变频器的故障诊断及容错控制方法

变频器的故障诊断及容错控制方法

发表时间：2016-08-03T16:28:29.853Z 来源：《基层建设》2016年10期作者：杜成文

[导读] 随着变频器在工业领域的广泛应用，变频器的安全性和可靠性已经成为评价变频器品质的重要因素。

天津市南港工业区能源有限公司

摘要：随着变频器在工业领域的广泛应用，变频器的安全性和可靠性已经成为评价变频器品质的重要因素。从变频器的开关管、电流传感器和速度传感器3个方面综述了变频器的故障诊断及容错控制方法，并对高故障容限变频器的发展趋势做出了展望。

关键词：变频器故障诊断容错控制

随着现在工业的迅速发展，工业社会日趋朝着复杂电力传动系统的方向发展。一般说来，该系统结构由变频器，感应电机和负载组成。电力传动系统在航天，铁路运输，机器人等诸多领域得到了广泛的应用。相比于以往通过模拟电路构成的电力传动系统，变频器不仅占地小，成本低，而且调速范围更宽，效果更好。

变频器与绝大多数的电力电子设备一样，在外部干扰或者人为误操作的情况下易发生各种故障。在工业生产过程中，变频器故障可能会带来巨大的经济损失，有时甚至造成工作人员的人身伤亡，因此提高系统的可靠性势在必行。

故障诊断技术始于20世纪中期，主要用于检测运行中机械或设备的异常状态，分析异常状态的原因并最终能够预测未来的状态。故障诊断技术提出之后，容错控制也应运而生，设备诊断出故障后，在故障条件下系统完成重新配置，在不停机的情况下继续运行。故障诊断和容错控制都可以大大提高系统的稳定性，现在已经成为研究领域的一个热点问题。

变频器工作时间过长后，IGBT容易发热。虽然在变频器功率板中都含有冷却风扇，但是它的效果随着使用时长的增加而下降，在特定的时间会造成功率器件温度过高，甚至引起IGBT的烧毁而开路。在V/F控制模式或者基于定子磁场定向的矢量控制模式下，IGBT开路故障后，电机还会继续运行，如不及时停机，一方面随着电流增大，电机等系统容易烧毁，另一方面如果运行在生产过程中，容易产出不合格产品，造成巨大的经济损失。有关资料显示，多个开关管同时发生开路故障的情况也不再鲜见，采取有效的诊断策略在线诊断出该种故障显得尤为重要。

1.开关管的故障诊断

在变频器一电动机构成的控制系统中，变频器部分发生故障的几率远高于电动机。而在变频器中，逆变桥IGBT的开路和短路故障又占了相当大的比重。据统计，38％的变频器故障是由变频器的功率开关器件引起，所以变频器逆变桥IGBT故障的诊断方法是高故障容限变频器研究的热点问题。IGBT的故障主要有短路和开路两种。短路故障已有成熟的硬件解决方案，即通过检测IGBT的管压降，可以准确定位故障管。IGBT开路故障也时有发生，一方面是由于过电流烧毁，导致开路；另一方面是由于接线不良、驱动断线等原因导致的驱动信号开路。相对于短路故障而言，开路故障发生后往往电动机还能继续运行，所以不易被发现，但其同样危害较大，因为此时其余IGBT将流过更大的电流，易发生过电流故障，且电动机电流中存在直流电流分量，会引起转矩减小、发热、绝缘损坏等问题，如不及时处理开路故障，会引发更大的事故。

2.电流传感器故障诊断

矢量控制系统中，需要电流信息和速度信息来完成双闭环控制。由于电流冲击、误操作等问题容易导致电流传感器故障而使系统崩溃，所以电流传感器故障诊断和容错控制受到了广大学者的关注。近几十年来，国内外专家学者就传感器故障诊断提出了许多方法，主要可以分成两大类，硬件冗余方法与解析冗余方法。硬件冗余法使用多个完全相同的组件并采用相同的输入信号，利用这些组件的输出进行对比，通过一些特定方法(限制检验、多数表决等)完成诊断决策。这种方法显然增加了设计成本，相比较而言，随着现代控制理论逐渐成熟，解析冗余方法已经成为了故障诊断研究的主流。

3.电流传感器容错控制

变频器电流传感器的容错控制有两种方法。一种方法是当检测到电流传感器故障后，系统切换到另一种控制模式，一般是从依赖于传感器的闭环矢量控制切换到不依赖于传感器的开环控制。另一种方法是用观测器重构出电流信号代替电流传感器信号，从而使闭环矢量控制继续进行。第一种方法简单，但是开环控制性能较闭环矢量控制性能差，较大程度上降低了系统的性能指标；第二种方法需要设计电流观测器，容错控制后的闭环矢量控制性能的好坏取决于电流观测器的性能，所以电流传感器容错控制的研究重点之一就是如何设计出观测准确的电流观测器。归纳总结国内外的文献所提出的电流传感器容错控制方法，其主要思想都是利用算法来估算出丢失的电流信息。

4.基于状态观测器的容错控制方法

基于观测器的电流传感器容错控制方法，就是通过观测器合理设计，观测到相对准确的相电流，当故障发生后，用状态观测器观测的电流信息代替原有传感器信号实现闭环控制。变频器中，一般有两个相电流传感器，所以容错控制应考虑单个相电流传感器的情况。提出了一种电流传感器容错控制方法，同时可以在线辨识转子电阻和定子电阻。该方法根据电动机的状态方程，基于龙贝格观测器理论设计了一种电流观测器。该观测器的输入包括相电压以及单相电流(即可测相电流)，输出包括定子电流与转子磁链。同时，文中假设可测相电流定位在d轴方向、电流误差只存在于a轴电流。通过李雅普诺夫稳定性判据得到了增益矩阵的表达方式。该思想对于研究电流传感器容错控制具有很重要的意义。但由于其忽略了B轴应有的电流误差，使得该控制方式在高速情况下效果不是很理想，甚至有可能发散导致系统发散。

5.基于坐标变换的容错控制方法

坐标变换方法就是利用坐标变换来构造出丢失的相电流信息。文献[60]将可测相电流定义为n轴方向，利用park反变换得到了B轴电流。由于转换需要给定的d轴电流信息，而给定的q轴电流又要通过转速闭环得到，因此该方法的动态性能效果不是很理想。提出了利用坐标变换的方法来实现容错控制。

结束语

随着工业界对变频器的可靠性和安全性的重视程度不断提高以及控制理论突飞猛进的发展，变频器的故障诊断和容错控制技术也逐渐成熟。从成本和适应性方面考虑，故障诊断和容错控制技术已经从基于硬件、信号的诊断发展为基于模型、知识的诊断；从基于冗余的容错发展为基于控制策略、算法的容错。故障诊断和容错控制往往在方法上融为一体，密不可分，其方法必将推广到永磁同步电动机系统、