變頻器故障診斷及容錯控制分析

寧偉濤

（曹妃甸港礦石碼頭股份有限公司，河北唐山 063200）

0 引言

變頻器最大的特點就是節(jié)能、變速，所以被廣泛應(yīng)用在不同的行業(yè)領(lǐng)域中。變頻器在應(yīng)用的過程中，對環(huán)境有很高的要求，如果使用環(huán)境溫度過高或過低，或者是粉塵比較多，就會增加變頻器故障的發(fā)生。變頻器在使用過程中突然發(fā)生故障，會使工作暫停，給企業(yè)帶來很大的經(jīng)濟損失，可見對變頻器故障進行研究很有必要。

1 開關(guān)管的故障診斷與容錯控制分析

1.1 開關(guān)管故障的診斷方法

變頻控制技術(shù)是由變頻器和電機組成，在這兩部分當(dāng)中，變頻器發(fā)生故障的概率非常高，主要是開關(guān)管故障。常用開關(guān)管的診斷方法主要有4 種：①專家系統(tǒng)診斷檢測方法。這種診斷檢測方法主要是以經(jīng)驗為主，專家一般是工作年限長，經(jīng)歷故障多并且十分有經(jīng)驗的人。根據(jù)開關(guān)管的實際情況，將可能出現(xiàn)的故障問題羅列出來，形成自己的知識庫，這樣如果再次遇到同樣的情況就可以直接作出判斷。這種診斷方法雖然比較快捷和高效，但是知識庫體系的構(gòu)建不是很完善和具體，所以是需要加強研究的地方；②電壓診斷檢測方法，是根據(jù)變頻器發(fā)生故障時的電壓與正常電壓對比進行的診斷方法，這里的電壓包括相電壓、線電壓以及中性點電壓；③智能算法，其實就是一種優(yōu)化的算法，包含人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)、小波分析等；④對電流檢測診斷的方法，利用電流數(shù)值做好開關(guān)管的控制，將電流數(shù)值進行統(tǒng)一化管理[1]。

1.2 開關(guān)管故障的容錯控制分析

當(dāng)開關(guān)管出現(xiàn)故障以后，常用的恢復(fù)方法有兩種，即冗余控制和容錯控制。冗余控制是在具有很強可靠性的系統(tǒng)中使用，就是在開關(guān)管發(fā)生故障后使用冗余開關(guān)，而容錯控制是在每一相橋臂和電機之間用繼電器連接。一般在沒有發(fā)生故障時，繼電器是斷開的，但是并沒有被激活，而在發(fā)生故障以后，繼電器會在斷開以后被激活，從而降低故障損失。

2 電流傳感器故障的診斷檢測和容錯控制分析

2.1 電流傳感器故障的診斷檢測方法

在變頻調(diào)速時，電流和速度是變頻器工作中最為關(guān)鍵和重要的內(nèi)容。兩者對雙閉環(huán)控制起很大的作用。電流傳感器在實際運行的過程中，會因為電流沖擊使變頻器受到干擾，引發(fā)事故，主要有以下3 種方法：

（1）利用模型的診斷方法。是在數(shù)字建模的基礎(chǔ)上進行診斷和檢測，但診斷需要用到觀測器，要運用觀測器所得出來的信息與實際電流傳感器的信息數(shù)據(jù)做對比，以此來對故障進行準確判斷。此外，還可以在全階段利用自適應(yīng)觀測器來產(chǎn)生殘差，并根據(jù)殘差數(shù)據(jù)以及給出的闞值來判斷電流傳感器的故障。

（2）利用信號進行診斷和檢測的方法。主要是利用對信號的測量和表現(xiàn)特征來診斷和檢測的方法。電流傳感器在發(fā)生故障的情況下所呈現(xiàn)出來的特征是不一樣的，所以這個時候需要對其準確的記錄，出現(xiàn)故障的信號燈與正常工作的信號燈是不一樣的，然后根據(jù)以往的工作經(jīng)驗對發(fā)生故障的部位進行明確和辨別，從而將出現(xiàn)的問題進行解決。電流傳感器在沒有發(fā)生故障的時候，所有的數(shù)據(jù)值和變量都是固定的，只有在發(fā)生故障以后，數(shù)值才會發(fā)生變化，從而出現(xiàn)不同。

（3）利用數(shù)據(jù)信息來診斷和檢測故障。這種檢測診斷方法需要運用數(shù)據(jù)信息作為基礎(chǔ)，不但要結(jié)合電流傳感器的實時數(shù)據(jù)，還要結(jié)合歷史的數(shù)據(jù)信息來判斷故障問題。就目前來說，這種診斷檢測方法應(yīng)用的還是比較多的[2]。

2.2 電流傳感器故障的容錯控制

電流傳感器故障的容錯控制方法主要有以下3 種：①關(guān)于狀態(tài)觀測器的容錯控制。這種修復(fù)故障的方法，是利用觀測器來抓取電流信號，一旦發(fā)生故障，就可以摒棄傳統(tǒng)的傳感器信號，并將電流信息進行替代，以此來實現(xiàn)容錯控制。一般情況下，變頻器中有2 個交流傳感器，在容錯控制的過程中，主要考慮單相電流傳感器；②在坐標(biāo)變換的基礎(chǔ)上進行容錯控制。這種容錯控制方法主要是通過計算換算，將丟失的電流信息構(gòu)造出來，也是屬于一種數(shù)字建模的方法，可行性非常高，是通過比較計算出來的電流數(shù)值信息進行判斷，從而完成故障的診斷和控制；③直流母線電流采樣方法。此方法主要是將線路串聯(lián)起來，然后利用電阻來獲取電流信息，最后在逆變器的幫助下，重新構(gòu)建電流信息，重新構(gòu)建的電流信息屬于三相電流。需要注意的是，當(dāng)變頻器在施加非零電壓矢量的時候，會增加兩個非零電壓矢量的合成概率，從而獲得目標(biāo)的電壓矢量。但是這種方法最大的弊端就是會帶來很大的噪聲，所以一般情況下，它被應(yīng)用在功率比較小的場合。

