CN104360178A - 一种逆变器低频噪声测量与故障诊断方法 - Google Patents

Abstract

本发明是一种逆变器低频噪声测量与故障诊断方法，其特点是，包括的步骤有：对两款相同型号的逆变器进行编号、进行一致性调整、建立逆变器低频噪声测试系统、测量逆变器标准电压噪声功率谱和实现逆变器故障诊断。能够测得逆变器在线工作的实时低频噪声数据，客观地反应逆变器的实际低频噪声情况，为进行逆变器有效地管理和故障诊断提供依据，具有方法科学合理，适用，诊断准确、快捷等优点。

Description

一种逆变器低频噪声测量与故障诊断方法

技术领域

本发明是涉及一种噪声测量方法，更具体地说，是一种逆变器低频噪声测量与故障诊断方法。

背景技术

逆变器在工作过程中会出现一些异常工作的情况，例如开关管开路、接触器触头和触电异常、一相桥臂开路等，这会导致开关管功率半导体器件性能退化，影响其所在系统的寿命与可靠性，并因此会使得生产企业的成品率和声誉严重受损。在逆变器产品的储存、装配、使用、检修过程中进行有效的低频噪声监测对产品的质量监督、故障检测与可靠性评估都具有重要意义。

噪声是存在于模拟电路和测量系统中的一种物理现象，同时，它也携带着如信号一样的信息，因此，噪声可以作为表征模拟电路特性的一个敏感工具，可用于逆变器的管理和故障诊断领域。逆变器在工作中存在很多种低频噪声，主要有三种，即热噪声、1/f噪声和爆裂噪声，在表征逆变器工作状态时，1/f噪声和爆裂噪声尤为明显。为了使逆变器正常工作，达到额定的逆变参数，要求其低频噪声要在合理的范围内，所以，通过对逆变器低频噪声的检测，能实时的了解逆变器的工作状态，为对逆变器的管理和故障诊断提供有效的数据。

目前逆变器噪声检测手段主要是利用智能信息处理方法，如FFT、小波分析、EEMD、支持向量机、神经网络、高阶累积量等。但这些方法还不是很成熟，因此需要一个理想的、有效的方法，能在逆变器的生产和使用过程中实时的提供其噪声数据，为逆变器的有效管理和故障诊断提供依据。

发明内容

鉴于现有技术中的不足，本发明的目的是，提供了一种科学合理、快速、准确的逆变器低频噪声测量方法，该方法是一种无损故障检测方法，利用本方法可以实现对逆变器故障的早期预警及诊断。

本发明的构思基础是：当功率半导体器件作为逆变器开关管发生故障时，其栅氧化层体内或者Si/SiO₂界面上的SiO₂分子中的Si原子或者O原子等相对与周围的原子发生了不可逆的位置移动，形成了缺陷态，这些缺陷态在SiO₂禁带中形成陷阱能级，并作为陷阱与库仑中心与沟道载流子发生作用，根据功率半导体器件漏源电流低频噪声的产生机理分析，功率半导体器件中低频噪声起源于距离Si/SiO₂界面1-3nm的氧化层中的边界缺陷对沟道载流子的俘获、发射以及散射作用，而逆变器开关管开路期间Si/SiO₂界面附近新生成陷阱的高密度位置与低频噪声的敏感缺陷区域接近，因此可通过测量低频噪声的变化检测逆变器潜在或者已经发生故障的状态变化，进而根据低频噪声与故障的关系，实时的了解逆变器的工作状态，为对逆变器的管理和故障诊断提供有效的数据。

为实现本发明的目的所采用的技术方案是：一种逆变器低频噪声测量与故障诊断方法，其特征在于，它包括以下步骤：

(1)首先对两款相同型号的逆变器进行编号：

测试人员将待测的两款同型逆变器按顺序编号，正常工作的逆变器编为Ⅰ号，故障逆变器编为Ⅱ号；

(2)进行一致性调整：

将Ⅰ号正常逆变器放置于具有电磁干扰屏蔽功能和恒温调节功能的电磁屏蔽器A室中，Ⅱ号故障逆变器放置于具有电磁干扰屏蔽功能和恒温调节功能的电磁屏蔽器B室中，A、B两室条件一致，并将温度设置为300K；

(3)建立逆变器低频噪声测试系统：

测试系统的50Hz陷波滤波器与待测逆变器连接，用于滤除逆变器产生的工频信号；超低噪声前置放大器与所述的50Hz陷波滤波器连接，用于接收微弱的噪声信号并将其放大到能够检测到的量级；数据采集卡与所述的超低噪声前置放大器连接，用于采集逆变器低频噪声数据；逆变器低频噪声分析与处理平台，用LabVIEW编程实现在线频谱分析仪、控制模块与所述的数据采集卡连接，用于提取、分析、处理、记录、输出逆变器低频噪声数据，而且能够判断其工作状态；打印机与所述的逆变器低频噪声分析与处理平台连接，打印输出数据、噪声谱与诊断结果；

