基于观测器的方法在三相逆变器故障诊断中的应用

1引言

近年来，随着控制理论的不断完善，控制系统的故障诊断方面的研究越来越引起了人们的重视[1][2]，并且相继取得了很多研究成果[3][4][7]。然而，正如文献1中所提到，动态系统的故障诊断技术，目前取得的成果主要集中在线性系统上，而针对非线性系统的研究则鲜见于文献。更为重要的是，由于理论研究中对模型所做的假设在实际应用中经常得不到满足，因此给故障诊断技术的实际应用带来了巨大的困难。文献7从理论上对这种应用难度进行了探讨和归纳，对基于模型（尤其是通过观测器来进行）的故障诊断方法的设计方向和性能评价提供了有意义的指导。由于应用上的难度和电力电子本身存在的非线性等因素，电力电子作为现代控制中的重要技术手段，对其进行故障诊断方面的研究却迟迟没有进行。本文从理论和实际应用的角度出发，先对电力电子系统的故障进行了分析，然后针对具体的某一类故障，设计出一种基于模型的故障诊断方法。仿真结果表明，文中提出的方法是行之有效的。

2电力电子系统的故障分析

电力电子系统中故障的来源是多方面的，下面以一个常用的电压反馈型逆变器控制系统为例来分析主要故障。

图1电力电子控制系统的常见故障

图2三相逆变器

图1中列出了这个电力电子控制系统中通常可能出现的8种故障Fi(i=1，2，…，8），其中除F5故障用开关断开表示外，其它故障用开关闭合来表示。这些故障是：

SF1输入电压单相接地故障；

SF2整流二极管短路故障；

SF3直流接地故障；

SF4直流滤波电容短路故障；

SF5GTR基极开路故障（无驱动信号）；

SF6GTR短路故障；

SF7电动机线间短路故障；

SF8电动机单相接地故障。

上面列出的故障没有考虑电机内部的故障。事实上，在电力电子装置的实际设计中会加上许多保护电路，如短路保护，过电流/电压保护等。然而，从容错控制和保护器件的角度出发，系统对这些故障进行检测和分离是十分有意义的研究工作。文献6中对其中最为重要的四种故障（F1、F2、F5、F6）在电路理论上进行了分析，但其分析只是概述性的，还有更多具体的工作需要进一步的研究。例如，如果GTR出现单臂基极开路故障，系统是能够继续降性能运行的，此时由于相电压中产生很大的直流分量，在电机上将产生直流脉动转矩，对系统是有害的，因此要及时分离出故障臂，排除故障。

3三相逆变器的故障诊断

31三相逆变器的Kalman模型

三相逆变器在正常工作时，其电路结构如图2所示。

图中Qi(i=1，2，3，4，5，6）是开关器件，电阻R为负载，电感L、电容C组成滤波电路（这样的负载在UPS中很常用），Us为直流侧的供电电源，在图1中为滤波电容两端电压Ud。

取电路中uc1，uc2，uc3，iL1，iL2，iL3作为状态量，U1，U2，U3作为控制量，iL1，iL2，iL3作为输出量，则系统可采用下面的Kalman模型进行描述：

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