analiza symptomów uszkodzeń łączników tranzystorowych

P O Z N A N UN I VE RS I T Y O F T E C HN O L O G Y ACA D E MI C J O URN A L S
No 75
Electrical Engineering
2013
Piotr SOBAŃSKI*
Teresa ORŁOWSKA-KOWALSKA*
ANALIZA SYMPTOMÓW USZKODZEŃ ŁĄCZNIKÓW
TRANZYSTOROWYCH FALOWNIKA NAPIĘCIA
W NAPĘDZIE INDUKCYJNYM
W artykule zaprezentowano wybrane wyniki badań symulacyjnych dotyczących
uszkodzeń polegających na braku przewodzenia prądu łączników IGBT falowników
napięcia stosowanych w układach napędowych z silnikiem indukcyjnym. Zwrócono
szczególną uwagę na trudności występujące podczas analizy symptomów awarii złożonych
układów napędowych o sterowaniu wektorowym. W pracy wskazano sposób postępowania
pozwalający na wybór użytecznych sygnałów diagnostycznych oraz ocenę wpływu
przyjętej strategii sterowania na proces ekstrakcji symptomów uszkodzeń.
1. WSTĘP
Awarie półprzewodnikowych łączników układów falownikowych stosowanych
w napędach indukcyjnych o regulowanej prędkości kątowej stanowią istotny
problem ze względu na nagły oraz postępowy charakter. Uszkodzenie jednego
z tranzystorów falownika napięcia, w krótkim czasie może przyczynić się do
nieprawidłowości pracy innych łączników, prowadząc tym samym do znacznego
obniżenia jakości pracy napędu elektrycznego bądź uniemożliwienia jej dalszego
kontynuowania [1]. Symptomy uszkodzeń w przypadku zamkniętych układów
sterowania zwykle przyjmują niejednoznaczny charakter, co w dużym stopniu
utrudnia proces poprawnej identyfikacji cech sygnałów diagnostycznych
świadczących o wystąpieniu analizowanego typu awarii. Z uwagi na to,
projektowanie systemów monitorujących stan napędów elektrycznych
o zaawansowanej strukturze regulacji często poprzedzone jest badaniami
w otwartych układach sterowania, co pozwalana na wyselekcjonowanie
użytecznych sygnałów diagnostycznych oraz wstępny dobór właściwych metod
ekstrakcji symptomów awarii.
Obrazy hodografów isβ = f (isα ) wektora prądu stojana stanowią bogate źródło
informacji na temat kondycji napędów elektrycznych. W pracach [2]-[4]
zaprezentowano metody diagnostyczne, w których zastosowano techniki ekstrakcji
__________________________________________
* Politechnika Wrocławska.
72
Piotr Sobański, Teresa Orłowska-Kowalska
symptomów uszkodzeń tranzystorów falowników napięcia, oparte na analizie
przebiegu wektora prądu stojana is na płaszczyźnie zespolonej α −β .
W niniejszym artykule dokonano analizy porównawczej obrazów hodografów
wektora prądu stojana podczas uszkodzeń jednego, bądź dwóch łączników
tranzystorowych falownika napięcia pracującego w otwartej strukturze regulacji
skalarnej U/f =const., z wybranymi wynikami badań układu o sterowaniu
wektorowym. Wskazano również na wpływ nastaw regulatora prądu w osi prądu
isy na kształt obrazów wspomnianych hodografów. Zaprezentowane wyniki badań
zostały uzyskane na drodze symulacyjnej, przy wykorzystaniu pakietu
MATLAB/Simulink oraz biblioteki SimPower System.
2. ANALIZOWANA STRUKTURA STEROWANIA
Zaprezentowane w artykule wyniki badań zostały uzyskane za pomocą modeli
symulacyjnych dwóch napędów indukcyjnych różniących się przyjętą metodą
sterowania prędkością silnika. W pierwszej kolejności zastosowano metodę
regulacji skalarnej U/f = const. bez sprzężeń zwrotnych, a następnie technikę
sterowania wektorowego DFOC (ang. Direct Field Oriented Control). Schemat
blokowy układu napędowego dla przykładu DFOC przedstawiono na rysunku 1.
Falownik napięcia sterowany techniką SVPWM (ang. Space Vector Pulse Width
Modulation) zasilany jest napięciem stałym z prostownika PWM ze stabilizacją
napięcia w obwodzie pośredniczącym [5].
Symulacji uszkodzeń dokonano poprzez podanie sygnału logicznego o stałej
wartości 0 na bramki wybranych tranzystorów. Zaproponowany sposób
modelowania awarii odpowiada sytuacji, kiedy dochodzi do nieprawidłowości
pracy układów dopasowujących napięcie sterujące bramek tranzystorów IGBT
(ang. gate pre-drivers), bądź do uszkodzenia samych łączników IGBT. W obu
przypadkach diody zwrotne uszkodzonych modułów tranzystorowych są sprawne
oraz zdolne do przewodzenia prądu elektrycznego.
