變頻器故障診斷及容錯控制研究

謝勇來

摘 要：變頻器因其具有良好的調速性、節能性，在近些年被越來越廣泛地應用到了各個領域當中，例如工商業、航空航天業、制造業等。但是由于其自身具有的相關特性，在廣泛使用的過程中，也出現了許多的故障，比如算法的復雜性與半導體元件的自身弊端等。在變頻器被應用領域中，如果其發生故障，將會造成不可估量的經濟損失。所以筆者在此要對變頻器故障問題做一探討與研究，致力于最后實現變頻器的無故障不間斷運行。

關鍵詞：變頻器 故障診斷 容錯控制

中圖分類號：TM921 文獻標識碼：A 文章編號：1674-098X（2016）11（b）-0071-02

隨著電力技術、電子科技、半導體技術的不斷發展，交流電動機的技術日趨成熟，也被越來越廣泛地應用。而變頻器作為交流電動機中的主要控制元件，變頻調速技術是交流電動機的主要控制方式，對它的應用也逐步廣泛。變頻調速技術是由電動機與變頻器組成的，變頻器對應用環境的要求較高，當溫度不當，或者粉塵過多的時候，都會使其發生故障。變頻器的突然故障，會造成較大的經濟損失，因此對它的研究就十分必要。變頻調速系統中主要有3種故障模式，筆者針對這3種故障模式展開研究。

1 開關管的故障診斷及容錯控制

1.1 開關管故障的診斷方法

變頻控速系統是由變頻器與電動機兩個部分構成，但是變頻器部分的故障發生概率更高，導致變頻器的故障率高的一個重要因素就是開關管的故障多發。針對開關管的故障診斷方法主要有4種方法：專家系統法、電壓檢測法、智能算法、電流檢測法。（1）專家系統法，指的是以對故障診斷的經驗為依據基礎，結合具體情況，將有可能發生的故障進行列舉，不斷豐富總結，最終形成一個有體系的知識庫。那么當故障再次發生的時候，通過查詢這個知識庫就可以做出診斷，但是這種診斷方法的弊端就是無法將知識庫建立得徹底完備與完全。（2）電壓檢測法，是通過考察變頻器故障時電動機相電壓、線電壓或中性點電壓與正常時的偏差來診斷故障。（3）智能算法，指的是一般最優化算法。在變頻控速系統中，智能算法主要包括人工神經網絡、小波分析、模糊控制。（4）電流檢測法，這一方法主要是通過對電流數值的把握，對電流進行歸一化，從而控制好開關管。

1.2 開關管故障的容錯控制

在開關管出現故障之后，有兩種方法來進行恢復：一種是采用冗余的控制；另一種是容錯控制。冗余的控制，是在可靠性較高的系統中進行使用的。就是在運行過程中，當有開關管出現故障的情況時，運用冗余的開關。容錯控制，就是在每一相橋臂與電動機之間通過繼電器相連接。在正常運轉的時候，電動機中性點相的繼電器斷開，此相沒有被激活。當運行過程中，某一節的開關管發生故障，該相的繼電器斷開，從而能夠使得因突然故障導致的損失降到最低。

2 電流傳感器故障診斷與容錯控制

2.1 電流傳感器的故障診斷方法

在變頻調速過程中，電流信息與速度信息是必不可少的，需要它們兩個的完善來支撐雙閉環控制的環節。電流傳感器在運行的過程中，會受到電流沖擊等因素的干擾從而發生故障，導致系統崩潰。對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是數學建模，也就是說數學模型在電動機上的應用。其中，必須要用到觀測器。觀測器所觀測的信息與實際對電流傳感器的測量信息做一個數據對比，從而判斷故障。利用全階自適應觀測器來產生一個殘差，根據殘差和給定的閾值判斷電流傳感器故障。（2）基于信號診斷方法。這種診斷方法是通過對信號的測量、對信號特征的辨別來診斷是否發生故障。如果電流傳感器發生了故障，那么就會顯示出不同的信號特征，對其予以記錄，故障信號特征與正常系統的特征不同，那么根據之前的經驗就可以準確地把握故障的定位，對其進行辨識，從而予以解決。在沒有障礙順利運行時，各相的故障定位變量都將趨近一個固定值。而在某相電流傳感器故障后，這個值會與其他兩相顯著不同，從而定位故障。（3）基于知識的故障診斷方法。這種診斷方法的依據和基礎與前兩者略有不同，其需要實時數據與歷史數據，兩者同時具備的情況下才能去診斷。這種診斷，在實際應用中還是很廣泛的。

