變頻器作為目前相對較好的交流傳動設備，在各個領域得到了廣泛的應用。比如在石油鉆機設備上，隨著鉆進深度的增加，難度就越大，可能會出現諸多故障，這勢必需要采用高性能交流變頻器調速傳動，最大程度避免了設備突然停機，將損失降到最低。但是由于一些因素的干擾，使得變頻器出現了故障，故障診斷和容錯控制技術能及時、準確的檢測并定位故障，提升設備運行的安全性和穩(wěn)定性。
變頻器因控制性能優(yōu)越、體積小、功效高、節(jié)能好、成本低等優(yōu)勢，逐漸被公認為目前最理想的交流電機調速控制設備，目前在汽車、化工、機械、礦井、金屬冶煉等行業(yè)應用得十分廣泛。但是仍然存在諸多故障，為及時、準確的分析并檢測出變頻器系統(tǒng)故障，避免因故障突然停機帶來的安全隱患和經濟損失，本文就變頻器集成故障診斷與容錯控制技術進行了分析，該技術能在系統(tǒng)不停機的情況下使系統(tǒng)以較好的性能維持運行，延長其運行時間，實現各個領域經濟效益和社會效益最大化，促進變頻器系統(tǒng)運行安全性和穩(wěn)定性的提升。
1 變頻器速度傳感器集成故障診斷與容錯控制
1.1 速度傳感器故障診斷方法 石油鉆機作為油田生產重要的設備之一，隨著井深增加，鉆桿逐漸增長，對鉆機電氣傳動系統(tǒng)的性能要求越來越高，這勢必需要變頻器相關技術對其正常運行提供保障。由于變頻器受到地質、高溫、粉塵、電網質量等影響，出現了諸多故障，為確保變頻器速度傳感器故障發(fā)生后能及時在線診斷并定位，在不停機的條件下將傳感器 VC 模式動態(tài)的過渡到 SLVC 模式，那么變頻器首先需要診斷出 SSF，然后制定出相關的容錯控制措施，實現設備安全可靠地運行。
1.1.1 硬件診斷法 速度傳感器故障診斷方法主要劃分為軟件法和硬件法兩種。硬件法又包括直接硬件檢測法和脈沖分析故障診斷法。硬件法檢測速度較快，但由于其系統(tǒng)成本過高，沒有一個相對完整的電路，無法診斷出各種輸出類型速度傳感器所有的故障。例如采用直接硬件檢測速度傳感器故障法，最終只能檢測出電壓輸出類型的速度傳感器。由于設備無故障情況下，接口端子處的電壓降低，難以擊穿穩(wěn)壓管，造成后級三極管難以導通，此刻檢測電路輸出為高電平，這就說明該速度傳感器沒有發(fā)生故障。往往硬件檢測法只能對接口電路是電壓輸出類型的傳感器故障進行檢測，不適用于目前市場上存在的 PNP 集電極開路輸出型、NPN 集電極開路輸出型以及驅動線性輸出型傳感器的斷線故障的檢測，主要原因是檢測電路的上拉電阻功能失效。另外，硬件診斷法還有一種是通過脈沖信號檢測速度傳感器故障。如圖 1 所示，A、B 是兩路正交編碼脈沖，將兩者做邏輯異或運算后可得到頻率是 A 和B 的兩倍信號，將得出的信號作為時鐘信號 Clock，并利用邏輯規(guī)則檢測出故障，主要是因為故障發(fā)生后編碼脈沖會丟失。
圖 1 速度傳感器的輸出脈沖
1.1.2 軟件診斷法 軟件診斷法是基于神經網絡、基于小波變換以及基于狀態(tài)觀測器的診斷方法。前兩種方法計算量較大，變換復雜，不適應于實際診斷中。因此本文主要采用狀態(tài)觀測器進行速度傳感器故障診斷，并利用狀態(tài)觀測器進行轉速的估計，進而將發(fā)生故障后傳感器的控制模式切換至不帶速度傳感器的控制模式，實現容錯控制。
1.1.3 基于狀態(tài)觀測器速度傳感器故障診斷 為確保狀態(tài)觀測器更好的對速度傳感器故障進行診斷，應該基于感應電機狀態(tài)觀測器模型。如果速度傳感器故障發(fā)生，那么感應電機模式將不匹配觀測器模型，估算電機電流與實際電流不等，增大殘差信號 E，那么故障的判定就可以以殘差信號 E 與某一閾值相比結果作為依據。為使變頻器在速度傳感器故障后實現系統(tǒng)不停機條件下進行容錯控制，則需要及時診斷出 SSF 故障后將系統(tǒng)從 VC 模式切換到SLVC 模式，實現系統(tǒng)在不同場合的應用。
1.2 感應電機 SLVC 實現 感應電機 SLVC 主要是省去 VC 方法，借助數學模型估算感應電機轉子轉速，其穩(wěn)態(tài)性能雖然比 VC 法低，對電機參數準確度具有較高依賴程度，但其仍然具有較好的使用性能，在諸多場合得到了廣泛應用。實現感應電機 SLVC 方法很多，如模型參考自適應法、卡爾曼濾波器法、轉子轉速估計法以及一些非線性控制方法等。
1.3 感應電機速度傳感器故障容錯控制 在狀態(tài)觀測器完成了感應電機速度傳感器故障診斷以及實現電機SLVC 基礎上，由于受到變頻器控制器執(zhí)行能力限制，觀測器故障診斷方法和速度估計模型計算量較大，對變頻器控制芯片 DSP 來講，是一個較大的負荷。同時還要滿足不停機情況下進行容錯控制，應在控制器中將 SLVC 算法和速度傳感器故障診斷模塊同時運行，以確保系統(tǒng)發(fā)生故障后能及時切換控制模式。因此可以采用兩個觀測器，降低系統(tǒng)的復雜度，提高在線監(jiān)測的實時性；同時速度評估算法結合傳感器故障診斷，降低系統(tǒng)計算量，快速準確的診斷出故障，實現容錯控制，滿足故障后控制模式的動態(tài)平滑切換。對于慣性較大的電機來講，該設計方法完全可以滿足要求，且不受速度傳感器故障接口及類型的影響。
綜上所述，為科學有效實現變頻器速度傳感器故障診斷及故障后容錯控制，基于感應電機狀態(tài)觀測器模型，設計出一種全新的變頻器速度傳感器診斷方法，并結合感應電機 SLVC 系統(tǒng)，實現變頻器集成故障診斷及容錯控制，診斷時間十分迅速，大大降低了系統(tǒng)計算量并減少資源占用，延長了變頻器使用壽命，提高系統(tǒng)可靠性及滿足其在特殊場合的使用條件，確保其發(fā)揮出最大化經濟效益和社會效益。
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