Parametry badanego silnika podano w tabeli 2.1.
Tabela 2.1. Parametry znamionowe silnika indukcyjnego
Moc PN [kW]
Napięcie zasilające UN [V]
Prąd stojana IN [A]
Prędkość obrotowa nN [obr/min]
Moment obciążenia mo [Nm]
Moment bezwładności J [kgm2]
Częstotliwość napięcia zasilającego fN [Hz]
1,1
220/380
2,9/5
1400
7,5
0,0026
50
Analiza symptomów uszkodzeń łączników tranzystorowych falownika ...
73
α−β
α−β
α−β
Rys. 1. Schemat układu bezpośredniego sterowania polowo zorientowanego
dla napędu indukcyjnego
3. WYNIKI BADAŃ SYMULACYJNYCH
Na kolejnych rysunkach 2-3 pokazano obrazy hodografów wektora prądu
stojana is podczas uszkodzeń jednego bądź dwóch łączników tranzystorowych
falownika
napięcia pracującego w otwartej strukturze regulacji skalarnej
U/f =const. Nieprawidłowo funkcjonujące łączniki oznaczono na rysunkach
odpowiednio T1uszk., T2uszk.,...,T5,4uszk. W celu ułatwienia analizy wyników badań,
płaszczyznę α −β podzielono na obszary opisane wartością kąta zakreślanego od
osi α . Badania wykonano dla różnych wartości prędkości obrotowej silnika n
oraz momentu obciążenia mo. Symulacji uszkodzeń dokonywano w trakcie
ustalonej pracy układu napędowego.
Przeprowadzone badania wykazały, że każde z analizowanych uszkodzeń może
zostać zlokalizowane na podstawie charakterystycznego kształtu hodografów
wektora prądu stojana. Na rysunku 4 przedstawiono modelowe obrazy
hodografów isβ = f (isα ) , opracowane na podstawie uzyskanych wyników
symulacyjnych. Obszary płaszczyzny α −β , w których zawarty jest wykres
zależności isβ = f (isα ) zostały opisane za pomocą wartości odpowiednich kątów.
Piotr Sobański, Teresa Orłowska-Kowalska
T1uszk.
90
120
150
180
0
210
0
330
240
150
180
0
210
-5
10
T4uszk.
90
120
0
180
0
210
0
330
240
330
120
30
180
0
210
300
0
i
sα
0
0
210
0
-15
10
0
30
180
0
210
330
240
300
270
-10
0
i
[A]
10
[A]
sα
T4,6uszk.
40
90
60
150
60
150
30
180
120
20
[A]
sβ
0
60
0
0
30
180
0
i
i s [A]
β
0
120
150
90
120
20
30
180
T5,2uszk.
-10
T5,3uszk.
60
150
sα
40
90
0
300
270
i
5
-5
330
240
10
[A]
90
10
30
-10
0
sα
15
60
180
-15
10
120
20
300
i
120
[A]
T1,3uszk.
40
330
[A]
sα
150
5
-10
270
-10
210
270
T3,6uszk.
-5
330
240
-15
0
-10
-10
90
10
60
150
-10
-5
10
15
i s [A]
β
i s [A]
β
i
T1,4uszk.
0
180
240
0
[A]
90
-5
30
300
-10
-10
10
15
5
0
60
150
270
0
10
5
0
240
T2uszk.
90
120
30
210
10
[A]
sα
10
60
6
270
sα
T6uszk.
180
-5
0
i
150
300
i
270
90
5
30
-10
-10
300
-10
-10
10
120
150
-5
330
240
[A]
sα
10
60
i s [A]
β
i s [A]
β
5
0
210
-5
0
i
30
180
300
-10
-10
10
[A]
sα
0
270
0
i
60
4
150
2
330
240
270
-10
-10
5
30
300
T5uszk.
90
120
i s [A]
β
-5
5
30
10
60
i s [A]
β
0
T3uszk.
90
120
i s [A]
β
i s [A]
β
5
10
60
i s [A]
β
10
i s [A]
β
74
210
-20
210
330
240
-20
300
210
330
240
270
-40
-40
-20
0
i
sα
240
300
270
300
270
20
[A]
-20
330
40
-40
-40
-20
0
20
isα [A]
40
-40
-40
-20
0
i
sα
20
40
[A]
Rys. 2. Obrazy hodografów wektora prądu stojana podczas uszkodzeń łączników tranzystorowych
falownika napięcia w układzie napędowym o otwartej strukturze regulacji U/f = const
Analiza symptomów uszkodzeń łączników tranzystorowych falownika ...
