NAPIĘCIOWY ALGORYTM DIAGNOSTYKI USZKODZEŃ TRANZYSTORÓW W PRZEKSZTAŁTNIKU SIECIOWYM AC/DC

Transkrypt

1 Prace Nakowe Instytt Maszyn, Napędów i Pomiarów Elektrycznych Nr 71 Politechniki Wrocławskiej Nr 71 Stdia i Materiały Nr Piotr SOBAŃSKI* przekształtnik sieciowy AC/DC, diagnostyka szkodzeń, awaria tranzystora IGBT NAPIĘCIOWY ALGORYTM DIAGNOSTYKI USZKODZEŃ TRANZYSTORÓW W PRZEKSZTAŁTNIKU SIECIOWYM AC/DC W artykle zaprezentowano algorytm diagnostyki awarii tranzystorów IGBT w przekształtnik sieciowym AC/DC ze sterowaniem zorientowanym względem napięcia sieci zasilającej. Proponowana metoda jest oparta na analizie średniej wartości błędów estymacji napięć fazowych przekształtnika sieciowego AC/DC oraz możliwia szybką identyfikację tranzystora, który tracił zdolność przewodzenia prąd. Skteczność algorytm została potwierdzona zarówno w trakcie pracy prostownikowej jak i falownikowej przekształtnika AC/DC. W cel weryfikacji skteczności działania metody przeprowadzono kompleksowe badania symlacyjne, których wybrane wyniki przedstawiono w niniejszym artykle. 1. DIAGNOSTYKA AWARII W ENERGOELEKTRONICZNYCH UKŁADACH PRZKESZTAŁTNIKOWYCH Ponad jedną trzecią awarii występjących w napędach elektrycznych stanowią szkodzenia przekształtników energoelektronicznych. Spośród nich około 1% dotyczy nieprawidłowości w fnkcjonowani tranzystorów, które objawiają się brakiem zdolności przewodzenia prąd bądź zwarciem [1] []. Główną przyczyną awarii tranzystorów są procesy starzeniowe, które przebiegają znacznie szybciej w przypadk częstych przeciążeń kładów energoelektronicznych. Płynące w takich warnkach prądy fazowe przekształtnika powodją podwyższenie temperatry modłów mocy, przyspieszając tym samym ich zżycie [4]. Zwarcia tranzystorów mogą w krótkim czasie doprowadzić do rozległych szkodzeń kładów energoelektronicznych []. W związk z tym, stosje się wyspecjalizowane sterowniki bramek tranzystorów, które zmniejszają ryzyko rozległych szkodzeń przekształtnika poprzez rozwarcie * Politechnika Wrocławska, Katedra Maszyn, Napędów i Pomiarów Elektrycznych, l. Smolchowskiego 19, 50-7 Wrocław, piotr.sobanski@pwr.ed.pl

2 awaryjnie pracjącego łącznika. Utrata zdolności do przewodzenia prąd przez łączniki może być również spowodowana szkodzeniem sterowników bramek tranzystorów lb fizyczną awarią złącz półprzewodnikowych [5]. Nieprawidłowość pracy, wynikająca z traty zdolności do przewodzenia prąd przez jeden z tranzystorów w kładach energoelektronicznych, prowadzi do błędów reglacji zmiennych stan. W przypadk awarii falowników napięcia, które zasilają maszyny elektryczne, szkodzenie tranzystora powodje nieprawidłowości reglacji moment elektromagnetycznego oraz prędkości kątowej w napędzie. Ten sam typ awarii w prostownikach AC/DC jest powodem odkształcenia prądów sieciowych oraz traty możliwości reglacji mocy biernej w pełnym zakresie pracy przekształtnika [6]. W związk z tym są projektowane algorytmy diagnostyki szkodzeń tranzystorów możliwiające szybkie zlokalizowanie nieprawidłowo pracjącego łącznika. Dzięki tem czas naprawy rządzenia jest krótki, a poniesione koszty, powiązane z przestojami pracy zostają zminimalizowane. Zdecydowana większość zaprezentowanych dotychczas metod diagnostyki tranzystorów dotyczy awarii falowników napięcia [7, 8]. W przypadk dwpoziomowych, trójfazowych prostowników sterowanych zagadnienie to nie zostało grntownie przebadane. W pracach [9], [] zaprezentowano