王作家
国家管网集团东部原油储运有限公司邹城输油处，山东 邹城 273500
摘要：近年来,由于电力电子技术的快速发展和持续改进,功率半导体技术、微处理器技术和电机控制理论,交流电动机控制技术变得越来越成熟,越来越多的广泛应用,交流电动机的主要控制方式频率调速技术也取得了前所未有的进展。
关键词：高压变频器；故障诊断；容错控制；
变频器在工业调速和电力传输控制中得到越来越广泛的应用。为了提高变频器的可靠性和可维护性，可以快速、准确地诊断故障类型。为维修人员和用户提供有效的故障信息，可以大大缩短产品的维修时间，减少变频器在工业生产中因故障停机而造成的巨大经济损失。因此，研究变频器的故障诊断和容错控制运行方法是改进变频器的一项重要内容。
一、高压逆变器的特殊要求
1.高压变频器可自动互换。当高压变频器的保护动作或发生严重故障,和不能停止高压电动机由于维护高压变频器、高压逆变器可以自动从变频运行状态切换到工频运行状态,在不影响发电机组的正常运行;当高压电机处于工频工作状态时，若要重新装上变频，则高压变频器可自动从工频工作状态切换到变频工作状态。
2.高压变流器功率单元的旁路。当高压变流器某一功率单元发生故障且允许旁路时，高压变流器可以在最短的时间内实现故障功率单元的旁路，并保持输出电压波形不变。
3.瞬间断电后，高压变流器重新启动。当高压母线电压凹陷(在同一总线在同一时间开始,许多套高压辅助电动机电网电压波动造成的高压母线电压降低,等等),高压变频器停止输出,当电源电压恢复(断电时间一般3至10秒),高压变频器驱动电动机起动的电动机速度跑回原来的状态。
4.高压逆变器控制电源的冗余配置。为了保证高压变频器安全可靠地运行，控制电源应具有冗余。一方面，高压逆变器可以配备独立的UPS装置。当高压逆变器停电时，UPS装置可向控制系统供电。另一方面，高压逆变器可以配备双通道控制电源(通常一交一直流)的开关功能，当一个控制电路的电源没有电时，高压变换器可以切换到另一个控制电路，不受干扰地向控制系统供电。
5.高压逆变器远程监控。高压变频器应该自己的开关(通常是一个金属触点,如开关状态、变频器操作信号、故障信号,等等),模拟(通常4 ~ 20 ma,如给定频率,频率和变频运行电流,运行工频电流,等)发送到远程DCS系统,与此同时,DCS系统控制命令发送到高压变频器、高压逆变器为了方便监视的距离,调整、运行及故障分析等。
二、电流传感器的容错控制
1.基于状态观测器的容错控制方法。基于观测器的电流传感器容错控制方法是通过合理设计观测器观察相对准确的相电流，用状态观测器观察到的电流信息代替原始传感器信号，在故障发生后实现闭环控制。变频器中一般有两相电流传感器，因此容错控制应考虑采用单相电流传感器的情况。
2．一种基于坐标变换的容错控制方法。坐标变换方法是利用坐标变换构造失相电流信息。将实测相电流定义为n轴方向，通过park逆变换得到b轴电流。该方法的动态性能并不理想，因为转换需要给定的DQ轴电流信息，并且给定的Q轴电流是通过速度闭环得到的。为实现容错控制，提出了坐标变换方法。仅通过坐标变换得到b轴电流，并与计算得到的电流进行比较，完成故障诊断。在故障诊断后，用实际计算的电流代替故障相电流完成闭环控制，该方法具有很高的可行性。
3.直流母线电流采样方法。该方法利用母线上的采样电阻串联得到直流母线电流，然后利用逆变器的开关状态重构三相电流。
当变换器采用非零矢量时，直流母线电流会反映出某相电流的信息。由于空间矢量PWM方法是在一个采样周期内合成两个相邻的非零电压矢量来得到目标电压矢量，因此，通过对开关周期直流母线电流的采样，可以得到两相电流信息。但是，由于采样时间的原因，调制方法存在一定的测量盲区。如何消除测量盲区，并尽可能保持SVPWM的原始状态，是调制方法的难点。这种电流传感器的容错控制方法要求在直流母线上安装电流传感器，这会增加逆变器的成本。同时，采用直流母线电流采样方法得到的重构电流往往含有较大的噪声。因此，这种方法通常用于低功率应用。
