基于信号分析的三电平逆变器开路故障诊断方法研究

作     者：姬鑫 

作者单位：西安工业大学 

学位级别：硕士

导师姓名：陈超波

授予年度：2023年

学科分类：080801[工学-电机与电器] 0808[工学-电气工程] 08[工学] 

主      题：三电平逆变器 信号分析 故障诊断 Prony 广义S变换 

摘      要：三电平逆变器具有输出波形畸变率低、开关损耗小等优点,在航空航天、工业驱动等领域广泛应用其中,中性点钳位型(NPC)拓扑结构的三电平逆变器使用最为普遍。然而,由于NPC型三电平逆变器开关管数量多,且长期处于高压、大电流等恶劣环境中,易发生开路故障,影响设备的正常运行,严重时甚至引发人身财产安全事故。基于传统信号分析的NPC型三电平逆变器故障诊断方法,具有诊断速度快、实时性好的优点,但是它存在频谱泄露、缺乏局部时频特征分析能力等问题。因此,论文对NPC型三电平逆变器的开路故障信号处理诊断方法展开研究,具体研究内容如下:介绍NPC型三电平逆变器的拓扑结构和工作原理,并且对三电平逆变器的主要故障类型进行了分析、分类。在MATLAB/Simulink中,搭建NPC型三电平逆变器系统的仿真模型,实现功率开关管开路故障模拟,得到开路故障电流信号,为后续的信号预处理及故障诊断实验提供数据基础。针对传统基于频域分析的NPC型三电平逆变器故障诊断方法,存在频谱易泄露、难以分析非线性故障信号的问题,提出了一种基于Prony法的三电平逆变器故障特征提取方法。对提取的故障相信号进行小波去噪,克服Prony对噪声敏感的缺陷。再对去噪后的信号进行Prony法处理,得到频率、幅值、相位和衰减因子四维故障特征。最后,应用支持向量机对采集的故障特征向量分类,定位故障位置。最终,在MATLAB/Simulink平台上验证文中所提的故障诊断方法,仿真结果表明,该方法诊断准确率高、诊断速度快。针对Prony法缺乏时频分析能力的问题。提出了一种基于广义S变换的NPC型三电平逆变器故障特征提取方法。先对信号进行广义S变换,得到二维高阶矩阵,应用奇异值分解对特征矩阵进行降维处理,提取非零奇异值的主要特征值部分。再用极限学习机对故障进行分类定位。最后在MATLAB/Simulink平台中验证该方法,仿真结果表明,相较于基于Prony法的故障诊断方法,基于广义S变换的故障诊断方法诊断准确率更高。搭建了基于STM32控制器的NPC型三电平逆变器故障诊断系统实验平台。完成该平台的总体设计、硬件设计以及软件设计。在该实验平台上验证了所提的两种基于信号分析的故障诊断方法,实验结果表明,本文所提算法具有能快速定位故障开关管位置的能力,且故障诊断精确度高。