algorytm diagnostyki szkodzeń diod w prostownikach niesterowanych. Metoda polega na wykorzystani wyników transformaty Foriera zrealizowanej dla napięcia stałego przekształtnika. Algorytm nie pozwala na jednoznaczną lokalizację nieprawidłowo pracjącej diody. Ponadto, nie określono czas potrzebnego na przeprowadzenie procedry diagnostycznej oraz nie wyjaśniono wpływ pojemności kondensatorów filtr prostownika na amplitdę sygnałów diagnostycznych. W pracy [11] przedstawiono wyniki porównawcze kilk technik monitorowania stan tranzystorów w falownik pracjącym w trybie prostownikowym. Zaprezentowane algorytmy są oparte na analizie obrazów hodografów prądów fazowych przekształtnika energoelektronicznego. Zniekształcenie prądów jest znacznie większe niż obserwje się w kładach prostownikowych, zawierających dławiki sieciowe, co może mieć istotny wpływ na skteczność metod w przypadk przekształtników sieciowych AC/DC. Do diagnostyki szkodzeń tranzystorów są również stosowane metody sztcznej inteligencji [1], [1]. Z wagi na konieczność zgromadzenia dżej ilości danych potrzebnych do wyodrębnienia cech sygnałów diagnostycznych świadczących o awarii, metoda ma ograniczone zastosowanie praktyczne. W niniejszym artykle, przedstawiono algorytm diagnostyki szkodzeń tranzystorów w przekształtnik sieciowym AC/DC ze sterowaniem zorientowanym względem napięcia sieci zasilającej. Zaproponowana w niniejszym artykle nowa metoda diagnostyki szkodzeń tranzystorów polega na analizie błędów estymacji napięć fazowych przekształtnika i może być zastosowana zarówno podczas pracy prostownikowej jak i falownikowej przekształtnika. Zaletą opisanego rozwiązania jest możliwa łatwa realizacja praktyczna kład diagnostyki szkodzeń oraz jego pełna skteczność działania. Zaprojektowany algorytm został zweryfikowany za pomocą model symlacyjnego, wykonanego w środowisk Matlab/Simlink. 119

3 . NAPIĘCIOWO ZORIENTOWANA METODA STEROWANIA PRZEKSZTAŁTNIKIEM AC/DC Na rys. 1 przedstawiono wykres wektorowy oraz strktrę sterowania prostownikiem PWM z orientacją wektora prąd sieci względem wektora napięcia sieci e g [14]. Sygnałem wyjściowym reglatora napięcia stałego prostownika DC jest składowa d,ref zadanego prąd sieci. Aby zyskać zerową wartość kąta φ, a tym samym jednostkowy współczynnik mocy, wartość zadana składowej prąd d,ref wynosi zero. Reglatory składowych prąd sieci zasilającej wyznaczają zadane napięcie przekształtnika, które jest modlowane za pomocą algorytm wektorowego. a) β b) q ωt d β e gb e gc R g R g R g L g L g L g ~ DC Odbiornik c) q e gβ e g =e gd φ d γ eg α e gα T1 T T5 + α B e gbc A B C α β e gα e gβ α β γ eg γ A A B C B K a K b K c β α β α α β α β pα,ref pβ,ref d-q α β d-q d q pd,ref pq,ref - PI DC,ref d,ref T T4 T6 - PI PI - q,ref =0 - Rys. 1. Metoda napięciowo-zorientowana: wykres wektorowy opisjący zasadę działania (a), schemat blokowy kład sterowania (b) oraz schemat obwodowy mostka prostowniczego (c) Wektor napięcia przekształtnika p może być estymowany na podstawie znajomości wektora napięcia sieci e g oraz napięcia dławika sieciowego L zgodnie z zależnością (1): p = e g L (1) Składowe napięcia przekształtnika mogą być obliczone zgodnie z zależnością (): pα est = U pβ est = DC K U A DC 1 ( ( K B K B K + K C ) C ) ()

