变频器故障诊断及容错控制分析

摘 要：随着变频器在工业领域的广泛应用，变频器的安全性和可靠性已经成为评价变频器品质的重要因素。从变频器的开关管"电流传感器和速度传感器3个方面综述了变频器的故障诊断及容错控制方法，并对高故障容限变频器的发展趋势做出了展望。

关键词：变频器；故障诊断；容错控制

引言

近年来，由于电力电子技术“功率半导体技术”微处理器技术及电机控制理论的快速发展和不断完善，交流电动机控制技术日趋成熟，应用越来越广泛，而作为交流电动机主要控制方式的变频调速技术也取得了前所未有的进步。

变频调速系统由变频器和电动机组成，变频器易在复杂的自然环境（结露"腐蚀"粉尘"高低温等）和电磁环境（EMI、过电压、过电流等）下发生故障。故障诊断技术起源于20世纪中期，是指对正在运行的机械或电子设备进行状态监测，及时发现设备异常状态，分析故障发生的原因，并对设备未来的状态进行预测的各种技术的总称。

一、开关管的故障诊断及容错控制

（1）开关管的故障诊断

在变频器：电动机构成的控制系统中，变频器部分发生故障的几率远高于电动机。而在变频器中，逆变桥IGBT的开路和短路故障又占了相当大的比重。据统计，38%的变频器故障是由变频器的功率开关器件引起，所以变频器逆变桥，IGBT故障的诊断方法是高故障容限变频器研究的热点问题。

1.1.1专家系统法

基于经验积累，将可能发生的故障一一列出，归纳出规律并建立知识库，当发生故障时只需观测故障现象，查询知识库即可判断故障类型，难点在于难以穷尽所有的故障现象并得到完备的故障知识库，而有些故障模态往往与变频器正常运行时的某种状态非常相似，造成了难以准确匹配故障。

1.1.2电压检测法

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。只需要1/4基波周期便能检测出故障，大大缩短了诊断时间，但这种方法需要增加电压传感器，通用性差。

1.1.3智能算法

人工神经网络、小波分析、模糊控制等方法也应用于开关管的开路故障诊断中，取得了较好的效果。将小波分解与模糊算法相结合，首先应用小波分析得到电流的变化信息，据此得到电流的直流分量，然后将直流分量的极性与数值输入模糊算法中，判别开路故障的发生。将三相电流信息用于故障的诊断和分类，首先应用小波变换得到故障特征信息，这些信息体现在小波分解的系数之中，然后应用BP人工神经网络来识别开关管处于故障或健康状态，通过仿真验证，故障判别错误率小于5%。

（2）开关管开路故障的容错控制

开关管开路故障后，该开关管处于断开状态，在正确的故障诊断及定位后，一般可以采用冗余和容错两种方法继续运行。

1.2.1基于冗余的开关管故障容错控制

开关管的冗余多应用于高可靠性的驱动系统中，在某个开关管故障后，将冗余的开关管投入使用。以一个开关管的成本为单位，对冗余系统的成本进行了折算，并以冗余系统的成本和故障后所输出的功率为依据，定义了冗余系统的价值因数FM。

1.2.2基于调制策略的开关管故障容错控制

当变频器发生，IGBT开路故障时，封锁故障管及同桥臂开关管的控制信号，将故障桥臂隔离，然后通过继电器将直流母线电容中点与相应电动机相相连，相当于用直流母线电容作为虚拟桥臂，形成三相四开关的逆变器结构形式。

二、电流传感器故障诊断与容错控制

（1）电流传感器故障诊断

矢量控制系统中，需要电流信息和速度信息来完成双闭环控制。由于电流冲击"误操作等问题容易导致电流传感器故障而使系统崩溃，所以电流传感器故障诊断和容错控制受到了广大学者的关注。近几十年来，国内外专家学者就传感器故障诊断提出了许多方法，主要可以分成两大类：硬件冗余方法与解析冗余方法。硬件冗余法使用多个完全相同的组件并采用相同的输入信号，利用这些组件的输出进行对比，通过一些特定方法（限制检验、多数表决等）完成诊断决策。这种方法显然增加了设计成本。相比较而言，随着现代控制理论逐渐成熟，解析冗余方法已经成为了故障诊断研究的主流。解析冗余方法又可以分为基于模型"信号"知识几个方面。

（2）电流传感器容错控制

变频器电流传感器的容错控制有两种方法。一种方法是当检测到电流传感器故障后，系统切换到另一种控制模式，一般是从依赖于传感器的闭环矢量控制切换到不依赖于传感器的开环控制。另一种方法是用观测器重构出电流信号代替电流传感器信号，从而使闭环矢量控制继续进行。

三、结论

随着工业界对变频器的可靠性和安全性的重视程度不断提高以及控制理论突飞猛进的发展，变频器的故障诊断和容错控制技术也逐渐成熟。从成本和适应性方面考虑，故障诊断和容错控制技术已经从基于硬件"信号的诊断发展为基于模型"知识的诊断；从基于冗余的容错发展为基于控制策略、算法的容错。故障诊断和容错控制往往在方法上融为一体，密不可分，其方法必将推广到永磁同步电动机系统"伺服系统和风电等领域。传感器及处理电路的软故障诊断及预测（如增益变化"间歇断线等）必将是未来的发展方向。