2.2 電流傳感器故障的容錯控制

在電流傳感器出現故障之后，主要有3種方法進行修復。（1）基于狀態觀測器的容錯控制方法。這種方法就是通過對經過合理設計的觀測器的觀察與運用，捕獲到準確的電流信號，在故障發生之后，運用所觀測到的電流信息代替原本在傳遞的傳感器信號，從而達到閉環控制的效果。變頻器中，一般有兩個相電流傳感器，所以容錯控制應考慮單個相電流傳感器的情況。（2）基于坐標變換的容錯控制方法。這種方法就是通過對坐標的計算與換算，構造出丟失的電流信息，也是一種變相的數學建模方法，通過數學方法對電流信息進行判定。這種方法在實踐中具有很大的可行性，一般都會通過坐標的變換得出α、β軸電流，進一步與已經計算出的電流數值進行比較，根據電流自身特性進行判斷，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關狀態重構三相電流。當變頻器施加非零矢量時，直流母線電某一相電流的信息。由于空間矢量脈寬調制方法是將相鄰的兩個非零電壓矢量在一個采樣周期內進行合成來得到目標電壓矢量，所以在一個開關周期內直流母線電流采樣可以得到兩相電流信息。但是這種方法，會造成較大的噪聲，這是其弊端，那么它就適用于小功率場合。

3 速度傳感器故障診斷與容錯控制

3.1 速度傳感器故障診斷方法

在電動機運行的過程中，最脆弱與最容易發生問題的一環就是速度傳感器。速度傳感器的故障常常會導致不可估量的損失，甚至對人民生命財產安全造成嚴重的威脅，那么對速度傳感器的故障診斷與實時監測就不可輕視。對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，就是指在對速度傳感器診斷的過程中所使用的是硬件電路，通過硬件電路達到對故障的精確化，同時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的，當電壓輸出類型不是光電編碼器的時候，這種方法就不再適用。與此同時，當速度傳感器發生內部損壞時，這種方法測不出脈沖，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，一種是狀態觀測器方法；另一種就是利用智能算法。狀態觀測器方法是利用改進龍貝格觀測器來獲得定子電流誤差E，同時通過判斷誤差E是否超過了設定的閾值判斷速度傳感器是否發生故障。智能算法和上述的方法相類似。

3.2 速度傳感器容錯控制

在速度傳感器出現了故障之后，具體的修復方法有以下幾種。（1）直接計算法，指的是利用同步角速度與轉差角速度相減得到轉子角速度。這種方法有著直接簡易的優勢，但是缺點就是容易受到磁場的干擾，它的準確性較差，并且過度依賴于電子機的參數。（2）狀態觀測器方法，這種方法同樣運用數學模型的方法，但是其參考模型是電動機自身，可調模型是狀態觀測器。這種方法，具有準確度高的優點，利用全階狀態觀測器辨識轉速，同時利用反饋矩陣的設計提高轉速估計的準確度。（3）滑模觀測器方法，這種方法的優點就是簡單易行，但是缺點就是會在使用過程中出現抖振的現象，且不能完全消除。

總而言之，隨著技術的不斷發展，對于變頻器的使用越來越廣泛，科學技術的不斷進步，以及對變頻器的研究不斷深入，將會對這些問題逐步解決。

參考文獻

[1] 孫豐濤，張承慧，崔納新.變頻器故障診斷技術研究與分析[J].電機與控制學報，2015，9（3）：272-274.

[2] 周東華，Ding X.容錯控制理論及其應用[J].自動化學報，2010，26（6）：788-797.