變頻器的傳感器故障診斷及容錯(cuò)控制探討

王海斌

摘 要：本文圍繞變頻器的傳感器故障診斷及容錯(cuò)控制，對(duì)變頻器傳感器及常見故障、變頻器傳感器故障診斷方法以及變頻器傳感器感應(yīng)電機(jī)容錯(cuò)控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)及實(shí)現(xiàn)方案進(jìn)行了探究，希望對(duì)相關(guān)人員有所幫助。

關(guān)鍵詞：變頻器;傳感器;故障;控制

中圖分類號(hào)：TN773;TP212 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1003-5168（2019）13-0031-02

Abstract：This paper revolved around the sensor fault diagnosis and fault-tolerant control of frequency converter， discussed that sensor and the common faults of frequency converter， sensor fault diagnosis method of frequency converter， and inverter induction motor sensor fault-tolerant control system structure and implementation plan， hope to be helpful to the related personnel.

Keywords： frequency converter; the sensor; fault; control

近年來，變頻器被廣泛用于工業(yè)傳動(dòng)領(lǐng)域。但是，在使用過程中，變頻器會(huì)因?yàn)榫芷骷匣惓９r或者誤操作等原因發(fā)生故障。在一些特殊情況下，如在航空和航海等軍事領(lǐng)域、發(fā)電廠及鋼鐵冶煉廠等行業(yè)中，如果變頻器傳感器發(fā)生故障，極有可能造成較大的經(jīng)濟(jì)損失，甚至對(duì)工作人員的生命財(cái)產(chǎn)安全造成威脅，后果不堪設(shè)想。因此，在變頻器出現(xiàn)故障后，快速診斷出故障是非常重要的。

1 變頻器的傳感器及故障概述

變頻器的傳感器是一種具有變頻功率性能的傳感器，也是能夠進(jìn)行數(shù)字信號(hào)傳輸?shù)膫鞲衅鳌Ｗ冾l功率傳感器對(duì)輸入電壓和電流信號(hào)的交流電流進(jìn)行采樣，再將采樣值通過電纜、光纖等傳輸系統(tǒng)與數(shù)字量輸入變頻功率分析儀，數(shù)字量輸入二次儀表對(duì)電壓、電流的采樣值進(jìn)行運(yùn)算，可以獲取電壓有效值、電流有效值、基波電壓、基波電流、諧波電壓、諧波電流、有功功率、基波功率和諧波功率等參數(shù)[1]。

變頻器因體積小、效率高、節(jié)能效果好和成本低而成為控制交流電機(jī)速度最理想的設(shè)備。現(xiàn)階段，變頻器更多地應(yīng)用于汽車、化工、工程、采礦和冶金等行業(yè)，但仍然存在諸多故障。由于控制算法的復(fù)雜性和半導(dǎo)體器件的特性，驅(qū)動(dòng)器容易出現(xiàn)故障。在一些特殊應(yīng)用中，由于對(duì)安全性、可維護(hù)性、生存性的需求，以及一些其他指標(biāo)的硬性要求，變頻驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)目前在使用過程中已經(jīng)有了較為明顯的改進(jìn)，因此，系統(tǒng)組件有些故障可以被快速準(zhǔn)確診斷出來，并在此基礎(chǔ)上，采用適當(dāng)?shù)娜蒎e(cuò)控制策略來提高系統(tǒng)可靠性。在閉環(huán)感應(yīng)電動(dòng)機(jī)的變頻驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)中，主要問題是估計(jì)速度和磁通量的耦合及電流傳感器和電壓傳輸信號(hào)出現(xiàn)故障而強(qiáng)制停機(jī)[2]。

2 變頻器的傳感器故障診斷方法

通常情況下，診斷變頻器的傳感器故障時(shí)，需要以系統(tǒng)操作相關(guān)技術(shù)和實(shí)際情況為依據(jù)，具體情況具體分析。本文僅介紹了較為常見和使用率較高的變頻器傳感器的故障診斷方法，其中包括硬件診斷法、軟件診斷法以及矢量控制診斷法[3]。

2.1 硬件診斷法

硬件診斷法是診斷變頻器傳感器故障最常用的一種方法，是有效保證診斷速度的一種方法。硬件診斷是指在對(duì)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(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。硬件法檢測(cè)速度較快，但由于其系統(tǒng)成本過高，沒有一個(gè)相對(duì)完整的電路，無法診斷出各種輸出類型速度傳感器所有的故障。通常情況下，硬件檢測(cè)只能檢測(cè)接口電路具有輸出電壓類型的傳感器故障，并不適用于PNP集電極開路輸出型，而NPN集電極開路輸出型以及驅(qū)動(dòng)線性輸出型傳感器的斷線故障的檢測(cè)，主要原因是檢測(cè)電路的上拉電阻功能失效。此外，硬件診斷方法還可以利用脈沖信號(hào)檢測(cè)傳感器故障。兩個(gè)正交編碼脈沖用于執(zhí)行邏輯異或操作或接收具有雙倍頻率的信號(hào)，接收信號(hào)用作時(shí)鐘信號(hào)，邏輯規(guī)則用于檢測(cè)錯(cuò)誤，主要原因可能出現(xiàn)代碼脈沖故障。

