變頻器故障診斷及容錯(cuò)控制研究

謝勇來(lái)

摘 要：變頻器因其具有良好的調(diào)速性、節(jié)能性，在近些年被越來(lái)越廣泛地應(yīng)用到了各個(gè)領(lǐng)域當(dāng)中，例如工商業(yè)、航空航天業(yè)、制造業(yè)等。但是由于其自身具有的相關(guān)特性，在廣泛使用的過(guò)程中，也出現(xiàn)了許多的故障，比如算法的復(fù)雜性與半導(dǎo)體元件的自身弊端等。在變頻器被應(yīng)用領(lǐng)域中，如果其發(fā)生故障，將會(huì)造成不可估量的經(jīng)濟(jì)損失。所以筆者在此要對(duì)變頻器故障問(wèn)題做一探討與研究，致力于最后實(shí)現(xiàn)變頻器的無(wú)故障不間斷運(yùn)行。

關(guān)鍵詞：變頻器 故障診斷 容錯(cuò)控制

中圖分類號(hào)：TM921 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1674-098X（2016）11（b）-0071-02

隨著電力技術(shù)、電子科技、半導(dǎo)體技術(shù)的不斷發(fā)展，交流電動(dòng)機(jī)的技術(shù)日趨成熟，也被越來(lái)越廣泛地應(yīng)用。而變頻器作為交流電動(dòng)機(jī)中的主要控制元件，變頻調(diào)速技術(shù)是交流電動(dòng)機(jī)的主要控制方式，對(duì)它的應(yīng)用也逐步廣泛。變頻調(diào)速技術(shù)是由電動(dòng)機(jī)與變頻器組成的，變頻器對(duì)應(yīng)用環(huán)境的要求較高，當(dāng)溫度不當(dāng)，或者粉塵過(guò)多的時(shí)候，都會(huì)使其發(fā)生故障。變頻器的突然故障，會(huì)造成較大的經(jīng)濟(jì)損失，因此對(duì)它的研究就十分必要。變頻調(diào)速系統(tǒng)中主要有3種故障模式，筆者針對(duì)這3種故障模式展開(kāi)研究。

1 開(kāi)關(guān)管的故障診斷及容錯(cuò)控制

1.1 開(kāi)關(guān)管故障的診斷方法

變頻控速系統(tǒng)是由變頻器與電動(dòng)機(jī)兩個(gè)部分構(gòu)成，但是變頻器部分的故障發(fā)生概率更高，導(dǎo)致變頻器的故障率高的一個(gè)重要因素就是開(kāi)關(guān)管的故障多發(fā)。針對(duì)開(kāi)關(guān)管的故障診斷方法主要有4種方法：專家系統(tǒng)法、電壓檢測(cè)法、智能算法、電流檢測(cè)法。（1）專家系統(tǒng)法，指的是以對(duì)故障診斷的經(jīng)驗(yàn)為依據(jù)基礎(chǔ)，結(jié)合具體情況，將有可能發(fā)生的故障進(jìn)行列舉，不斷豐富總結(jié)，最終形成一個(gè)有體系的知識(shí)庫(kù)。那么當(dāng)故障再次發(fā)生的時(shí)候，通過(guò)查詢這個(gè)知識(shí)庫(kù)就可以做出診斷，但是這種診斷方法的弊端就是無(wú)法將知識(shí)庫(kù)建立得徹底完備與完全。（2）電壓檢測(cè)法，是通過(guò)考察變頻器故障時(shí)電動(dòng)機(jī)相電壓、線電壓或中性點(diǎn)電壓與正常時(shí)的偏差來(lái)診斷故障。（3）智能算法，指的是一般最優(yōu)化算法。在變頻控速系統(tǒng)中，智能算法主要包括人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、小波分析、模糊控制。（4）電流檢測(cè)法，這一方法主要是通過(guò)對(duì)電流數(shù)值的把握，對(duì)電流進(jìn)行歸一化，從而控制好開(kāi)關(guān)管。