4 11 przy czym: napięcie na kondensatorze filtrjącym, K A,B,C wartości sygnałów sterjących tranzystorami mostka. Z wagi na wysoką częstotliwość łączeń tranzystorów, przetwarzanie sygnałów K A,B,C w cel estymacji napięcia prostownika wymaga zastosowania bardzo krótkiego okres próbkowania kład sterowania, co w znacznym stopni ogranicza realizację praktyczną. W związk z tym, zakłada się, że napięcie przekształtnika jest równe napięci zadanem. Napięcie dławika sieciowego obliczono wykorzystjąc równania () [14]: Lα est Lβ est = = gα gα i i 1 + i 1 + i gβ gβ i i gβ L q q gα L () gdzie: α,β składowe prąd sieci, q L chwilowa wartość mocy biernej pobieranej przez dławik L g liczona zgodnie z zależnością (4): q L Lg diga digc = igc iga dt dt (4) przy czym: A,B,C to mierzone prądy sieci. Z wagi na pomijalnie małą wartość rezystancji dławików sieciowych R g, w obliczeniach nie względniono tego parametr.. METODA DIAGNOSTYKI AWARII TRANZYSTORÓW Proponowany algorytm diagnostyki szkodzeń tranzystorów przekształtnika sieciowego AC/DC polega na analizie średniej różnicy błędów estymacji napięć fazowych prostownika, liczonej w okresie napięcia sieci T e, zgodnie z zależnością (5): k d f = ( pfest, n pf, n) / k n= 1 (5) przy czym: f oznacza fazę przekształtnika (A, B lb C), k liczba próbek analizowanych sygnałów, przypadająca na jeden okres napięcia sieci. Przyjęto proszczenie, w którym estymowane napięcie przekształtnika pest jest równe co do wartości napięci zadanem, natomiast p obliczono zgodnie z zależnością (1). Estymacja napięcia prostownika w czasie awarii jednego z tranzystorów jest obarczona błędem spowodowanym niewzględnieniem dysfnkcji łącznika. W związk z tym, na podstawie analizy polaryzacji sygnałów diagnostycznych odnoszących

5 1 się do poszczególnych faz, możliwa jest identyfikacja szkodzonego tranzystora, zgodnie z tabelą 1. Tabela 1. Regły pozwalające na identyfikację szkodzonej fazy prostownika d A d B d C Uszkodzony tranzystor < T TF + + T1 >T TF T + < T TF + T >T TF T4 + + < T TF T5 >T TF T6 Przykładowo, w przypadk szkodzenia tranzystora T1 sygnał d A ma jemną wartość, mniejszą niż założony próg diagnostyczny T TF, natomiast zmienne d B oraz d C przyjmją dodatnie wartości. Aby niknąć tzw. fałszywych alarmów w trakcie prawidłowej pracy kład przekształtnikowego T TF > 0,1e gf. Przedstawiony algorytm diagnostyki awarii tranzystorów może być stosowany w przypadk różnych kładów sterowania przekształtnikami sieciowymi, tj. bezpośredniego sterowania mocą, kład z orientacją względem wirtalnego strmienia bądź napięcia sieci zasilającej. 4. PRZYKŁADOWE WYNIKI BADAŃ SYMULACYJNYCH Skteczność proponowanego algorytm została zweryfikowana za pomocą model symlacyjnego przekształtnika AC/DC wykonanego w środowisk MATLAB/Simlink. Układ energoelektroniczny został zaprojektowany za pomocą biblioteki Sim Power Systems. Symlacji szkodzeń tranzystorów IGBT dokonano poprzez zadanie zerowej wartości sygnałów sterjących bramek poszczególnych łączników przekształtnika. Podstawowe parametry kład energoelektronicznego oraz strktry sterowania podano w tabeli. Pierwsza część przedstawionych wyników badań obejmje testy działania system diagnostycznego w trakcie szkodzeń tranzystorów, które są inicjowane podczas pracy prostownikowej przekształtnika AC/DC. Drga cześć dotyczy awarii, następjących podczas zwrot energii do sieci (tryb generatorowy). W tym cel, w obwodzie obciążenia zamodelowano źródło napięcia stałego o wartości 800 V. Linią kreskową oznaczono na rysnkach chwilę, w której wymszano rozwarcie tranzystora oraz dokonano diagnozy.