四、速度传感器容错控制
1.直接计算。直接计算方法是用旋转微分角速度减去同步角速度得到转子角速度。角频率的计算随磁场方向的不同而变化。该方法的优点是计算直观，速度估计几乎无延迟。但是磁链观测的精度直接影响转速估计的精度，且对电机参数的依赖性较大，抗干扰能力较差。针对这些不足，各国学者提出了相应的改进方法，主要采用改进后的电机磁链观测技术、电机参数在线辨识、非线性补偿和误差量校正补偿等方法。
2.模型参考自适应方法。模型参考自适应方法(mra)是主要的想法不包含未知参数方程作为参考模型,将包含作为可调模型估计参数的方程,物理意义相同的两个模型的输出,使用两个模型输出误差自适应法是合适的,调整待定参数可调模型、可调模型以达到的输出跟踪参考模型输出的目的。根据模型输出的不同，MRAS可分为基于转子磁链的MRAS、基于反电势的MRAS和基于无功功率的MRAS。传统MRAS方法由于电机参数变化、纯积分器和直流温度漂移等原因，在低速情况下估计效果不理想。针对这一缺点，提出了一种改进的MRAS方法。该方法中增加了一个电磁转矩误差控制环，以保证电机低速运行以及负载突变等原因引起转速变化时，电磁转矩误差和估计磁链误差接近于零。这样，速度就趋近于实际速度。采用无功功率作为可调模型，避免了定子电阻的影响，提高了观测器的低速观测性能。
3.状态观察器方法。状态观测器是模型参考自适应的一种特殊形式。观测器方法以电机自身作为参考模型，状态观测器作为可调模型。该方法的优点是避免了纯积分的问题，保证了参考模型的准确性，降低了对电机参数的敏感性。提出了一种基于全阶状态观测器的容错控制方法。该方法利用全阶状态观测器对速度进行辨识，并利用反馈矩阵提高速度估计的精度。该方法还采用了数据融合的思想，使速度传感器在正常工作时，状态观测与闭环控制相连接，只占很小的一部分。当故障发生时，用估计转速代替实际转速，可以保证故障诊断后快速闭环、正常运行。在设计状态观测器方法的过程中，最重要的是反馈矩阵的设计。对自适应全阶观测器反馈矩阵的设计方法进行了详细的分析和总结。在此基础上，提出了一种新的反馈矩阵设计思想。
4.滑模观测器方法。从复合结构上看，滑模控制结构与模型参考自适应控制结构也非常相似。不同的是，模型参考自适应方法的自适应速率一般是PI控制器，而滑模控制器的自适应速率是滑模控制器。滑模观测器的主要优点是鲁棒性强、结构简单、系统参数精度低，非常适合于电机系统的研究。详细比较了模型参考自适应方法和滑模观测器方法，发现两种方法都是简单可行的，但滑模观测器方法具有更快的动态响应速度和对电机参数的鲁棒性。提出了一种新型滑模控制器——固定边界层滑模控制器(FBLSM)。该观测器可以在不考虑电压信息的情况下观测转速，也可以在不考虑转矩信息的情况下准确观测转子转速和磁链。滑模观测器中固有的离散开关控制不可避免地会产生抖振。尽管颤振不能完全消除，但可以采用一定的方法来抑制颤振。
总之，随着业界对变频器可靠性和安全性的日益重视和控制理论的快速发展，变频器的故障诊断和容错控制技术逐渐成熟。在成本和适应性方面，故障诊断和容错控制技术已经从基于硬件和信号的诊断发展到基于模型和基于知识的诊断。基于冗余的容错发展为基于控制策略和算法的容错。故障诊断和容错控制往往是融合在一起、不可分割的方法，它将被扩展到永磁同步电机系统、伺服系统、风电等领域。
参考文献：
[1]王艳，变频器故障诊断技术研究与分析．2019.
[2]刘玉华，浅谈变频器故障诊断及容错控制研究综述.2019.