1.2 開(kāi)關(guān)管故障的容錯(cuò)控制

在開(kāi)關(guān)管出現(xiàn)故障之后，有兩種方法來(lái)進(jìn)行恢復(fù)：一種是采用冗余的控制；另一種是容錯(cuò)控制。冗余的控制，是在可靠性較高的系統(tǒng)中進(jìn)行使用的。就是在運(yùn)行過(guò)程中，當(dāng)有開(kāi)關(guān)管出現(xiàn)故障的情況時(shí)，運(yùn)用冗余的開(kāi)關(guān)。容錯(cuò)控制，就是在每一相橋臂與電動(dòng)機(jī)之間通過(guò)繼電器相連接。在正常運(yùn)轉(zhuǎn)的時(shí)候，電動(dòng)機(jī)中性點(diǎn)相的繼電器斷開(kāi)，此相沒(méi)有被激活。當(dāng)運(yùn)行過(guò)程中，某一節(jié)的開(kāi)關(guān)管發(fā)生故障，該相的繼電器斷開(kāi)，從而能夠使得因突然故障導(dǎo)致的損失降到最低。

2 電流傳感器故障診斷與容錯(cuò)控制

2.1 電流傳感器的故障診斷方法

在變頻調(diào)速過(guò)程中，電流信息與速度信息是必不可少的，需要它們兩個(gè)的完善來(lái)支撐雙閉環(huán)控制的環(huán)節(jié)。電流傳感器在運(yùn)行的過(guò)程中，會(huì)受到電流沖擊等因素的干擾從而發(fā)生故障，導(dǎo)致系統(tǒng)崩潰。對(duì)于它的故障診斷方法主要有以下幾種。（1）基于模型診斷方法。這種診斷方法的基礎(chǔ)是數(shù)學(xué)建模，也就是說(shuō)數(shù)學(xué)模型在電動(dòng)機(jī)上的應(yīng)用。其中，必須要用到觀測(cè)器。觀測(cè)器所觀測(cè)的信息與實(shí)際對(duì)電流傳感器的測(cè)量信息做一個(gè)數(shù)據(jù)對(duì)比，從而判斷故障。利用全階自適應(yīng)觀測(cè)器來(lái)產(chǎn)生一個(gè)殘差，根據(jù)殘差和給定的閾值判斷電流傳感器故障。（2）基于信號(hào)診斷方法。這種診斷方法是通過(guò)對(duì)信號(hào)的測(cè)量、對(duì)信號(hào)特征的辨別來(lái)診斷是否發(fā)生故障。如果電流傳感器發(fā)生了故障，那么就會(huì)顯示出不同的信號(hào)特征，對(duì)其予以記錄，故障信號(hào)特征與正常系統(tǒng)的特征不同，那么根據(jù)之前的經(jīng)驗(yàn)就可以準(zhǔn)確地把握故障的定位，對(duì)其進(jìn)行辨識(shí)，從而予以解決。在沒(méi)有障礙順利運(yùn)行時(shí)，各相的故障定位變量都將趨近一個(gè)固定值。而在某相電流傳感器故障后，這個(gè)值會(huì)與其他兩相顯著不同，從而定位故障。（3）基于知識(shí)的故障診斷方法。這種診斷方法的依據(jù)和基礎(chǔ)與前兩者略有不同，其需要實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)與歷史數(shù)據(jù)，兩者同時(shí)具備的情況下才能去診斷。這種診斷，在實(shí)際應(yīng)用中還是很廣泛的。

2.2 電流傳感器故障的容錯(cuò)控制

在電流傳感器出現(xiàn)故障之后，主要有3種方法進(jìn)行修復(fù)。（1）基于狀態(tài)觀測(cè)器的容錯(cuò)控制方法。這種方法就是通過(guò)對(duì)經(jīng)過(guò)合理設(shè)計(jì)的觀測(cè)器的觀察與運(yùn)用，捕獲到準(zhǔn)確的電流信號(hào)，在故障發(fā)生之后，運(yùn)用所觀測(cè)到的電流信息代替原本在傳遞的傳感器信號(hào)，從而達(dá)到閉環(huán)控制的效果。變頻器中，一般有兩個(gè)相電流傳感器，所以容錯(cuò)控制應(yīng)考慮單個(gè)相電流傳感器的情況。（2）基于坐標(biāo)變換的容錯(cuò)控制方法。這種方法就是通過(guò)對(duì)坐標(biāo)的計(jì)算與換算，構(gòu)造出丟失的電流信息，也是一種變相的數(shù)學(xué)建模方法，通過(guò)數(shù)學(xué)方法對(duì)電流信息進(jìn)行判定。這種方法在實(shí)踐中具有很大的可行性，一般都會(huì)通過(guò)坐標(biāo)的變換得出α、β軸電流，進(jìn)一步與已經(jīng)計(jì)算出的電流數(shù)值進(jìn)行比較，根據(jù)電流自身特性進(jìn)行判斷，從而完成故障診斷。（3）直流母線電流采樣法，這種方法是利用串聯(lián)在直流母線上的采樣電阻得到直流母線電流，然后利用逆變器的開(kāi)關(guān)狀態(tài)重構(gòu)三相電流。當(dāng)變頻器施加非零矢量時(shí)，直流母線電某一相電流的信息。由于空間矢量脈寬調(diào)制方法是將相鄰的兩個(gè)非零電壓矢量在一個(gè)采樣周期內(nèi)進(jìn)行合成來(lái)得到目標(biāo)電壓矢量，所以在一個(gè)開(kāi)關(guān)周期內(nèi)直流母線電流采樣可以得到兩相電流信息。但是這種方法，會(huì)造成較大的噪聲，這是其弊端，那么它就適用于小功率場(chǎng)合。

