变频器的集成故障诊断与容错控制

摘要

变频器是目前最为理想的交流传动设备,已被广泛应用于各个领域。然而,与其他机械或电子设备一样,在元器件老化、操作不当、环境干扰或人为破坏等情况下,变频器也会出现各种故障,严重的情况下会造成重大事故,带来无法弥补的经济或社会损失。针对这些问题,如果我们提前采用一些有效的故障诊断与容错控制措施,就可以准确、快速地诊断出变频器的故障,使设备不会突然停机,将损失降到最低。变频器的故障有很多种,其中传感器和直流母线铝电解电容的故障最为常见。为此,本文选取变频调速系统中的电流传感器、速度传感器和直流母线铝电解电容作为研究对象,提出了一些变频器的集成故障诊断与容错控制方案。
　　首先,针对变频器中的传感器故障,设计了一种基于李雅普诺夫稳定性理论的自适应观测器。在此基础上,提出了一种基于三个相互并联的自适应观测器的电流传感器与速度传感器集成故障诊断方案。利用该方案可以在同一系统中同时诊断出两种传感器的故障,而且一种传感器的故障不会影响另一种传感器的故障诊断,系统具有很好的容错控制性能,不会出现误诊断现象。最后,在Matlab/Simulink环境下对该方案进行了仿真验证。
　　其次,针对直流母线铝电解电容的故障,分析了其物理结构、等效电路模型和失效机理,在此基础上提出了一个电解电容失效判别标准。为了建立电容的剩余寿命模型,对变频器的主电路结构进行了简化,提出了一套基于递推最小二乘法的电解电容参数辨识方法,并进行了仿真验证。对直流母线电容的剩余寿命预测方法进行了研究,提出了一种电容故障预诊断方案。
　　最后,搭建了基于dSPACE的1.1kW双电机对拖加载实验平台,对传感器集成故障诊断与容错控制方案进行了实验验证。针对系统在电机空载、满载、启动、稳态等运行过程中有可能出现的传感器故障做了多组对比实验,全方面地分析了系统的故障诊断与容错控制性能。

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英文摘要

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第1章 绪 论

1.1 课题的研究背景及意义

1.2 课题的国内外研究现状

1.3 论文主要研究内容

第2章 感应电机矢量控制理论

2.1坐标变换原理

2.2 感应电机的数学模型

2.3 基于转子磁场定向的感应电机直接矢量控制系统

2.4 本章小结

第3章 电流和速度传感器的集成故障诊断与容错控制

3.1 自适应观测器的设计

3.2 电流传感器的故障诊断与容错控制单元

3.3速度传感器的故障诊断与容错控制单元

3.4 仿真结果与分析

3.5 本章小结

第4章铝电解电容的故障诊断与剩余寿命预测

4.1 铝电解电容的老化机理及失效判别标准

4.2 直流母线电容的参数辨识

4.3 铝电解电容的剩余寿命预测模型

4.4 仿真实验

4.5 本章小结

第5章 实验平台的搭建与实验结果分析

5.1基于dSPACE的实验平台设计

5.2 实验结果及分析

5.3 本章小结

结 论

参考文献

攻读硕士学位期间发表的论文

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