觀測器方法在三相逆變器故障診斷中的應用介紹

1引言

近年來，隨著控制理論的不斷完善，控制系統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1中所提到，動態系統的故障診斷技術，目前取得的成果主要集中在線性系統上，而針對非線性系統的研究則鮮見于文獻。更為重要的是，由于理論研究中對模型所做的假設在實際應用中經常得不到滿足，因此給故障診斷技術的實際應用帶來了巨大的困難。文獻7從理論上對這種應用難度進行了探討和歸納，對基于模型（尤其是通過觀測器來進行）的故障診斷方法的設計方向和性能評價提供了有意義的指導。由于應用上的難度和電力電子本身存在的非線性等因素，電力電子作為現代控制中的重要技術手段，對其進行故障診斷方面的研究卻遲遲沒有進行。本文從理論和實際應用的角度出發，先對電力電子系統的故障進行了分析，然后針對具體的某一類故障，設計出一種基于模型的故障診斷方法。仿真結果表明，文中提出的方法是行之有效的。

2電力電子系統的故障分析

電力電子系統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為例來分析主要故障。

圖1電力電子控制系統的常見故障

圖2三相逆變器

圖1中列出了這個電力電子控制系統中通常可能出現的8種故障Fi(i=1，2，…，8），其中除F5故障用開關斷開表示外，其它故障用開關閉合來表示。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（無驅動信號）；

SF6GTR短路故障；

SF7電動機線間短路故障；

SF8電動機單相接地故障。

上面列出的故障沒有考慮電機內部的故障。事實上，在電力電子裝置的實際設計中會加上許多保護電路，如短路保護，過電流/電壓保護等。然而，從容錯控制和保護器件的角度出發，系統對這些故障進行檢測和分離是十分有意義的研究工作。文獻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一步的研究。例如，如果GTR出現單臂基極開路故障，系統是能夠繼續降性能運行的，此時由于相電壓中產生很大的直流分量，在電機上將產生直流脈動轉矩，對系統是有害的，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，其電路結構如圖2所示。

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

取電路中uc1，uc2，uc3，iL1，iL2，iL3作為狀態量，U1，U2，U3作為控制量，iL1，iL2，iL3作為輸出量，則系統可采用下面的Kalman模型進行描述：

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