3 速度傳感器故障診斷與容錯(cuò)控制

3.1 速度傳感器故障診斷方法

在電動(dòng)機(jī)運(yùn)行的過(guò)程中，最脆弱與最容易發(fā)生問(wèn)題的一環(huán)就是速度傳感器。速度傳感器的故障常常會(huì)導(dǎo)致不可估量的損失，甚至對(duì)人民生命財(cái)產(chǎn)安全造成嚴(yán)重的威脅，那么對(duì)速度傳感器的故障診斷與實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)就不可輕視。對(duì)速度傳感器的故障診斷方法，主要有兩種，一種是硬件診斷方法；另一種是軟件診斷方法。（1）硬件診斷方法，就是指在對(duì)速度傳感器診斷的過(guò)程中所使用的是硬件電路，通過(guò)硬件電路達(dá)到對(duì)故障的精確化，同時(shí)也能夠做到將故障隔離，以防造成更多的事故故障。這種診斷方法比較簡(jiǎn)易，但是存在其自身缺陷，那就是這種故障診斷的成功與否是與速度傳感器輸出接口類型密切相關(guān)的，當(dāng)電壓輸出類型不是光電編碼器的時(shí)候，這種方法就不再適用。與此同時(shí)，當(dāng)速度傳感器發(fā)生內(nèi)部損壞時(shí)，這種方法測(cè)不出脈沖，所以也不適用。（2）軟件診斷方法。這種方法中主要有兩種手段，一種是狀態(tài)觀測(cè)器方法；另一種就是利用智能算法。狀態(tài)觀測(cè)器方法是利用改進(jìn)龍貝格觀測(cè)器來(lái)獲得定子電流誤差E，同時(shí)通過(guò)判斷誤差E是否超過(guò)了設(shè)定的閾值判斷速度傳感器是否發(fā)生故障。智能算法和上述的方法相類似。

3.2 速度傳感器容錯(cuò)控制

在速度傳感器出現(xiàn)了故障之后，具體的修復(fù)方法有以下幾種。（1）直接計(jì)算法，指的是利用同步角速度與轉(zhuǎn)差角速度相減得到轉(zhuǎn)子角速度。這種方法有著直接簡(jiǎn)易的優(yōu)勢(shì)，但是缺點(diǎn)就是容易受到磁場(chǎng)的干擾，它的準(zhǔn)確性較差，并且過(guò)度依賴于電子機(jī)的參數(shù)。（2）狀態(tài)觀測(cè)器方法，這種方法同樣運(yùn)用數(shù)學(xué)模型的方法，但是其參考模型是電動(dòng)機(jī)自身，可調(diào)模型是狀態(tài)觀測(cè)器。這種方法，具有準(zhǔn)確度高的優(yōu)點(diǎn)，利用全階狀態(tài)觀測(cè)器辨識(shí)轉(zhuǎn)速，同時(shí)利用反饋矩陣的設(shè)計(jì)提高轉(zhuǎn)速估計(jì)的準(zhǔn)確度。（3）滑模觀測(cè)器方法，這種方法的優(yōu)點(diǎn)就是簡(jiǎn)單易行，但是缺點(diǎn)就是會(huì)在使用過(guò)程中出現(xiàn)抖振的現(xiàn)象，且不能完全消除。

總而言之，隨著技術(shù)的不斷發(fā)展，對(duì)于變頻器的使用越來(lái)越廣泛，科學(xué)技術(shù)的不斷進(jìn)步，以及對(duì)變頻器的研究不斷深入，將會(huì)對(duì)這些問(wèn)題逐步解決。

參考文獻(xiàn)

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