T2,6uszk.
40
T1,5uszk.
40
90
20
30
180
0
210
330
240
0
-20
60
150
180
0
210
300
330
240
0
i
20
120
-30
180
0
210
240
300
i s [A]
β
0
-10
-30
T5,6uszk.
150
5
180
0
210
330
240
300
0
sα
20
[A]
10
0
-10
-30
40
300
0
210
300
-30
20
60
30
180
0
210
330
240
300
270
-20
0
i
T1,2uszk.
30
180
0
210
330
240
300
20
[A]
10
0
-10
120
-30
60
150
30
5
180
0
210
330
240
-20
270
0
T5,4uszk.
90
20
60
150
20
[A]
sα
30
90
sα
120
150
[A]
sα
120
i
0
40
T3,4uszk.
-20
270
0
10
-10
330
-20
20
[A]
90
20
30
240
0
sα
30
60
-20
-20
i
180
-20
270
20
120
20
30
i
240
[A]
30
60
-20
0
sα
i
90
120
-20
0
-30
20
30
20
330
270
150
[A]
sα
0
210
-40
-40
T2,3uszk.
-20
270
0
10
-10
330
i
10
i s [A]
β
30
-20
-20
90
20
60
150
-20
-20
30
i s [A]
β
i s [A]
β
0
30
180
300
i
90
20
-10
40
T1,6uszk.
30
10
-40
-40
[A]
sα
0
60
150
270
i s [A]
β
-20
20
30
270
-40
-40
120
i s [A]
β
150
-20
90
120
i s [A]
β
0
60
i s [A]
β
i s [A]
β
20
T4,2uszk.
40
90
120
75
300
270
-20
0
i
sα
20
[A]
Rys. 3. Obrazy hodografów wektora prądu stojana podczas uszkodzeń łączników tranzystorowych
falownika napięcia w układzie napędowym o otwartej strukturze regulacji U/f =const.
76
Piotr Sobański, Teresa Orłowska-Kowalska
Rys. 4. Modelowe obrazy hodografów wektora prądu stojana w trakcie uszkodzeń łączników
tranzystorowych falownika napięcia
Zdolność do kontynuowania pracy napędu zależy od lokalizacji uszkodzenia
oraz od punktu pracy napędu, tzn. prędkości oraz momentu obciążenia. Badania
wykazały, że w przypadku uszkodzenia dwóch tranzystorów należących do tej
samej grupy, tzn. katodowej (T1, T3, T5) bądź anodowej (T4, T6, T2) prawidłowe
funkcjonowanie obciążonego napędu w pełnym zakresie prędkości jest
nieosiągalne, ponieważ silnik utyka, natomiast na biegu jałowym możliwe jest jej
kontynuowanie. Zależność ta jest słabo widoczna na przedstawionych
hodografach. W przypadku pozostałych uszkodzeń średnia wartość prędkości
mierzonej silnika jest stała, różna od zera.
Na rysunku 5 przedstawiono wybrane obrazy hodografów wektora prądu stojana
uzyskane na podstawie badań układu regulacji ze sterowaniem polowo zorientowanym
DFOC. W trakcie symulacji przeanalizowano wpływ nastaw regulatora prądu isy na
wykres zależności isβ = f (isα ) . Zakres oraz warunki przeprowadzonych badań były
analogiczne jak we wcześniej zaprezentowanych wynikach symulacyjnych
dotyczących otwartej struktury regulacji.
Jak wcześniej wspomniano dobór nastaw regulatora prądu isy w znacznym
stopniu wpływa na kształt obrazów hodografów wektora prądu stojana podczas
uszkodzeń tranzystorów falownika. Na rysunkach 6a,c,e pokazano obrazy
hodografów is uzyskane w trakcie badań struktury sterowania z wartością
wzmocnienia kp członu proporcjonalnego regulatora prądu typu PI o 30% wyższą
niż w przypadku analizy, której wyniki pokazano odpowiednio na rysunku 6b, d, f.
Optymalizacja nastaw regulatorów napędów przeprowadzana jest często za
pomocą różnego rodzaju algorytmów minimalizujących funkcję celu (błąd
Analiza symptomów uszkodzeń łączników tranzystorowych falownika ...
77
regulacji). Wymagane jest więc ustalenie wartości Wg funkcji celu przy której
proces optymalizacji zostanie zakończony. Przyjęcie bardzo małej wartości Wg, na
pewnym etapie procesu optymalizacji prowadzi do dalszego zwiększania
wzmocnień regulatorów przy uzyskaniu nieistotnej poprawy regulacji.