6 1 Tabela. Parametry model symlacyjnego Wielkość Symbol Wartość Indkcyjność dławika L g 5 mh Pojemność kondensatora C,5 mf Rezystancja obciążenia R 0 Ω Indkcyjność obciążenia L 0 mh Napięcie fazowe sieci zasilającej E gf 0 V Siła elektromotoryczna w obwodzie obciążenia E DC 800 V Częstotliwość modlacji napięcia f m khz Krok czasowy symlacji T s 1 µs Ocenę szybkości działania zaprojektowanego system diagnostycznego możliwia zmienna t D, zdefiniowana w następjący sposób (6): t D tszk = (6) T przy czym: t szk oznacza czas pomiędzy chwilą, w której wymszono awarię tranzystora, a momentem zyskania informacji o jego szkodzeni, natomiast T e jest równy okresowi podstawowej harmonicznej napięcia sieci zasilającej. W cel weryfikacji metody diagnostycznej pokazano przebiegi zadanego ref oraz zmierzonego napięcia stałego przekształtnika AC/DC, prąd fazy przekształtnika, w której doszło do awarii A oraz odpowiedniego napięcia fazowego sieci. Ponadto, zaprezentowano przebiegi błędów estymacji napięć fazowych przekształtnika Δ pf oraz sygnałów diagnostycznych d f odnoszących się do poszczególnych faz prostownika. Przedstawione wyniki badań dotyczące awarii tranzystorów w fazie A mają reprezentatywny charakter, gdyż efekty działania system diagnostycznego w przypadk awarii łączników w pozostałych fazach są analogiczne. Symlacji szkodzeń tranzystorów dokonano w chwili t = 0, s. Na rysnk przedstawiono wyniki badań symlacyjnych, które dotyczą awarii tranzystora T1 (rys. a d) oraz T fazie A przekształtnika (rys. e h). Rozwarcie tranzystorów wymszono w chwili, gdy przekształtnik pracował w trybie prostownikowym (rys. b). Od chwili t = 0,1 s (rys. d), sygnał d A przyjmje jemne wartości, które przekraczają co do modł próg diagnostyczny T TF = 0 V, natomiast sygnały d B oraz d C osiągają wartości dodatnie. W związk z tym, zgodnie z tabelą 1 stwierdza się awarię tranzystora T1. W przypadk szkodzenia łącznika T, chwili t = 0,01 s (rys. h) zmienna diagnostyczna d A przyjmje dodatnie wartości, przekraczające próg diagnostyczny T TF = 0 V, natomiast sygnały d B oraz d C osiągają wartości jemne. Zgodnie z tabelą stwierdza sie awarię tranzystora T. Szybkość identyfikacji szkodzonych łączników wynosi odpowiednio t D = 0,61, w przypadk awarii T1 oraz t D = 0.06 w przypadk awarii łącznika T. e

7 14 a) 599 b) T1 szk. [A], e g * - Δ pf d f T1 szk. ref d A d B -0 d C A c) T1 szk Δ pa 0 Δ pb -00 Δ pc d) T1 szk. e) 599 f) T szk. [A], e g * - Δ pf d f T szk. ref A g) T szk Δ pa 0 Δ pb -00 Δ pc h) T szk d A d B -0 d C Rys.. Przebiegi zadanego ref oraz zmierzonego napięcia stałego przekształtnika (a, e), prąd A oraz napięcia fazy, w której doszło do szkodzenia tranzystora (b, f), błędów estymacji napięć fazowych przekształtnika Δ pf (c, g) oraz sygnałów diagnostycznych d f (d, h), w przypadk szkodzenia tranzystora T1 (a d) oraz T (e h) podczas pracy prostownikowej przekształtnika AC/DC a) T1 szk U 604 DCref b) T1 szk. [A], e g * c) T1 szk Δ pa 0 Δ pb -00 Δ pc d) T1 szk d A d B -0 d C Δ pf d f A e) T