ANALIZA SYMPTOMÓW USZKODZEŃ ŁĄCZNIKÓW TRANZYSTOROWYCH FALOWNIKA NAPIĘCIA W NAPĘDZIE INDUKCYJNYM

__________________________________________

* Politechnika Wrocławska.

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 i_s f

 

i_s wektora prądu stojana stanowią bogate źródło informacji na temat kondycji napędów elektrycznych. W pracach [2]-[4]

zaprezentowano metody diagnostyczne, w których zastosowano techniki ekstrakcji

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.ANALIZOWANASTRUKTURASTEROWANIA

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] 1,1

Napięcie zasilające UN [V] 220/380

Prąd stojana IN [A] 2,9/5

Prędkość obrotowa nN [obr/min] 1400

Moment obciążenia mo [Nm] 7,5

Moment bezwładności J [kgm²] 0,0026 Częstotliwość napięcia zasilającego fN [Hz] 50



 



 



 

Rys. 1. Schemat układu bezpośredniego sterowania polowo zorientowanego dla napędu indukcyjnego

3.WYNIKIBADAŃSYMULACYJNYCH

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  podzielono na obszary opisane wartością kąta zakreślanego od  osi . Badania wykonano dla różnych wartości prędkości obrotowej silnika n oraz momentu obciążenia m_o. 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 i_s f

 

i_s , opracowane na podstawie uzyskanych wyników symulacyjnych. Obszary płaszczyzny  , w których zawarty jest wykres  zależności i_s f

 

i_s zostały opisane za pomocą wartości odpowiednich kątów.

-10 0 10 -10

-5 ²¹⁰

240 270 300

330

is [A]

is

-10 0 10

-10 -5 ²¹⁰

240 270 300

330

is [A]

is

-10 0 10

-10 -5 ²¹⁰

240 270 300

330

is [A]

is

-10 0 10

-10 -5 0 5 10

30

210

60

240 90

270 120

300 150

330

180 0

is [A]

is [A]

T_4uszk.

-10 0 10

-10 -5 0 5 10

6 30

210

60

240 90

270 120

300 150

330

180 0

is [A]

is [A]

T_6uszk.

-10 0 10

-10 -5 0 5 10

30

210

60

240 90

270 120

300 150

330

180 0

is [A]

is [A]

T_2uszk.

-10 0 10

-15 -10 -5 0 5 10 15

30

210

60

240 90

270 120

300 150

330

180 0

is [A]

is

[A]

T_1,4uszk.

-10 0 10

-15 -10 -5 0 5 10 15

30

210

60

240 90

270 120

300 150

330

180 0

is [A]

is [A]

T_3,6uszk.

-10 0 10

-15 -10 -5 0 5 10 15

30

210

60

240 90

270 120

300 150

330

180 0

is [A]

is

[A]

T_5,2uszk.

-40 -20 0 20 40

-40 -20 0 20 40

30

210

60

240 90

270 120

300 150

330

180 0

i_s [A]

is [A]

T_1,3uszk.

-40 -20 0 20 40

-40 -20 0 20 40

30

210

60

240 90

270 120

300 150

330

180 0

i_s [A]

is [A]

T_5,3uszk.

-40 -20 0 20 40

-40 -20 0 20 40

30

210

60

240 90

270 120

300 150

330

180 0

i_s [A]

is [A]

T_4,6uszk.

Rys. 2. Obrazy hodografów wektora prądu stojana podczas uszkodzeń łączników tranzystorowych falownika napięcia w układzie napędowym o otwartej strukturze regulacji U/f = const

-40 -20 0 20 40 -40

-20 0 20 40

30

210

60

240 90

270 120

300 150

330

180 0

is [A]

is [A]

T_2,6uszk.

-40 -20 0 20 40

-40 -20 0 20 40

30

210

60

240 90

270 120

300 150

330

180 0

is [A]

is [A]

T_1,5uszk.

-40 -20 0 20 40

-40 -20 0 20 40

30

210

60

240 90

270 120

300 150

330

180 0

is [A]

is [A]

T_4,2uszk.

-20 0 20

-30 -20 -10 0 10 20 30

30

210

60

240 90

270 120

300 150

330

180 0

is [A]

is [A]

T_1,6uszk.

-20 0 20

-30 -20 -10 0 10 20 30

30

210

60

240 90

270 120

300 150

330

180 0

is [A]

is [A]

T_2,3uszk.

-20 0 20

-30 -20 -10 0 10 20 30

30

210

60

240 90

270 120

300 150

330

180 0

is [A]

is

[A]

T_3,4uszk.

-20 0 20

-30 -20 -10 0 10 20 30

5 30

210

60

240 90

270 120

300 150

330

180 0

is [A]

is

[A]

T_5,6uszk.

-20 0 20

-30 -20 -10 0 10 20 30

30

210

60

240 90

270 120

300 150

330

180 0

is [A]

is [A]

T_1,2uszk.

-20 0 20

-30 -20 -10 0 10 20 30

5 30

210

60

240 90

270 120

300 150

330

180 0

is [A]

is [A]

T_5,4uszk.

Rys. 3. Obrazy hodografów wektora prądu stojana podczas uszkodzeń łączników tranzystorowych falownika napięcia w układzie napędowym o otwartej strukturze regulacji U/f =const.

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 i_s f

 

i_s . Zakres oraz warunki przeprowadzonych badań były analogiczne jak we wcześniej zaprezentowanych wynikach symulacyjnych dotyczących otwartej struktury regulacji.

Jak wcześniej wspomniano dobór nastaw regulatora prądu i_sy 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 k_p 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

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

 

_

 s

s i

i f 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) e)

-20 0 20

-20 -10 0 10 20

30

210

60

240 90

270 120

300 150

330

180 0

is [A]

is [A]

T_1uszk.

-20 0 20

-20 -10 0 10 20

30

210

60

240 90

270 120

300 150

330

180 0

is [A]

is [A]

T_1,4uszk.

-20 0 20

-30 -20 -10 0 10 20 30

30

210

60

240 90

270 120

300 150

330

180 0

is [A]

is [A]

T_2,6uszk.

b) d) f)

-20 0 20

-30 -20 -10 0 10 20 30

30

210

60

240 90

270 120

300 150

330

180 0

i_s [A]

is [A]

T_1uszk.

-20 0 20

-30 -20 -10 0 10 20 30

30

210

60

240 90

270 120

300 150

330

180 0

i_s [A]

is [A]

T_1,4uszk.

-20 0 20

-30 -20 -10 0 10 20 30

30

210

60

240 90

270 120

300 150

330

180 0

i_s [A]

is [A]

T_2,6uszk.

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

Praca została wykonana z wykorzystaniem Infrastruktury PL-Grid.

LITERATURA

[1] 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.

[2] 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.

[3] 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.

[4] 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 [5] 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 INVERTER- FED 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.