变频器故障诊断及容错控制分析

宁伟涛

（曹妃甸港矿石码头股份有限公司，河北唐山 063200）

0 引言

变频器最大的特点就是节能、变速，所以被广泛应用在不同的行业领域中。变频器在应用的过程中，对环境有很高的要求，如果使用环境温度过高或过低，或者是粉尘比较多，就会增加变频器故障的发生。变频器在使用过程中突然发生故障，会使工作暂停，给企业带来很大的经济损失，可见对变频器故障进行研究很有必要。

1 开关管的故障诊断与容错控制分析

1.1 开关管故障的诊断方法

变频控制技术是由变频器和电机组成，在这两部分当中，变频器发生故障的概率非常高，主要是开关管故障。常用开关管的诊断方法主要有4 种：①专家系统诊断检测方法。这种诊断检测方法主要是以经验为主，专家一般是工作年限长，经历故障多并且十分有经验的人。根据开关管的实际情况，将可能出现的故障问题罗列出来，形成自己的知识库，这样如果再次遇到同样的情况就可以直接作出判断。这种诊断方法虽然比较快捷和高效，但是知识库体系的构建不是很完善和具体，所以是需要加强研究的地方；②电压诊断检测方法，是根据变频器发生故障时的电压与正常电压对比进行的诊断方法，这里的电压包括相电压、线电压以及中性点电压；③智能算法，其实就是一种优化的算法，包含人工神经网络系统、小波分析等；④对电流检测诊断的方法，利用电流数值做好开关管的控制，将电流数值进行统一化管理[1]。

1.2 开关管故障的容错控制分析

当开关管出现故障以后，常用的恢复方法有两种，即冗余控制和容错控制。冗余控制是在具有很强可靠性的系统中使用，就是在开关管发生故障后使用冗余开关，而容错控制是在每一相桥臂和电机之间用继电器连接。一般在没有发生故障时，继电器是断开的，但是并没有被激活，而在发生故障以后，继电器会在断开以后被激活，从而降低故障损失。

2 电流传感器故障的诊断检测和容错控制分析

2.1 电流传感器故障的诊断检测方法

在变频调速时，电流和速度是变频器工作中最为关键和重要的内容。两者对双闭环控制起很大的作用。电流传感器在实际运行的过程中，会因为电流冲击使变频器受到干扰，引发事故，主要有以下3 种方法：

（1）利用模型的诊断方法。是在数字建模的基础上进行诊断和检测，但诊断需要用到观测器，要运用观测器所得出来的信息与实际电流传感器的信息数据做对比，以此来对故障进行准确判断。此外，还可以在全阶段利用自适应观测器来产生残差，并根据残差数据以及给出的阚值来判断电流传感器的故障。

（2）利用信号进行诊断和检测的方法。主要是利用对信号的测量和表现特征来诊断和检测的方法。电流传感器在发生故障的情况下所呈现出来的特征是不一样的，所以这个时候需要对其准确的记录，出现故障的信号灯与正常工作的信号灯是不一样的，然后根据以往的工作经验对发生故障的部位进行明确和辨别，从而将出现的问题进行解决。电流传感器在没有发生故障的时候，所有的数据值和变量都是固定的，只有在发生故障以后，数值才会发生变化，从而出现不同。

（3）利用数据信息来诊断和检测故障。这种检测诊断方法需要运用数据信息作为基础，不但要结合电流传感器的实时数据，还要结合历史的数据信息来判断故障问题。就目前来说，这种诊断检测方法应用的还是比较多的[2]。

2.2 电流传感器故障的容错控制

电流传感器故障的容错控制方法主要有以下3 种：①关于状态观测器的容错控制。这种修复故障的方法，是利用观测器来抓取电流信号，一旦发生故障，就可以摒弃传统的传感器信号，并将电流信息进行替代，以此来实现容错控制。一般情况下，变频器中有2 个交流传感器，在容错控制的过程中，主要考虑单相电流传感器；②在坐标变换的基础上进行容错控制。这种容错控制方法主要是通过计算换算，将丢失的电流信息构造出来，也是属于一种数字建模的方法，可行性非常高，是通过比较计算出来的电流数值信息进行判断，从而完成故障的诊断和控制；③直流母线电流采样方法。此方法主要是将线路串联起来，然后利用电阻来获取电流信息，最后在逆变器的帮助下，重新构建电流信息，重新构建的电流信息属于三相电流。需要注意的是，当变频器在施加非零电压矢量的时候，会增加两个非零电压矢量的合成概率，从而获得目标的电压矢量。但是这种方法最大的弊端就是会带来很大的噪声，所以一般情况下，它被应用在功率比较小的场合。

