整流逆变电路故障模式研究matlab仿真与神经网络识别故障.docx
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整流逆变电路故障模式研究matlab仿真与神经网络识别故障
新疆大学毕业论文（设计）
题目：
整流-逆变电路故障模式研究
指导老师:
帕孜来
学生姓名：
赵小平
所属院系：
电气工程学院
专业：
自动化专业
班级：
081班
完成日期：
2012年5月23日
声明
本人郑重声明:
所呈交的论文是本人在导师的指导下独立进行研究所取得的研究成果。
除了文中特别加以标注引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写的成果作品。
对本文的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。
本人完全意识到本声明的法律后果由本人承担。
学生签名：
年月日
新疆大学
毕业论文（设计）任务书
班级：
自动化081姓名：
赵小平
论文（设计）题目：
整流-逆变电路故障模式研究
专题：
要求完成的内容：
1.分析整流-逆变电路的工作原理及物理模型。
2.掌握MATLABSimpowersystem建模与仿真平台的结构、环境及特点。
3.实验分析整流-逆变电路的故障特点。
4.确定整流-逆变电路故障模式。
5.运用BP神经网络对故障模式进行诊断。
6.撰写论文。
发题日期：
2011年12月30日完成日期：
2012年5月20日
实习实训单位：
新华能开关有限公司地点：
昌吉北京路38号
论文页数：
56页；图纸张数：
无
指导教师：
教研室主任：
院长：
摘要
随着电力电子技术的迅猛发展，电力电子设备技术设备广泛应用于国防军事和工业生产。
同时电力电子电路的故障问题也越来越突出，电力电子设备一旦发生故障，可能造成装置或系统的损坏甚至威胁到生命财产安全。
因此，对电力电子设备进行故障模式的研究，尤其是应用自动故障诊断技术，是有其现实意义和经济意义的，开展相关的理论和方法研究尤为重要。
本文首先阐明了电力电子电路故障诊断的特点。
在MATLAB软件Simulink环境下完成了对三相全控桥式整流电路和三相逆变电路的仿真，得到了各种故障状态的输出波形。
然后进行傅里叶变换，产生特征相量，进行BP神经网络训练和仿真，对得到的结果进行分析，实现对电力电子电路的神经网络故障诊断。
关键词：
电力电子装置；整流电路；三相逆变电源；BP神经网络；PID控制
ABSTRACT
Alongwiththefastdevelopmentofpowerelectronictechnology,powerelectronicequipmenttechnologyequipmentiswidelyusedinmilitaryandindustrialproduction.Atthesametimeofpowerelectroniccircuitfaultproblemalsomoreandmoreprominent,powerelectronicequipmentbreakdown,maycausethedeviceorsystemfailureandeventhreattolifeandpropertysafety.Therefore,thepowerelectronicequipmentfaultpatternresearch,especiallytheapplicationofautomaticfaultdiagnosistechnology,hasitspracticalsignificanceandeconomicsignificance,developingtherelatedtheoryandmethodisveryimportanttostudy.Thispaperexpoundsthecharacteristicsoffaultdiagnosisofpowerelectroniccircuits.IntheMATLABsoftwareundertheSimulinkenvironmentforthecompletionofthethreephasefullycontrolledbridgerectifiercircuitandathree-phaseinvertercircuitsimulation,obtainedbyvariousfaultstateoftheoutputwaveform.ThentheFouriertransform,producefeaturevector,theBPneuralnetworktrainingandsimulation,theresultscanbeanalyzed,forpowerelectroniccircuitfaultdiagnosisneuralnetwork.