W analizowanym przypadku zmniejszenie wartości wzmocnienia członu
proporcjonalnego regulatora prądu isy prowadzi do uzyskania wykresów zależności
isβ = f (isα ) zbliżonych do zaobserwowanych w otwartej strukturze sterowania,
jednocześnie nie powodując zauważalnego obniżenia jakości regulacji.
Należy dodać, że w przeciwieństwie do układu sterowania U/f =const.,
w przebadanych przypadkach napęd sterowany metodą wektorową nie utyka.
a)
c)
T1uszk.
20
e)
T1,4uszk.
20
90
60
180
0
210
-10
330
240
150
0
180
210
-10
sα
0
-10
90
120
-30
30
180
0
210
330
240
300
-20
0
i
sα
20
[A]
0
sα
20
[A]
f)
10
0
-10
-30
30
120
150
0
210
330
300
0
i
sα
20
[A]
30
10
0 180
-10
0
210
-20
270
-20
60
150
30
180
T2,6uszk.
20
60
240
90
120
90
-20
270
300
270
i
T1,4uszk.
20
60
150
-20
240
-20
[A]
30
i sβ [A]
10
330
210
-30
20
d)
T1uszk.
30
i s [A]
β
0
i
b)
20
0
-20
300
-20
-20
20
[A]
sα
0 180
270
0
i
30
10
-10
330
240
270
-20
-20
150
0
300
60
20
30
i sβ [A]
0
10
30
T2,6uszk.
90
120
60
i s [A]
β
150
120
i s [A]
β
i sβ [A]
10
30
90
120
-30
330
240
300
270
-20
0
i
sα
20
[A]
Rys. 5. Obrazy hodografów wektora prądu stojana podczas uszkodzeń tranzystorów:
T1 (a,b), T1 i T4 (c,d) oraz T2 i T6 (e,f)
4. PODSUMOWANIE
Analiza symptomów uszkodzeń tranzystorów falownika napięcia napędu
elektrycznego o złożonej strukturze sterowania, poprzedzona badaniami
w otwartym układzie regulacji, znacznie upraszcza identyfikację cech
charakterystycznych dla uszkodzeń danych łączników przebiegów sygnałów
78
Piotr Sobański, Teresa Orłowska-Kowalska
diagnostycznych. Informacje uzyskane na podstawie testów symulacyjnych
w układzie sterowania U/f = const. mogą zostać wykorzystane przy projektowaniu
systemów monitorujących stan tranzystorów falownika złożonych napędów pod
warunkiem przeprowadzenia odpowiedniej optymalizacji parametrów regulatora prądu isy.
Praca została wykonana z wykorzystaniem Infrastruktury PL-Grid.
LITERATURA
[1]
[2]
[3]
[4]
[5]
Sobański P., Orłowska-Kowalska T., Wpływ uszkodzenia tranzystora IGBT
falownika napięcia na przebiegi zmiennych stanu silnika indukcyjnego ze
sterowaniem wektorowym, Przegląd Elektrotechniczny, vol. 89, nr 2b,162-165, 2013.
Sleszynski W., Nieznanski J., Cichowski A., Real-time fault detection and localization
vector-controlled induction motor
drives, Proc. 11th Eur. Conf. on Pow. Electr. and
Appl., 2-8, 2005.
Zidani F., Diallo D., El Hachemi Benbouzid M., Nait-Said R., A Fuzzy-Based
Approach for the Diagnosis of Fault Modes in a Voltage-Fed PWM Inverter Induction
Motor Drive, IEEE Trans. Ind. Electr. Appl., vol. 55, no.2, 586-593, 2008.
Peuget R., Courtine S., Rognon, J.-P., Fault detection and isolation on a PWM inverter
by knowledge-based model, IEEE Trans. Ind. Appl., vol. 34, no.6, 1318-1326, 1998
Knapczyk M., Pieńkowski K., Polowo zorientowane układy napędowe z silnikiem
indukcyjnym, falownikiem napięcia i przekształtnikiem sieciowym AC/DC
o dwukierunkowym przepływie energii, Prace Naukowe Instytutu Maszyn, Napędów
i Pomiarów Elektrycznych Politechniki Wrocławskiej, nr 66, 2004.
AN ANALYSIS OF THE TRANSISTOR FAULTS FOR A VOLTAGE INVERTERFED INDUCTION MOTOR DRIVE
In this paper same simulation results of IGBTs open-circuit faults for two level voltage
inverter-fed induction motor drives were presented. The special focus of the investigation
has been on problems in an analysis of the considering transistors failures symptoms for
the complex vector controlled motor drives. In this article, an approach leading to the
selection of useful diagnostic signals and the associated with the applied control method
of the induction drive a failure features extraction procedure was proposed.