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(jiàn)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(lái)，變頻器被廣泛用于工業(yè)傳動(dòng)領(lǐng)域。但是，在使用過(guò)程中，變頻器會(huì)因?yàn)榫芷骷匣?、異常工況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?。變頻功率傳感器對(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(guò)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?，F(xiàn)階段，變頻器更多地應(yīng)用于汽車(chē)、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(guò)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(lái)，并在此基礎(chǔ)上，采用適當(dāng)?shù)娜蒎e(cuò)控制策略來(lái)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(wèn)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(jiàn)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(guò)程中所使用的是硬件電路，通過(guò)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(guò)高，沒(méi)有一個(gè)相對(duì)完整的電路，無(wú)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(kāi)路輸出型，而NPN集電極開(kāi)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(guò)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(méi)有傳感器進(jìn)行容錯(cuò)控制。單位進(jìn)行軟件診斷的過(guò)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(kāi)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(méi)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(guò)計(jì)算開(kāi)關(guān)管的狀態(tài)和母線電壓來(lái)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(lái)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(méi)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(méi)有發(fā)揮正常效應(yīng)時(shí)，必須通過(guò)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(méi)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(guò)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(guò)程中就能排除電壓模型法帶來(lái)的錯(cuò)誤，保證系統(tǒng)維持穩(wěn)定狀態(tài)運(yùn)行。

4 結(jié)語(yǔ)

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(guó)，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.