变频器故障诊断及容错控制研究

谢勇来

摘 要：变频器因其具有良好的调速性、节能性，在近些年被越来越广泛地应用到了各个领域当中，例如工商业、航空航天业、制造业等。但是由于其自身具有的相关特性，在广泛使用的过程中，也出现了许多的故障，比如算法的复杂性与半导体元件的自身弊端等。在变频器被应用领域中，如果其发生故障，将会造成不可估量的经济损失。所以笔者在此要对变频器故障问题做一探讨与研究，致力于最后实现变频器的无故障不间断运行。

关键词：变频器 故障诊断 容错控制

中图分类号：TM921 文献标识码：A 文章编号：1674-098X（2016）11（b）-0071-02

随着电力技术、电子科技、半导体技术的不断发展，交流电动机的技术日趋成熟，也被越来越广泛地应用。而变频器作为交流电动机中的主要控制元件，变频调速技术是交流电动机的主要控制方式，对它的应用也逐步广泛。变频调速技术是由电动机与变频器组成的，变频器对应用环境的要求较高，当温度不当，或者粉尘过多的时候，都会使其发生故障。变频器的突然故障，会造成较大的经济损失，因此对它的研究就十分必要。变频调速系统中主要有3种故障模式，笔者针对这3种故障模式展开研究。

1 开关管的故障诊断及容错控制

1.1 开关管故障的诊断方法

变频控速系统是由变频器与电动机两个部分构成，但是变频器部分的故障发生概率更高，导致变频器的故障率高的一个重要因素就是开关管的故障多发。针对开关管的故障诊断方法主要有4种方法：专家系统法、电压检测法、智能算法、电流检测法。（1）专家系统法，指的是以对故障诊断的经验为依据基础，结合具体情况，将有可能发生的故障进行列举，不断丰富总结，最终形成一个有体系的知识库。那么当故障再次发生的时候，通过查询这个知识库就可以做出诊断，但是这种诊断方法的弊端就是无法将知识库建立得彻底完备与完全。（2）电压检测法，是通过考察变频器故障时电动机相电压、线电压或中性点电压与正常时的偏差来诊断故障。（3）智能算法，指的是一般最优化算法。在变频控速系统中，智能算法主要包括人工神经网络、小波分析、模糊控制。（4）电流检测法，这一方法主要是通过对电流数值的把握，对电流进行归一化，从而控制好开关管。

1.2 开关管故障的容错控制

在开关管出现故障之后，有两种方法来进行恢复：一种是采用冗余的控制；另一种是容错控制。冗余的控制，是在可靠性较高的系统中进行使用的。就是在运行过程中，当有开关管出现故障的情况时，运用冗余的开关。容错控制，就是在每一相桥臂与电动机之间通过继电器相连接。在正常运转的时候，电动机中性点相的继电器断开，此相没有被激活。当运行过程中，某一节的开关管发生故障，该相的继电器断开，从而能够使得因突然故障导致的损失降到最低。

2 电流传感器故障诊断与容错控制

2.1 电流传感器的故障诊断方法

在变频调速过程中，电流信息与速度信息是必不可少的，需要它们两个的完善来支撑双闭环控制的环节。电流传感器在运行的过程中，会受到电流冲击等因素的干扰从而发生故障，导致系统崩溃。对于它的故障诊断方法主要有以下几种。（1）基于模型诊断方法。这种诊断方法的基础是数学建模，也就是说数学模型在电动机上的应用。其中，必须要用到观测器。观测器所观测的信息与实际对电流传感器的测量信息做一个数据对比，从而判断故障。利用全阶自适应观测器来产生一个残差，根据残差和给定的阈值判断电流传感器故障。（2）基于信号诊断方法。这种诊断方法是通过对信号的测量、对信号特征的辨别来诊断是否发生故障。如果电流传感器发生了故障，那么就会显示出不同的信号特征，对其予以记录，故障信号特征与正常系统的特征不同，那么根据之前的经验就可以准确地把握故障的定位，对其进行辨识，从而予以解决。在没有障碍顺利运行时，各相的故障定位变量都将趋近一个固定值。而在某相电流传感器故障后，这个值会与其他两相显著不同，从而定位故障。（3）基于知识的故障诊断方法。这种诊断方法的依据和基础与前两者略有不同，其需要实时数据与历史数据，兩者同时具备的情况下才能去诊断。这种诊断，在实际应用中还是很广泛的。