3 速度传感器的故障诊断检测方法和容错控制分析

3.1 速度传感器的故障诊断检测方法

电机运行时最容易出现问题的是速度传感器，而速度传感器一旦出现问题，带来的损失也是非常严重的，甚至危及生命安全，给企业带来很大的经济损失，所以一定要加强对速度传感器故障诊断的检测。常用的速度传感器诊断方法主要有以下两种：①对速度传感器硬件的诊断检测方法。速度传感器的硬件诊断主要是对电路的诊断和检测。对此硬件的诊断方法是比较简单的，主要是通过对故障的精确、隔离等，能有效防止更多事故的发生。这种方法也会有缺点存在，就是故障诊断是否成功与传感器速度输出接口的类型有直接的关系，所以当速度传感器输出接口类型不是光电编码器的时候，是不适合采用这种方法的。此外，如果速度传感器本身部件存在问题的时候，也是无法使用此诊断方法的；②对速度传感器软件的诊断检测方法。常用的软件诊断方法有两种，一个是对状态的观测器，另一个是智能算法。其中，状态观测器主要是通过观测来获取电流误差，从而完成诊断和判断；而智能算法与上文描述的方式相同。

3.2 速度传感器的故障容错控制分析

目前无速度传感器技术发展已经日渐稳定，所以容错控制主要是在速度传感器发生故障以后，对速度传感器故障的容错控制主要有以下4 种方法：①直接计算的控制方法。直接计算方法主要是利用转角速度来进行控制。此方法应用起来非常简单的，不会出现延时，而且计算过程很直观。但是缺点也是存在的，最大的缺点就是很容易受到磁场的干扰，对电子机参数依赖性很强，准确性不高。为此，需要根据其缺点制定改进方法，一般是采用被改进过的电动机磁链的技术进行观测，对参数信息进行识别与数据信息的校正；②模型参考自适应控制方法。此方法是在模型的基础上，创建两个不同的参考模型，将物理的输出量通过模型传递出来，达到自适应率。在两个不同的模型中，一个是可调模型，此模型可以适时对参数信息进行调整，达到控制的目的；③状态观测器的控制方法。状态观测器属于参考自适应控制的一种形式，是将电机作为参考的模型来实现容错控制的方法。此方法最大的优点是能更好地保证参考模型的精准度。全阶段采用状态观测器来识别旋转的速度。状态观测方法在设计的时候有一个最为关键的内容，就是反馈矩阵设计，通过此设计的应用，能够在一定程度上提供转速的准确性；④滑膜观测器的方法。从滑膜观测器的组织结构来看，其与模型参考自适应控制结构还是非常相似的，两者之间最大的区别就是控制器。模型参考自适应控制结构采用的是PI 控制器，而滑膜观测器采用的是滑膜控制器。滑膜观测器观测方法的优点是简单，操作起来比较容易，对相应参数的准确性要求不是很高，正是因为这些优点，它比较适合对电动机系统的研究。滑膜观测器的缺点是在使用过程中会出现很大强度的振抖现象，这种情况无论采用何种方式，彻底消除还有一定困难，但是却可以抑制。通过对滑膜观测器和无速度传感器的对比和分析可以发现，两种操作和控制方法都是比较容易的，只不过滑膜观测器会更有优势一些，除了动态反应很快以外，对电机参数的鲁棒性效果也很好[3]。

4 结束语

总而言之，目前变频器的可靠性和安全性越来越受到重视，所以也间接的推动了它的快速发展。也正是因为变频器容易发生故障，让变频器的故障诊断和容错控制技术越来越完美和高效。通过对变频器成本和适应性方面分析可以发现，故障的诊断和容错控制已经开始从硬件控制、信号控制等方面向模型和知识方向发展。因此，想要更好地控制和诊断变频器的故障，还需要将诊断和容错结合在一起，并使其向电机系统、伺服系统等行业发展，这是变频器故障诊断及容错控制方法未来的发展方向。