3 速度傳感器的故障診斷檢測方法和容錯控制分析

3.1 速度傳感器的故障診斷檢測方法

電機運行時最容易出現(xiàn)問題的是速度傳感器，而速度傳感器一旦出現(xiàn)問題，帶來的損失也是非常嚴重的，甚至危及生命安全，給企業(yè)帶來很大的經(jīng)濟損失，所以一定要加強對速度傳感器故障診斷的檢測。常用的速度傳感器診斷方法主要有以下兩種：①對速度傳感器硬件的診斷檢測方法。速度傳感器的硬件診斷主要是對電路的診斷和檢測。對此硬件的診斷方法是比較簡單的，主要是通過對故障的精確、隔離等，能有效防止更多事故的發(fā)生。這種方法也會有缺點存在，就是故障診斷是否成功與傳感器速度輸出接口的類型有直接的關(guān)系，所以當(dāng)速度傳感器輸出接口類型不是光電編碼器的時候，是不適合采用這種方法的。此外，如果速度傳感器本身部件存在問題的時候，也是無法使用此診斷方法的；②對速度傳感器軟件的診斷檢測方法。常用的軟件診斷方法有兩種，一個是對狀態(tài)的觀測器，另一個是智能算法。其中，狀態(tài)觀測器主要是通過觀測來獲取電流誤差，從而完成診斷和判斷；而智能算法與上文描述的方式相同。

3.2 速度傳感器的故障容錯控制分析

目前無速度傳感器技術(shù)發(fā)展已經(jīng)日漸穩(wěn)定，所以容錯控制主要是在速度傳感器發(fā)生故障以后，對速度傳感器故障的容錯控制主要有以下4 種方法：①直接計算的控制方法。直接計算方法主要是利用轉(zhuǎn)角速度來進行控制。此方法應(yīng)用起來非常簡單的，不會出現(xiàn)延時，而且計算過程很直觀。但是缺點也是存在的，最大的缺點就是很容易受到磁場的干擾，對電子機參數(shù)依賴性很強，準確性不高。為此，需要根據(jù)其缺點制定改進方法，一般是采用被改進過的電動機磁鏈的技術(shù)進行觀測，對參數(shù)信息進行識別與數(shù)據(jù)信息的校正；②模型參考自適應(yīng)控制方法。此方法是在模型的基礎(chǔ)上，創(chuàng)建兩個不同的參考模型，將物理的輸出量通過模型傳遞出來，達到自適應(yīng)率。在兩個不同的模型中，一個是可調(diào)模型，此模型可以適時對參數(shù)信息進行調(diào)整，達到控制的目的；③狀態(tài)觀測器的控制方法。狀態(tài)觀測器屬于參考自適應(yīng)控制的一種形式，是將電機作為參考的模型來實現(xiàn)容錯控制的方法。此方法最大的優(yōu)點是能更好地保證參考模型的精準度。全階段采用狀態(tài)觀測器來識別旋轉(zhuǎn)的速度。狀態(tài)觀測方法在設(shè)計的時候有一個最為關(guān)鍵的內(nèi)容，就是反饋矩陣設(shè)計，通過此設(shè)計的應(yīng)用，能夠在一定程度上提供轉(zhuǎn)速的準確性；④滑膜觀測器的方法。從滑膜觀測器的組織結(jié)構(gòu)來看，其與模型參考自適應(yīng)控制結(jié)構(gòu)還是非常相似的，兩者之間最大的區(qū)別就是控制器。模型參考自適應(yīng)控制結(jié)構(gòu)采用的是PI 控制器，而滑膜觀測器采用的是滑膜控制器?；び^測器觀測方法的優(yōu)點是簡單，操作起來比較容易，對相應(yīng)參數(shù)的準確性要求不是很高，正是因為這些優(yōu)點，它比較適合對電動機系統(tǒng)的研究?；び^測器的缺點是在使用過程中會出現(xiàn)很大強度的振抖現(xiàn)象，這種情況無論采用何種方式，徹底消除還有一定困難，但是卻可以抑制。通過對滑膜觀測器和無速度傳感器的對比和分析可以發(fā)現(xiàn)，兩種操作和控制方法都是比較容易的，只不過滑膜觀測器會更有優(yōu)勢一些，除了動態(tài)反應(yīng)很快以外，對電機參數(shù)的魯棒性效果也很好[3]。

4 結(jié)束語

總而言之，目前變頻器的可靠性和安全性越來越受到重視，所以也間接的推動了它的快速發(fā)展。也正是因為變頻器容易發(fā)生故障，讓變頻器的故障診斷和容錯控制技術(shù)越來越完美和高效。通過對變頻器成本和適應(yīng)性方面分析可以發(fā)現(xiàn)，故障的診斷和容錯控制已經(jīng)開始從硬件控制、信號控制等方面向模型和知識方向發(fā)展。因此，想要更好地控制和診斷變頻器的故障，還需要將診斷和容錯結(jié)合在一起，并使其向電機系統(tǒng)、伺服系統(tǒng)等行業(yè)發(fā)展，這是變頻器故障診斷及容錯控制方法未來的發(fā)展方向。