2.2 軟件診斷法

軟件診斷法是基于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、基于小波變換以及基于狀態(tài)觀測(cè)器的診斷方法。在診斷傳感器故障的過程中，狀態(tài)觀察器主要用于評(píng)測(cè)傳感器運(yùn)行狀態(tài)，在發(fā)生故障后傳感器控制模式切換到控制模式，沒有傳感器進(jìn)行容錯(cuò)控制。單位進(jìn)行軟件診斷的過程中，對(duì)矢量把控是十分重要的。每個(gè)傳感器的反饋精度與控制方法的準(zhǔn)確性和系統(tǒng)穩(wěn)定性直接相關(guān)，但感應(yīng)電動(dòng)機(jī)的相電壓難以直接地測(cè)量，因此，一般狀況下可以采用母線電壓和開關(guān)狀態(tài)恢復(fù)電壓的方法測(cè)量。在DC總線電壓采樣電路中，當(dāng)電路沒有輸出信號(hào)或達(dá)到設(shè)定極限值時(shí)，可以確定電壓檢測(cè)電路存在故障。

2.3 矢量控制診斷法

矢量控制診斷法是變頻器的傳感器故障診斷的主要方法之一，當(dāng)采用矢量控制方法進(jìn)行診斷時(shí)，系統(tǒng)穩(wěn)定性和精度很容易受到負(fù)載測(cè)量電壓的諧波干擾，從而影響各種傳感器反饋幅度的精確度，影響診斷的準(zhǔn)確性。在這種情況下，可通過計(jì)算開關(guān)管的狀態(tài)和母線電壓來實(shí)現(xiàn)感應(yīng)電動(dòng)機(jī)相電壓恢復(fù)，并在電路輸出信號(hào)上，使其達(dá)到設(shè)定的極限值，則可以判斷出電壓檢測(cè)電路是否存在故障，具體操作方法主要是借助電路電流和三相輸出來計(jì)算電流傳感器故障。在傳感器中，輸出3個(gè)信號(hào)，假定這三個(gè)信號(hào)分別為A、B和Z，其中，信號(hào)A和B分別是正弦脈沖AC信號(hào)，Z是定位信號(hào)。當(dāng)發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)，光電編碼器產(chǎn)生兩個(gè)正交編碼脈沖，相位差為90°。

2.3.1 電路檢測(cè)電路原理。通常狀況下，系統(tǒng)編碼器的兩個(gè)脈沖信號(hào)A和B之間的相位差應(yīng)當(dāng)保持在90°，且設(shè)置信號(hào)相位的兩個(gè)區(qū)域以獲得Clock信號(hào)。當(dāng)?shù)谝粋€(gè)Clock信號(hào)上升到沿之后，且脈沖A為1，脈沖B為0的情況下;當(dāng)?shù)诙€(gè)Clock信號(hào)上升到沿之后，脈沖A為0，脈沖B為1。按照這樣的規(guī)律，脈沖A和B在Clock信號(hào)達(dá)到上升沿之后發(fā)出信號(hào)，在該狀態(tài)下進(jìn)行正常循環(huán)后，即A是1、B是0或A是0、B是1。該故障檢測(cè)方案基于上述原理，當(dāng)信號(hào)A和信號(hào)B在Clock信號(hào)的每個(gè)上升沿之后反轉(zhuǎn)時(shí)，表示電路正常且沒有錯(cuò)誤，否則表示電路有錯(cuò)誤。

2.3.2 信號(hào)Z的故障檢測(cè)電路。當(dāng)信號(hào)Z沒有發(fā)揮正常效應(yīng)時(shí)，必須通過設(shè)計(jì)電路進(jìn)行單獨(dú)檢查。該設(shè)計(jì)選擇100脈沖/轉(zhuǎn)進(jìn)行故障檢測(cè)，當(dāng)Z信號(hào)發(fā)揮正常效應(yīng)時(shí)，在傳感器旋轉(zhuǎn)一周后，計(jì)數(shù)器將在Z信號(hào)脈沖作用下預(yù)設(shè)為預(yù)設(shè)數(shù)，計(jì)數(shù)器不會(huì)溢出，即故障信號(hào)低。如果脈沖信號(hào)Z沒有出現(xiàn)，則不會(huì)進(jìn)行預(yù)設(shè)操作，由此可能出現(xiàn)計(jì)數(shù)器溢出的現(xiàn)象，故障信號(hào)將具有高電平脈沖。

3 變頻器的傳感器感應(yīng)電機(jī)容錯(cuò)控制方法

變頻器的傳感器感應(yīng)電機(jī)容錯(cuò)控制方法包括電流模型方法、電壓模型方法、通用V/F控制方法和V/F速度傳感器控制方法。雖然實(shí)施方式不同，但一般分析方法大致相同，一般情況下均是通過反饋量加權(quán)平均估計(jì)轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)角。當(dāng)各項(xiàng)數(shù)據(jù)為0時(shí)，在數(shù)據(jù)融合過程中就能排除電壓模型法帶來的錯(cuò)誤，保證系統(tǒng)維持穩(wěn)定狀態(tài)運(yùn)行。

4 結(jié)語

變頻調(diào)速驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)憑借自身優(yōu)異的調(diào)速特性和突出良好的節(jié)能效果，現(xiàn)已廣泛應(yīng)用于工業(yè)、商業(yè)、航空等各個(gè)領(lǐng)域，并發(fā)揮著突出作用。但變頻器傳感器偶發(fā)的各類故障仍然值得關(guān)注，從而科學(xué)合理使用變頻器。

參考文獻(xiàn)：

[1]關(guān)旭東.變頻器的傳感器故障診斷及容錯(cuò)控制探討[J].石化技術(shù)，2017（11）：183.

[2]趙永正.變頻器電流傳感器故障診斷與容錯(cuò)控制[D].哈爾濱：哈爾濱工業(yè)大學(xué)，2017.

[3]徐殿國，劉曉峰，于泳.變頻器故障診斷及容錯(cuò)控制研究綜述[J].電工技術(shù)學(xué)報(bào)，2015（21）：1-12.