szk U 604 DCref f) T szk. [A], e g * g) T szk Δ pa 0 Δ pb -00 Δ pc Δ pf d f T szk. A h) d A d B -0 d C Rys.. Przebiegi zadanego ref oraz zmierzonego napięcia stałego przekształtnika (a, e), prąd A oraz napięcia fazy, w której doszło do szkodzenia tranzystora (b, f), błędów estymacji napięć fazowych przekształtnika Δ pf (c, g) oraz sygnałów diagnostycznych d f (d, h), w przypadk szkodzenia tranzystora T1 (a d) oraz T (e h) podczas pracy generatorowej przekształtnika AC/DC

8 15 Na rysnk przedstawiono wyniki badań symlacyjnych, które dotyczą awarii tranzystora T1 (rys. a d) oraz T fazy A przekształtnika (rys. e f) podczas zwrot energii do sieci (rys. b, f). Od chwili t = 0,09 s (rys. d), sygnał d A przyjmje jemne wartości, co do modł większe niż założony próg diagnostyczny T TF = 0 V, natomiast sygnały d B oraz d C osiągają wartości dodatnie. Uwzględniając zależności sformłowane w tabeli 1 stwierdza się awarię tranzystora T1. W przypadk szkodzenia łącznika T, chwili t = 0,19 s (rys. h) zmienna diagnostyczna d A przyjmje dodatnie wartości, przekraczające próg diagnostyczny T TF = 0 V, natomiast sygnały d B oraz d C osiągają wartości jemne. Zgodnie z Tabelą 1 stwierdza się szkodzenie łącznika T. Szybkość identyfikacji szkodzonych tranzystorów wyniosła odpowiednio t D = 0,47 w przypadk awarii T1 oraz t D = 0,96 w przypadk łącznika T. 5. WNIOSKI W artykle przedstawiono algorytm diagnostyki awarii polegających na brak zdolności przewodzenia prąd przez tranzystory w przekształtnik sieciowym AC/DC ze sterowaniem zorientowanym względem napięcia sieci zasilającej. Przedstawiona metoda polega na obliczeni średniego błęd estymacji napięć fazowych przekształtnika energoelektronicznego w okresie napięcia sieci zasilającej oraz możliwia bezbłędną lokalizację szkodzonych łączników, zarówno podczas pracy prostownikowej jak eneratorowej kład. Zależnie od tryb pracy przekształtnika, tj. prostownikowej lb generatorowej, czas wymagany na przeprowadzenie diagnostyki szkodzonego tranzystora różni się oraz zależy od przyjętego prog diagnostycznego. Przyjęcie większej wartości prog oznaczającego awarię tranzystorów wiążę się z wydłżeniem czas identyfikacji nieprawidłowo pracjącego łącznika, eliminjąc jednocześnie ryzyko fałszywych alarmów. Z wagi na stosnkowo niewielki wpływ analizowanych szkodzeń na jakość reglacji napięcia stałego w przekształtnikach sieciowych AC/DC, czas diagnostyczny nie jest wielkością krytyczną, która jednoznacznie określa przydatność algorytm, przeciwnie niż jest to w przypadk falowników napięcia, zasilających maszyny prąd przemiennego. Przyjęty próg diagnostyczny możliwił identyfikację awaryjnie pracjących tranzystorów w czasie krótszym niż jeden okres napięcia sieciowego. Niewielka złożoność obliczeniowa proponowanego rozwiązania możliwia prostą realizację praktyczną system identyfikjącego awarie tranzystorów, opartą na technice mikroprocesorowej. Praca zrealizowana w ramach projekt finansowanego przez Narodowe Centrm Naki na podstawie mowy UMO-014/15/N/ST7/04676.

