POZNAN UNIVE RSITY OF TE CHNOLOGY ACADE MIC JOURNALS No 7 Electrical Engineering 213 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. i = f i wektora prądu stojana stanowią bogate źródło Obrazy hodografów ( ) sβ sα 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 i s 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 i sy 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 []. Symulacji uszkodzeń dokonano poprzez podanie sygnału logicznego o stałej wartości 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 P N [kw] 1,1 Napięcie zasilające U N [V] 22/38 Prąd stojana I N 2,9/ Prędkość obrotowa n N [obr/min] 14 Moment obciążenia m o [Nm] 7, Moment bezwładności J [kgm 2 ],26 Częstotliwość napięcia zasilającego f N [Hz]
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 i s 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 T 1uszk., T 2uszk.,...,T,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 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 i = f i, opracowane na podstawie uzyskanych wyników hodografów ( ) sβ sα symulacyjnych. Obszary płaszczyzny α β, w których zawarty jest wykres zależności i f( i ) = zostały opisane za pomocą wartości odpowiednich kątów. sβ sα
74 Piotr Sobański, Teresa Orłowska-Kowalska 1 12 T 1uszk. 1 12 T 3uszk. 1 12 T uszk. 4 18 18 2 18-21 3-21 3-21 3 24 27-1 -1 1 24 27-1 -1 1 24 27-1 -1 1 1 12 T 4uszk. 1 12 6 T 6uszk. 1 12 T 2uszk. 18 18 18-21 3-21 3-21 3 24 27-1 -1 1 24 27-1 -1 1 24 27-1 -1 1 1 T 1,4uszk. 1 T 3,6uszk. 1 T,2uszk. 1 12 1 12 1 12-18 21 3-18 21 3-18 21 3-1 24 27-1 24 27-1 24 27-1 -1 1-1 -1 1-1 -1 1 4 2-2 T 1,3uszk. 12 18 21 3 24 27-4 -4-2 2 4 4 2-2 T,3uszk. 12 18 21 3 24 27-4 -4-2 2 4 4 2-2 21 12 24-4 -4-2 2 4 27 T 4,6uszk. 18 3 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... 7 4 2 12 T 2,6uszk. 4 2 12 T 1,uszk. 4 2 12 T 4,2uszk. 18 18 18-2 21 3 24 27-4 -4-2 2 4-2 21 3 24 27-4 -4-2 2 4-2 21 3 24 27-4 -4-2 2 4 T 1,6uszk. T 2,3uszk. T 3,4uszk. 2 12 2 12 2 12 1-1 18 21 3 1-1 18 21 3 1-1 18 21 3-2 24 27-2 24 27-2 24 27 - -2 2 - -2 2 - -2 2 T,6uszk. T 1,2uszk. T,4uszk. 2 12 2 12 2 12 1-1 18 21 3 1-1 18 21 3 1-1 18 21 3-2 24 27-2 24 27-2 24 27 - -2 2 - -2 2 - -2 2 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 (T 1, T 3, T ) bądź anodowej (T 4, T 6, T 2 ) 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 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 i sy na i = f i. Zakres oraz warunki przeprowadzonych badań były wykres zależności ( ) sβ sα 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 i s uzyskane w trakcie badań struktury sterowania z wartością wzmocnienia k p członu proporcjonalnego regulatora prądu typu PI o % 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 W g funkcji celu przy której proces optymalizacji zostanie zakończony. Przyjęcie bardzo małej wartości W g, 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 i sy 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) e) 2 1-1 21 12 24-2 -2 2 27 T 1uszk. 18 3 2 1-1 21 12 24-2 -2 2 27 T 1,4uszk. 18 b) d) f) 2 1-1 -2-21 12 24 27 T 1uszk. 18 3-2 2 2 1-1 -2-21 12 24 27 3 T 1,4uszk. 18 3-2 2 2 1-1 -2 - -1-2 - 21 12 24 27 T 2,6uszk. -2 2 18 2 1 21 12 24 27 3 T 2,6uszk. -2 2 18 3 Rys.. Obrazy hodografów wektora prądu stojana podczas uszkodzeń tranzystorów: T 1 (a,b), T 1 i T 4 (c,d) oraz T 2 i T 6 (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 i sy. 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,162-16, 213. [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, 2. [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., no.2, 86-93, 28. [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 [] 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, 24. 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.