2.2 电流传感器故障的容错控制

在电流传感器出现故障之后，主要有3种方法进行修复。（1）基于状态观测器的容错控制方法。这种方法就是通过对经过合理设计的观测器的观察与运用，捕获到准确的电流信号，在故障发生之后，运用所观测到的电流信息代替原本在传递的传感器信号，从而达到闭环控制的效果。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。（2）基于坐标变换的容错控制方法。这种方法就是通过对坐标的计算与换算，构造出丢失的电流信息，也是一种变相的数学建模方法，通过数学方法对电流信息进行判定。这种方法在实践中具有很大的可行性，一般都会通过坐标的变换得出α、β轴电流，进一步与已经计算出的电流数值进行比较，根据电流自身特性进行判断，从而完成故障诊断。（3）直流母线电流采样法，这种方法是利用串联在直流母线上的采样电阻得到直流母线电流，然后利用逆变器的开关状态重构三相电流。当变频器施加非零矢量时，直流母线电某一相电流的信息。由于空间矢量脉宽调制方法是将相邻的两个非零电压矢量在一个采样周期内进行合成来得到目标电压矢量，所以在一个开关周期内直流母线电流采样可以得到两相电流信息。但是这种方法，会造成较大的噪声，这是其弊端，那么它就适用于小功率场合。

3 速度传感器故障诊断与容错控制

3.1 速度传感器故障诊断方法

在电动机运行的过程中，最脆弱与最容易发生问题的一环就是速度传感器。速度传感器的故障常常会导致不可估量的损失，甚至对人民生命财产安全造成严重的威胁，那么对速度传感器的故障诊断与实时监测就不可轻视。对速度传感器的故障诊断方法，主要有两种，一种是硬件诊断方法；另一种是软件诊断方法。（1）硬件诊断方法，就是指在对速度传感器诊断的过程中所使用的是硬件电路，通过硬件电路达到对故障的精确化，同时也能够做到将故障隔离，以防造成更多的事故故障。这种诊断方法比较简易，但是存在其自身缺陷，那就是这种故障诊断的成功与否是与速度传感器输出接口类型密切相关的，当电压输出类型不是光电编码器的时候，这种方法就不再适用。与此同时，当速度传感器发生内部损坏时，这种方法测不出脉冲，所以也不适用。（2）软件诊断方法。这种方法中主要有两种手段，一种是状态观测器方法；另一种就是利用智能算法。状态观测器方法是利用改进龙贝格观测器来获得定子电流误差E，同时通过判断误差E是否超过了设定的阈值判断速度传感器是否发生故障。智能算法和上述的方法相类似。

3.2 速度传感器容错控制

在速度传感器出现了故障之后，具体的修复方法有以下几种。（1）直接计算法，指的是利用同步角速度与转差角速度相减得到转子角速度。这种方法有着直接简易的优势，但是缺点就是容易受到磁场的干扰，它的准确性较差，并且过度依赖于电子机的参数。（2）状态观测器方法，这种方法同样运用数学模型的方法，但是其参考模型是电动机自身，可调模型是状态观测器。这种方法，具有准确度高的优点，利用全阶状态观测器辨识转速，同时利用反馈矩阵的设计提高转速估计的准确度。（3）滑模观测器方法，这种方法的优点就是简单易行，但是缺点就是会在使用过程中出现抖振的现象，且不能完全消除。

总而言之，随着技术的不断发展，对于变频器的使用越来越广泛，科学技术的不断进步，以及对变频器的研究不断深入，将会对这些问题逐步解决。

参考文献

[1] 孙丰涛，张承慧，崔纳新.变频器故障诊断技术研究与分析[J].电机与控制学报，2015，9（3）：272-274.

[2] 周东华，Ding X.容错控制理论及其应用[J].自动化学报，2010，26（6）：788-797.