9 16 LITERATURA [1] YANG S., XIANG D., BRYANT A., MAWBY P., RAN L., TAVNER P., Condition Monitoring for Device Reliability in Power Electronic Converters: A Review, IEEE Trans. on Pow. Electron., 0, Vol. 5, No. 11, [] ALAVI M., WANG D., LUO M., Short-Circit Falt Diagnosis for Three-Phase Inverters Based on Voltage-Space Patterns, IEEE Trans. on Ind. Electron., 014, Vol. 61, [] KWANG-WOON L., MYUNGCHUL Y., JANGHO L., KWANG-WOON L., JI-YOON Y., Condition Monitoring of DC-Link Electrolytic Capacitors in Adjstable-Speed Drives, IEEE Trans. on App. Electron., 008, Vol. 44, No. 5, [4] SMET V., FOREST F., HUSELSTEIN J.-J., RICHARDEAU F., KHATIR Z., LEFEBVRE S., BERKANI M., Ageing and Failre Modes of IGBT Modles in High-Temperatre Power Cycling, IEEE Trans. on Ind. Electron., 011, Vol. 58, No., [5] RODRIĚGUEZ-BLANCO M.A., CLAUDIO-SAĚNCHEZ A., THEILLIOL D., VELA-VALDEĚS L.G., SIBAJA-TERAĚN L., HERNAĚNDEZ-GONZAĚLEZ L., AGUAYO-ALQUICIRA J., A Failre- Detection Strategy for IGBT Based on Gate-Voltage Behavior Applied to a Motor Drive System, IEEE Trans. on Ind. Electron., 011, Vol. 58, No. 5, [6] SOBAŃSKI. P., ORŁOWSKA-KOWALSKA T., Analiza i diagnostyka szkodzeń tranzystorów w przekształtnik sieciowym AC/DC, Prace Nakowe Instytt Maszyn, Napędów i Pomiarów Elektrycznych Politechniki Wrocławskiej Nr 69, Seria Stdia i Materiały Nr, 01, [7] SOBAŃSKI. P., IGBTs Open-Circit Falts Diagnostic Methods for the Voltage Inverter Fed Indction Motor Drives, XII Konferencja Nakowa Sterowanie w Energoelektronice i Napędzie Elektrycznym, 015, 1 6. [8] SOBAŃSKI P., ORŁOWSKA-KOWALSKA T., Prosty algorytm lokalizacji szkodzeń tranzystorów falownika napięcia w napędzie z silnikiem indkcyjnym, Prace Nakowe Instytt Maszyn, Napędów i Pomiarów Elektrycznych Politechniki Wrocławskiej Nr 70, Seria Stdia i Materiały Nr 4, 014, [9] KAMEL T., BILETSKIY Y., LIUCHEN C., BO C., On-line diagnosis for rectifier open circit falts and inpt voltage nbalance based on the otpt DC voltage, Energy Convers. Congr. and Expos., 015, [] RAHIMINEJAD M., DIDUCH C., STEVENSON M., LIUCHEN C., Open-circit falt diagnosis in -phase ncontrolled rectifiers, IEEE Int. Symp. on Pow. Electr. for Distrib. Gen. Sys., 01, [11] ROTHENHAGEN K., FUCHS F.W., Performance of diagnosis methods for IGBT open circit falts in voltage sorce active rectifiers, IEEE 5th Ann. Spec. Conf. on Pow. Electr., 004, Vol. 6, [1] LIU H-D., HAN J.Y., SHEN N.J., LAN H., Rectifier Power Thyristor Failre in Real-Time Detection Methods, Conf. on Pow. and Ener. Eng., 01, 7 9. [1] FOITO D., FERNAO PIRES F.G., MARTINS J.F., A nero-fzzy based system for falt detection and diagnosis of -phase PFC rectifier, Conf. and Exp. in Pow. Electr. and Mot. Contr., 014, 1 4. [14] KNAPCZYK M., Nonlinear control strategies of AC/DC line-side converters sing sliding-mode approach, Ph.D. Thesis, Wroclaw 004. TRANSISTOR FAULTS DIAGNOSTIC ALGORITHM FOR AC/DC LINE-SIDE CONVERTER In this paper, transistor falts diagnostic algorithm dedicated to AC/DC line side converter with grid voltage oriented control is presented. The proposed method is based on average vales calclation of the power converter phase voltages and it provides fast and correct switch open-circit falts identification in the case of an rectifier as well as an inverter mode of the power converter. In order to prove the method effectiveness, comprehensive simlation research has been condcted and chosen reslts are presented in this paper.