Keywords：
Powerelectronicdevice;rectifier;inverter;BPneuralnetwork;thePIDcontrol
目录
1绪论1
1.1电力电子技术及其重要作用1
1.2电力电子电路故障诊断的目的与意义2
1.3电力电子电路故障诊断概述2
1.4电力电子电路故障诊断方法3
1.5电力电子电路故障诊断难点5
1.6本文研究的主要内容6
2整流-逆变电路结构及故障特性7
2.1三相桥式全控整流电路结构7
2.1.1三相桥式全控整流电路结构特性7
2.1.2三相桥式全控整流电路工作特性7
2.2三相桥式全控整流电路的故障特性分析8
2.2.1整流电路故障模型分析8
2.2.2整流电路故障分类9
2.3三相逆变电路结构10
2.3.1三相桥式电压源逆变电路结构特性10
2.3.2三相逆变电路工作原理10
2.4三相逆变电路的故障特性分析11
2.4.1三相逆变电路模型分析11
2.4.2三相逆变电路故障分类11
2.5故障采样点分析12
3电路仿真模型的建立及故障模式分析13
3.1MATLAB简介13
3.2Simpowersystems仿真工具箱14
3.2.1SimPowerSystems专用模块库的特点14
3.2.2SimPowerSystems专用模块库的强大功能15
3.3整流电路仿真模型的建立及故障模式分析17
3.3.1三相桥式全控整流电路的SimPowerSystems仿真17
3.3.2三相桥式全控整流电路故障仿真分析17
3.4逆变电路仿真模型的建立及故障分析21
3.4.1三相逆变电路的simulink仿真21
4基于BP神经网络的整流-逆变电路故障模式识别26
4.1BP神经网络26
4.1.1BP神经网络的结构26
4.1.2BP神经网络的原理和算法26
4.1.3BP神经网络存在缺陷28
4.1.4BP神经网络的改进算法28
4.2BP神经网络的设计30
4.2.1网络层数的选择30
4.2.2网络隐含层的神经元数30
4.2.3初始权值的选取30
4.2.4期望误差的选取31
4.3三相桥式全控整流电路BP神经网络的建立31
4.3.1用于故障诊断的信号选取31
4.3.2BP神经网络MATLAB程序及其说明34
4.4三相桥式全控整流电路BP神经网络仿真结果分析35
4.4.1样本学习结果35
4.4.2仿真结果验证37
4.5三相逆变电路BP神经网络的建立38
4.5.1用于故障诊断的信号选取38
4.5.2故障特征参数的提取38
4.5.3特征向量的归一化39
4.5.4三相逆变电路BP神经网络仿真结果分析41
5结束语42
5.1结论42
5.2展望42
参考文献43
附录-源代码44
致谢56
1绪论
1.1电力电子技术及其重要作用
电力电子技术诞生于20世纪60年代，是一门横跨“电子”、“电力”和“控制”三大领域的新兴工程技术学科，主要研究各种电力电子器件，以及由这些电力电子器件所构成的各种变流电路和变流装置，并运用这些装置完成对电能的变换和控制。
随着电力电子技术的不断发展，越来越多的电力电子电路和装置被应用在工农业生产、电力系统、交通运输、邮电通讯、航空航天等社会生活和国民经济的各个方面，并在其中发挥着越来越重要的作用。
首先，电力电子技术的使用，可以优化电能使用。
通过电力电子技术对电能的处理，使电能的使用达到合理、高效和节约，实现了电能使用最佳化。
例如，在节电方面，针对风机水泵、电力牵引、轧机冶炼、轻工造纸、工业窑炉、感应加热、电焊、化工、电解等14个方面的调查，潜在节电总量相当于1990年全国发电量的16%，所以推广应用电力电子技术是节能的一项战略措施，一般节能效果可达10%-40%，我国已将许多装置列入节能的推广应用项目。
其次，电力电子技术的发展，对改造传统产业和发展机电一体化等新兴产业有着重大的作用。
据发达国家预测，今后将有95%的电能要经电力电子技术处理后再使用，即工业和民用的各种机电设备中，有95%与电力电子产业有关，特别地，电力电子技术是弱电控制强电的媒体，是机电设备与计算机之间的重要接口，它为传统产业和新兴产业采用微电子技术创造了条件，成为发挥计算机作用的保证和基础。
再次，电力电子技术高频化和变频技术的发展，将使机电设备突破工频传统，向高频化方向发展。
实现最佳工作效率，将使机电设备的体积减小几倍、几十倍，响应速度达到高速化，并能适应任何基准信号，实现无噪音且具有全新的功能和用途。
最后，电力电子智能化的进展，在一定程度上将信息处理与功率处理合一，使微电子技术与电力电子技术一体化，其发展有可能引起电子技术的重大改革。
有人甚至提出，电子学的下一项革命将发生在以工业设备和电网为对象的电子技术应用领域，电力电子技术将把人们带到第二次电子革命的边缘。
1.2电力电子电路故障诊断的目的与意义
电力电子技术已成为当今任何高新技术系统中不可或缺的关键技术之一，尤其在改造传统产业，发展高新技术和高效利用能源等方面具有极其重要的作用。
随着电力电子技术的广泛运用，各种高性能的电力电子设备不断产生，使得对其电路可靠性的要求也愈来愈高，人工故障诊断技术已无法及时对电力电子电路作出正确的诊断以便于检修、调试和替换。
因此，对电力电子电路故障诊断开展相关的理论和方法研究尤为重要。
首先，电力电子设备通常是在工程系统中担当核心的电源或控制器使用，一旦发生故障而不能及时得到诊断和修复的话，轻则停机，重则造成人员伤亡，带来巨大经济损失。
尤其对有高可靠要求的应用领域，如航空航天设备中的电子设备，对电力电子电路的自动化测试诊断和修复更是至关重要。
其次，针对电路元件多的电力电子电路，如有的新型静止无功发生装置包含数十个晶闸管，采用逐个诊断的方法费时、费力，因而研究出具有自动故障诊断功能的故障诊断方法可节省大量的人力和物力。
再次，在许多领域内不仅对电力电子设备有高可靠性和容错的要求，而且电路还具有自测试、自诊断和自修复的功能。
这就要求能在线动态监视电力电子电路的工作状态，实现电路在线实时测试诊断，即一旦某部分电路发生故障，在不影响电路的正常工作下完成故障的隔离定位和修复并重新投入使用。
同时对电路进行在线故障诊断，有利
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