(4)测量逆变器标准电压噪声功率谱：

将A室中的Ⅰ号正常逆变器与所述的低频噪声测试系统连接，先让噪声测量系统通电工作，再给待测逆变器通电工作，以避免瞬间电流过大，过载损坏测量系统，检测60s后停机，存储数据，经噪声分析与处理模块计算得出电压噪声功率谱，重复以上过程，最终得出Ⅰ号正常逆变器的标准电压噪声功率谱；

(5)实现逆变器故障诊断：

将B室中的Ⅱ号故障逆变器与所述的低频噪声测试系统连接，测试过程与步骤(4)中所述相同，用得到的电压噪声功率谱与标准电压噪声功率谱相比对，观察谱线发生突变的部分，得出Ⅱ号故障逆变器故障的结论，进而实现逆变器的故障诊断。

所述的数据采集卡为NI公司的PCI板卡，型号为PCI-6259DAQ，其与低频噪声分析与处理平台中使用的LabVIEW软件搭配使用，软件版本为LabVIEW 2013。

本发明的一种逆变器低频噪声测量与故障诊断方法与现有技术相比的有益效果是：

能够测得逆变器在线工作的实时低频噪声数据，客观地反应逆变器的实际低频噪声情况，为进行逆变器有效地管理和故障诊断提供依据，具有方法科学合理，适用，诊断准确、快捷等优点。

附图说明

图1为本发明所述的一种逆变器低频噪声测量与故障诊断方法的流程图；

图2为本发明所述的一种逆变器低频噪声测量与故障诊断方法测量得到的1/f噪声的时间序列；

图3为本发明所述的一种逆变器低频噪声测量与故障诊断方法测量得到的1/f噪声的功率谱图。

具体实施方式

下面结合附图与具体实施方式对本发明作进一步详细描述：

如图1所示，本发明的一种逆变器低频噪声测量与故障诊断方法，包括以下步骤：

(1)首先对两款相同型号的逆变器进行编号：

测试人员将待测的两款同型逆变器按顺序编号，正常工作的逆变器编为Ⅰ号，故障逆变器编为Ⅱ号；

(2)进行一致性调整：

将Ⅰ号正常逆变器放置于具有电磁干扰屏蔽功能和恒温调节功能的电磁屏蔽器A室中，Ⅱ号故障逆变器放置于具有电磁干扰屏蔽功能和恒温调节功能的电磁屏蔽器B室中，A、B两室条件一致，并将温度设置为300K；

(3)建立逆变器低频噪声测试系统：

测试系统的50Hz陷波滤波器与待测逆变器连接，用于滤除逆变器产生的工频信号；超低噪声前置放大器与所述的50Hz陷波滤波器连接，用于接收微弱的噪声信号并将其放大到能够检测到的量级；数据采集卡与所述的超低噪声前置放大器连接，用于采集逆变器低频噪声数据；逆变器低频噪声分析与处理平台，用LabVIEW编程实现在线频谱分析仪、控制模块与所述的数据采集卡连接，用于提取、分析、处理、记录、输出逆变器低频噪声数据，而且能够判断其工作状态；打印机与所述的逆变器低频噪声分析与处理平台连接，打印输出数据、噪声谱与诊断结果；

(4)测量逆变器标准电压噪声功率谱：

将A室中的Ⅰ号正常逆变器与所述的低频噪声测试系统连接，先让噪声测量系统通电工作，再给待测逆变器通电工作，以避免瞬间电流过大，过载损坏测量系统，检测60s后停机，存储数据，经噪声分析与处理模块计算得出电压噪声功率谱，重复以上过程，最终得出Ⅰ号正常逆变器的标准电压噪声功率谱；

(5)实现逆变器故障诊断：

将B室中的Ⅱ号故障逆变器与所述的低频噪声测试系统连接，测试过程与步骤(4)中所述相同，用得到的电压噪声功率谱与标准电压噪声功率谱相比对，观察谱线发生突变的部分，得出Ⅱ号故障逆变器故障的结论，进而实现逆变器的故障诊断。

所述的数据采集卡为NI公司的PCI板卡，型号为PCI-6259DAQ，其与低频噪声分析与处理平台中使用的LabVIEW软件搭配使用，软件版本为LabVIEW 2013。

