率下的离散细节。它们分别描述了 分解的低频近似部分和高频细节部分。
    离散信号经过尺度 的层层分解，得到了在 中各正交封闭子空间 上的小波变换系数集 和 ，分解结果也将信号划分成不同的频带，且各频带互不相交，在确定小波母函数和采样频率的情况下，每个频带范围由尺度j所决定。

对信号进行小波分解的层数根据具体信号对特征参数的要求来决定，这里采用三层分解来说明，其小波分解结构图如5-1所示。从图中可看出，多分辨率只是对低频部分进行一步步的分解，而高频部分则并不需要考虑。其分解具有如下关系： ，如果要进一步的分解，则可以把低频部分 分解成低频部分 和高频部分 ，以下的分解依此类推。

图5-1  多分辨率的分析示意图

5.2变频器输出电压的小波分解

变频器逆变输出的电压波形中通常都含有非周期信号和畸变信号，采样传统的傅立叶变换已经不合时宜，而小波变换对信号的变化非常敏感，当信号在某一时刻发生突变时，该信号的小波变换在一定的尺度范围内均会在信号突变处产生峰值，并且呈现出与噪声截然不同的特征。利用这一特点，通过选择恰当的小波基点和合适的尺度参数，可以在强噪声情况下，准确的检测到突变来的信号。有效突变点所对应的小波变换模极大值具有沿尺度传递的特性，而随机噪声信号的小波变换模极大值将随着尺度的增加而迅速衰减，利用该性质可以提高变频器故障诊断系统抗噪声干扰能力。

傅立叶变换用到的基本函数具有唯一性，而小波分析中所用到的小波函数不具有唯一性。对同一个工程问题应用不同的小波基点进行分析会产生不同的结果，目前判定小波基点的好坏主要是通过小波分解方法来判断处理信号结果与理论结果的误差，并由此选定小波基点。紧支撑集保证有优良的空间局部性质；平滑性则保证频率分辨率的高低；对称性保证子波的滤波特性有线性相移，不会造成信号的失真。选择和构造一个正交小波要求其具有一定的紧支撑集、平滑性和对称性，但是以上三点不可能得到同时满足，紧支撑集与平滑性二者不可兼得。

小波正好具有正交性，N阶消失矩，平滑度随 的增加而增加，但它的有效支撑长度等于 ，并且不具备对称性( 除外)。可以看出，随着 的增大，平滑度变好，但其支撑长度则变大。根据变频输出电压信号的特点综合考虑，这里选择 小波可基本满足紧支撑集与平滑性的要求。

5.3 能量特征提取方法

小波分解实质上是对被检测信号的多带通情况的滤波，正常运行状态与故障状态下的变频器电压输出波形的各频带成分是互不相同的，通过分析变频器的输出电压频率分量的变化情况可以确定故障是否发生及故障定位。因此，通过对变频器输出电压的小波分解，可以捕捉其故障信息，从而提取故障特征。从信号滤波的角度来看，正交小波分解是将待分解的信号通过一个低通滤波器和一个高通滤波器进行滤波，得到一组低频信号和高频信号，并且对低频信号一直分解到第 层。每次分解得到的低频信号和高频信号长度都是原信号长度的一半，两者长度之和正好等于原信号的长度，可以看作是在滤波后又进行了间隔点采样，分解结果没有冗余，也不损失原信号的任何信息。对电压型 逆变器中输出 间电压信号可以采用 小波基点进行3层小波分解，提取一个低频系数和三个高频系数，然后对各个系数求解其能量值，按照顺序排成一列向量，该向量就是对应于某一故障的特征向量。首先给出小波能量的定义方法：测试信号 在 子空间内的能量为：

                        （5-3）

输出端电压的具体提取方法如下：

（1）对输出电压信号进行三层分解，得出4个频带的小波分解系数。重构各个点的小波分解系数，则总的信号S可表示成

（2）求各分解系数信号的总能量， 对应的能量为 则有：

                       （5-4）

其中 表示重构信号 的离散点幅值。

（3）当逆变电路发生故障时，对输出电压波形各频带内信号的能量有较大的影响。因此，以能量为元素可以构造一个特征向量。特征向量 构造为：

                                                    （5-5）

当能量较大时， 通常是一个较大的数值，在数据分析上会带来一些不方便的地方，由此可见，对特征向量 进行归一化处理，则得到

                                                           （5-6）

                （5-7）

向量 即为归一化后的向量。

6 结语

变频器是运动控制系统中的功率变换器，是目前应用比较广的工业自动化装置，它因为提供可控的高性能变压变频交流电源而得到迅猛发展。由于变频器技术发展快，知识含量高，技术复杂，如何正确使用好变频器，比较大限度地发挥变频器的功能，以及如何维护维修好变频器，是广大变频器用户所关心的问题。本文提出的主回路故障、过流故障维护方法对维护好变频器有一定的指导作用，另外，在故障诊断系统中信号特征提取结果的准确性对系统决策起着决定性作用，通过小波分析信号特征提取可以区分变频器不同的故障类型。