觀測器方法在三相逆變器故障診斷中的應(yīng)用介紹

1引言

近年來，隨著控制理論的不斷完善，控制系統(tǒng)的故障診斷方面的研究越來越引起了人們的重視[1][2]，并且相繼取得了很多研究成果[3][4][7]。然而，正如文獻(xiàn)1中所提到，動態(tài)系統(tǒng)的故障診斷技術(shù)，目前取得的成果主要集中在線性系統(tǒng)上，而針對非線性系統(tǒng)的研究則鮮見于文獻(xiàn)。更為重要的是，由于理論研究中對模型所做的假設(shè)在實(shí)際應(yīng)用中經(jīng)常得不到滿足，因此給故障診斷技術(shù)的實(shí)際應(yīng)用帶來了巨大的困難。文獻(xiàn)7從理論上對這種應(yīng)用難度進(jìn)行了探討和歸納，對基于模型（尤其是通過觀測器來進(jìn)行）的故障診斷方法的設(shè)計(jì)方向和性能評價提供了有意義的指導(dǎo)。由于應(yīng)用上的難度和電力電子本身存在的非線性等因素，電力電子作為現(xiàn)代控制中的重要技術(shù)手段，對其進(jìn)行故障診斷方面的研究卻遲遲沒有進(jìn)行。本文從理論和實(shí)際應(yīng)用的角度出發(fā)，先對電力電子系統(tǒng)的故障進(jìn)行了分析，然后針對具體的某一類故障，設(shè)計(jì)出一種基于模型的故障診斷方法。仿真結(jié)果表明，文中提出的方法是行之有效的。

2電力電子系統(tǒng)的故障分析

電力電子系統(tǒng)中故障的來源是多方面的，下面以一個常用的電壓反饋型逆變器控制系統(tǒng)為例來分析主要故障。

圖1電力電子控制系統(tǒng)的常見故障

圖2三相逆變器

圖1中列出了這個電力電子控制系統(tǒng)中通常可能出現(xiàn)的8種故障Fi(i=1，2，…，8），其中除F5故障用開關(guān)斷開表示外，其它故障用開關(guān)閉合來表示。這些故障是：

SF1輸入電壓單相接地故障；

SF2整流二極管短路故障；

SF3直流接地故障；

SF4直流濾波電容短路故障；

SF5GTR基極開路故障（無驅(qū)動信號）；

SF6GTR短路故障；

SF7電動機(jī)線間短路故障；

SF8電動機(jī)單相接地故障。

上面列出的故障沒有考慮電機(jī)內(nèi)部的故障。事實(shí)上，在電力電子裝置的實(shí)際設(shè)計(jì)中會加上許多保護(hù)電路，如短路保護(hù)，過電流/電壓保護(hù)等。然而，從容錯控制和保護(hù)器件的角度出發(fā)，系統(tǒng)對這些故障進(jìn)行檢測和分離是十分有意義的研究工作。文獻(xiàn)6中對其中最為重要的四種故障（F1、F2、F5、F6）在電路理論上進(jìn)行了分析，但其分析只是概述性的，還有更多具體的工作需要進(jìn)一步的研究。例如，如果GTR出現(xiàn)單臂基極開路故障，系統(tǒng)是能夠繼續(xù)降性能運(yùn)行的，此時由于相電壓中產(chǎn)生很大的直流分量，在電機(jī)上將產(chǎn)生直流脈動轉(zhuǎn)矩，對系統(tǒng)是有害的，因此要及時分離出故障臂，排除故障。

3三相逆變器的故障診斷

31三相逆變器的Kalman模型

三相逆變器在正常工作時，其電路結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖中Qi(i=1，2，3，4，5，6）是開關(guān)器件，電阻R為負(fù)載，電感L、電容C組成濾波電路（這樣的負(fù)載在UPS中很常用），Us為直流側(cè)的供電電源，在圖1中為濾波電容兩端電壓Ud。

取電路中uc1，uc2，uc3，iL1，iL2，iL3作為狀態(tài)量，U1，U2，U3作為控制量，iL1，iL2，iL3作為輸出量，則系統(tǒng)可采用下面的Kalman模型進(jìn)行描述：

x=Ax＋Bu

y=Cx

式中：x∈R6，u∈R3，y∈R3，

A=∈R6×6,

B=∈R6×3，

C=∈R3×6，I3∈R3×3