根据步骤(2)所述的一致性调整，更具体的内容包括：

a.使电磁屏蔽器空载工作一段时间，使其接近理想参数，达到屏蔽要求；

b.分别将两款同型逆变器放在电磁屏蔽器A、B两室，摆在室内的中心位置，输出线与逆变器低频噪声测试系统连接；

c.调整室内温度达到300K(约为27℃)；

d.放置10分钟左右，是所有状态达到稳定后；

e.接通逆变器电源，等待测量工作的进行。

如图1所示，本发明所采用的逆变器低频噪声测试系统，包括50Hz陷波滤波器、超低噪声前置放大器、数据采集卡、逆变器低频噪声分析与处理平台、打印机。首先将逆变器的输出通过50Hz陷波滤波器，将工频信号滤除掉，消除这部分干扰；再将50Hz陷波滤波器的输出作为超低噪声前置放大器的输入信号，通过超低噪声前置放大器，将噪声放大到能够被检测的量级上，超低噪声前置放大器一般也需要放置在电磁滤波器中，以避免来自外界的电磁干扰，减小微弱噪声信号的损失，防止其被淹没；超低噪声前置放大器设置的放大倍数为100、1000、10000三档，进行不同放大倍数下的测试；将数据采集卡与超低噪声前置放大器相连，超低噪声前置放大器的输出信号作为数据采集卡的输入信号，该数据采集卡是NI公司的DAQ板卡，型号为NI PCI-6259；同时，后端的低频噪声分析与处理平台与数据采集卡相连，控制数据采集卡的采集工作，并将数据采集卡采集到的数据进行互功率谱运算，得到所测逆变器的低频噪声功率谱。测试的过程主要是先将测试开关K拨到A室，先对正常逆变器进行N次重复测量(N>100)，得到逆变器的标准电压噪声功率谱，提取逆变器1/f噪声幅值并计算指定逆变器在1Hz、10Hz处的噪声功率谱的均值和均方差，记录、输出；再将测试开关拨到B室，对故障逆变器进行同过程的测量，得到的电压噪声功率谱与标准电压噪声功率谱相比对，得出故障结论，实现对逆变器噪声测量与故障诊断。整个逆变器低频噪声测试系统采取了屏蔽措施以减少外界环境对测量造成的干扰。

由1/f噪声的特性可知，凡是功率谱密度与频率成反比的随机涨落现象均可称为1/f噪声，它通常与晶体管表面状态或内部缺陷有关，起源于电子线路内部源器件的内在固有扰动。当功率半导体器件有缺陷或者故障状态时，1/f噪声占低频噪声的主导地位，因此，可通过1/f噪声的检测来判定功率半导体器件的可靠性或故障诊断，并可进一步判定电路的工作状态。已知所测试的逆变器输出的低频噪声的时间序列如图2所示，其主要表现出了1/f噪声的特性。经过数据分析与处理平台对时域信号先自相关再FFT后，得到其功率谱，逆变器低频噪声功率谱测试结果示意图如图3所示。从图中可以看到，其功率谱密度与频率并非完全表现出反比态势，但有趋势，所以，通过多次反复测量可知，该逆变器件的功率半导体器件可靠性较高，逆变器工作较稳定。

本发明所描述的具体方式仅为一个实例，并非穷举，本领域技术人员可以对所描述的具体实例做各种各样的修改或补充或采用类似的方式替代，但并不会偏离发明的精神或者超越权利要求所记载的保护范围。

Claims (2)

1.一种逆变器低频噪声测量与故障诊断方法，其特征在于，它包括以下步骤：

(1)首先对两款相同型号的逆变器进行编号：

测试人员将待测的两款同型逆变器按顺序编号，正常工作的逆变器编为Ⅰ号，故障逆变器编为Ⅱ号；

(2)进行一致性调整：

将Ⅰ号正常逆变器放置于具有电磁干扰屏蔽功能和恒温调节功能的电磁屏蔽器A室中，Ⅱ号故障逆变器放置于具有电磁干扰屏蔽功能和恒温调节功能的电磁屏蔽器B室中，A、B两室条件一致，并将温度设置为300K；

(3)建立逆变器低频噪声测试系统：

测试系统的50Hz陷波滤波器与待测逆变器连接，用于滤除逆变器产生的工频信号；超低噪声前置放大器与所述的50Hz陷波滤波器连接，用于接收微弱的噪声信号并将其放大到能够检测到的量级；数据采集卡与所述的超低噪声前置放大器连接，用于采集逆变器低频噪声数据；逆变器低频噪声分析与处理平台，用LabVIEW编程实现在线频谱分析仪、控制模块与所述的数据采集卡连接，用于提取、分析、处理、记录、输出逆变器低频噪声数据，而且能够判断其工作状态；打印机与所述的逆变器低频噪声分析与处理平台连接，打印输出数据、噪声谱与诊断结果；

(4)测量逆变器标准电压噪声功率谱：

将A室中的Ⅰ号正常逆变器与所述的低频噪声测试系统连接，先让噪声测量系统通电工作，再给待测逆变器通电工作，以避免瞬间电流过大，过载损坏测量系统，检测60s后停机，存储数据，经噪声分析与处理模块计算得出电压噪声功率谱，重复以上过程，最终得出Ⅰ号正常逆变器的标准电压噪声功率谱；

(5)实现逆变器故障诊断：

将B室中的Ⅱ号故障逆变器与所述的低频噪声测试系统连接，测试过程与步骤(4)中所述相同，用得到的电压噪声功率谱与标准电压噪声功率谱相比对，观察谱线发生突变的部分，得出Ⅱ号故障逆变器故障的结论，进而实现逆变器的故障诊断。

2.根据权利要求1所述的一种逆变器低频噪声测量与故障诊断方法，其特征在于，所述的数据采集卡为NI公司的PCI板卡，型号为PCI-6259DAQ，其与低频噪声分析与处理平台中使用的LabVIEW软件搭配使用，软件版本为LabVIEW 2013。