基于核方法的ACS600变频器IGBT故障诊断

摘要

随着科学技术的发展以及人类的进步，各种大型电气设备正呈现出复杂化、智能化的趋势。尽管人类依靠自动化系统创造了无穷无尽的财富，但是，安全问题一直是这些系统不可避免的。一旦大型系统产生了事故，将会造成严重的人力、财力损失，甚至会影响国家的稳定发展。因此，系统故障诊断一直被列为研究热点与重点。
　　本文以ACS600变频器中的IGBT器件为研究目标，针对在轧钢过程中的不同状态下采集的数据，确定故障类型为两种，一种为启动过电流导致IGBT损坏;另一种为突加负载过电流导致IGBT损坏。选择可行的IGBT故障诊断方法，具体如下:在故障检测与特征提取方面，比较了主元分析（PCA，Principal Component Analysis）与核主元分析(KPCA，Kernel Principal Component Analysis)方法的优劣，通过仿真分析表明了KPCA的优势;在故障识别方面，分别基于PCA与KPCA特征提取后得到的特征数据，训练了3个支持向量机，比较了“一对一”与有向无环图(DAG，Directed Acyclic Graph)支持向量机(SVM，Support Vector Machine)两种多类分类方法的分类正确率，并通过仿真分析表明了基于KPCA特征数据的DAGSVM在分类性能上的优势。
　　在KPCA与DAGSVM方法的基础上，着重研究了IGBT故障分类器分类性能的改进方法。鉴于支持向量机中的核函数及其参数在影响分类器分类性能中举足轻重的地位，首先在核函数参数的优化方面，选择了量子粒子群优化策略，并且对其中的收缩-扩张因子在取不同值的情况下，做了大量的优化仿真，表明当该因子在[1.0，0.5]上线性减少时，算法收敛较快，并且分类正确率较高;其次，在核函数的选择方面，对DAGSVM中的3个支持向量机分别选择不同的核函数，通过仿真研究，选择一组核函数使得分类正确率最高;最后针对由两类故障数据训练的支持向量机，对其采用由多项式核函数与径向基核函数组成的混合核函数进行了仿真研究，结果表明，采用混合核函数使得分类效果有所提升。

目录

声明

摘要

第1章 绪论

1．1 课题研究背景及意义

1．2 故障诊断国内外研究与应用现状

1．2．1 定性分析方法

1．2．2 定量分析方法

1．3 核方法及其在故障诊断中的应用

1．3．1 支持向量机

1．3．2 核主成分分析

1．4 课题研究的目的

1．4．1 核方法对IGBT故障的诊断

1．4．2 核方法的先进性与优势

1．5 本文的主要研究内容

第2章 ACS600变频器IGBT故障机理分析

2．1 ACS600变频器的结构及工作原理

2．1．1 ACS600工作原理

2．1．2 ACS600整流单元与逆变器单元

2．2 IGBT的故障机理分析

2．2．1 IGBT的结构及工作原理

2．2．2 IGBT的基本特性

2．2．3 IGBT的主要参数

2．2．4 IGBT的故障机理

2．3 ACS600逆变器IGBT故障原因分析

2．3．1 现场采集的模拟量

2．3．2 故障类别及采用的故障诊断方法

2．4 本章小结

第3章 基于核主元分析的故障检测方法研究

3．1 主元分析特征提取及故障检测

3．1．1 IGBT的主元分析故障特征提取

3．1．2 IGBT的主元分析故障检测

3．2 核主元分析特征提取及故障检测

3．2．1 核函数

3．2．2 IGBT的核主元分析故障特征提取

3．2．3 IGBT的核主元分析故障检测

3．3 基于PCA与KPCA的IGBT故障特征提取效果对比

3．4 本章小结

第4章 基于支持向量机的故障分类算法研究

4．1 统计学习理论与支持向量机

4．1．1 统计学习理论的主要内容

4．1．2 支持向量机

4．2 基于支持向量机的IGBT多分类算法研究

4．2．1 IGBT故障的多类分类问题

4．2．2 基于IGBT故障特征数据的支持向量机训练

4．2．3 基于“一对一”分类方法的IGBT故障分类

4．2．4 基于DAGSVM分类方法的IGBT故障分类

4．3 本章小结

第5章 IGBT故障分类器分类性能改进

5．1 影响分类器分类性能的因素

5．1．1 核函数参数

5．1．2 核函数

5．2 基于IGBT故障分类的核参数优化研究

5．2．1 核参数优化方法概述

5．2．2 量子粒子群优化方法概述

5．2．3 基于IGBT故障诊断核函数参数优化

5．2．4 收缩-扩张因子选择对分类正确率的影响

5．3 基于IGBT故障分类的核函数选择研究

5．3．1 不同核函数组合仿真研究

5．3．2 混合核函数仿真研究

5．4 基于IGBT故障诊断结果及分析

5．5 本章小结

第6章 结论与展望

参考文献

致谢