Fault detection in power electronics systems based on qualitative and quantitative models

• Autorzy: Juszczyk W. , Kich Z.R. , Zając M.

Warianty tytułu

PL

Detekcja uszkodzeń w układach energoelektronicznych oparta na modelach jakościowych i ilościowych

• Języki publikacji: EN

Abstrakty

EN

It is assumed in this paper that monitoring both the converter and its control states means continuous formulation (i.e. in a repeatable way) of a diagnosis of the plant's state automatically via a suitable computer diagnostic system. In other words it is on-line diagnosing carried out in real time. The authors assume that mainly the operating signals are used for diagnostic purposes since it is not recommendable to disturb the process with any additional test signals. Implementation of the orthogonal expansion made it possible to depict the system state approximated by a sequence of its values' observations in a form of some linear combination of basic functions. Complete families of binary orthogonal Walsh and Haar functions are emploed. The employed research methods may be considered numeric-analytical ones. The investigation of the signal properties in power electronics inverters was carried out using fast processing algorithms (both in serial and parallel modes). Along with the simulational modeling the presented approach made it possible to execute a complex fault detection and isolation for a typical arrangement of the inverter. The fast transform algorithm used in this paper is based on the Haar matrix factorization.

PL

Przyjęto, że monitorowanie stanu wybranego przekształtnika i jego układu sterowania jest powtarzalnym cyklicznie w sposób automatyczny komputerowym formułowaniem diagnoz o jego stanie. Innymi słowy jest to diagnozowanie prowadzone na bieżąco w czasie rzeczywistym. Autorzy założyli, że do celów diagnostyki układów energoelektronicznych wykorzystywane są głównie sygnały robocze, niewskazanym jest bowiem zakłócanie procesu dodatkowymi sygnałami testowymi. Przedstawione typowe schematy możliwych testów diagnostycznych używanych do oceny własności wybranych sygnałów przekształtnika, oraz sklasyfikowano spotykane w literaturze metody detekcji uszkodzeń, które mogą znaleźć zastosowanie do oceny niezawodności działania podobnych układów energoelektronicznych. Przedstawiono schemat blokowy procesu monitorowania przekształtnika. Szczególną uwagę zwrócono na przyczyny istnienia opóźnień czasowych powstawania symptomów. Sklasyfikowano czynniki od których zależą te opóźnienia. Zaproponowano formalizację opisu stanu pracy przekształtnika i opisu możliwych testów diagnostycznych. Do badań wybrano testy oparte na zastosowaniu analizy spektralnej sygnałów. Obiektem badań był typowy prostownik sterowany. Zastosowanie teorii rozwinięć ortogonalnych umożliwiło przedstawienie stanu układu aproksymowanego ciągiem obserwacji jego wartości w postaci pewnej kombinacji liniowej funkcji bazowych. W badaniach zastosowano pełne rodziny binarnych funkcji ortogonalnych Walsha i Haara. Użyty w tej pracy algorytm szybkiego przekształcenia oparto na faktoryzacji macierzy Haara. Zastosowane metody badawcze można zaliczyć do metod numeryczno-analitycznych. Badania własności sygnałów prostownika przeprowadzono w oparciu o wykorzystanie szybkich algorytmów przetwarzania (w wersjach szeregowej i równoległej). Wykazały one swą przydatność dla formułowania diagnoz o miejscach i zakresach pojawiania się typowych uszkodzeń w zasilaniu, sterowaniu czy też obciążeniu prostownika. W połączeniu z modelowaniem symulacyjnym prezentowane podejście pozwoliło na przeprowadzenie kompleksowego procesu detekcji i lokalizacji uszkodzeń dla typowego układu prostownika sterowanego.

• Wydawca: Sieć Badawcza Łukasiewicz - Instytut Elektrotechniki
• Czasopismo: Prace Instytutu Elektrotechniki
• Rocznik: 2002
• Tom: Z. 211
• Strony: 167--202
• Opis fizyczny: Bibliogr. 19 poz., tab., rys.

Twórcy

autor

Juszczyk W.

• Department of Fundamental Research in Electrotechnics, Electrotechnical Institute

autor

Kich Z.R.

• Department of Fundamental Research in Electrotechnics, Electrotechnical Institute

autor

Zając M.

• Department of Fundamental Research in Electrotechnics, Electrotechnical Institute

Bibliografia

• 1. Bikfalvi P., Vasarhelyi J., Imecs M. (2001): Model-Based Fault Detection of a Vector-Controlled AC Drive by Using Reconfigurable Hardware. The 2001 IEEE International Symposium on Diagnostics for Electrical Machines, Power Electronics and Drives. Grado
• 2. De Persis, C., Isidori, A. (1999): On the problem of residual generation for fault detection in nonlinear systems and some related facts. Proceedings of the European Control Conference, Karlsruhe, Germany.
• 3. Edwards Ch., Spurgeon S., Patton R. J.(2000): Sliding mode observers for fault detection and isolation. Automatica, Vol. 36, pp. 541-553.
• 4. Filippetti F., Franceschini G., Tassoni C. (1995): Integrated diagnostic systems for failure identification in power converter. Proc. EPE ’95, Vol. 3, Seville, Sept., pp. 270-274.
• 5. Hamelin F., Sauter D. (2000): Robust fault detection in uncertain dynamic systems. Automatica, Vol. 36, pp. 1747-1754.
• 6. Hammouri, H., Kinnaert, M., El Yaagoubi, E. H. (1999): Observer-based approach to fault detection and isolation for nonlinear systems. IEEE Transactions on Automatic Control, Vol. 44, pp. 1879-1884.
• 7. Hickiewicz J., Ławrowski Z. (2000): Diagnostyka napędów z silnikami indukcyjnymi. Wiadomości Elektrotechniczne, nr 4, pp. 154-160.
• 8. Juszczyk W., Kich Z., Zając M. (1999): Investigation of Selected Control Architectures for Electric Drives Employing Parallel Processing. Proceedings of Electrotechnical Institute, Vol. 200, pp. 75-97.
• 9. Juszczyk W., Kich Z. R., Zając M. (2000): Computer based diagnostic methods for a selected control system of the complex electromechanical system. Proceedings of Electrotechnical Institute, Vol. 206, pp. 5-38.
• 10. Łoboz T. (2001): Zaawansowane metody przetwarzania sygnałów w elektrotechnice. IC - SPETO 2001. Gliwice – Ustroń 23 – 26.05.2001, pp. 7 – 17.
• 11. Moody E. B. (1998): An Efficient Frequency-Domain Algorithm for Discrete Orthogonal Basis Restoration. IEEE Trans. on Circuits and Systems. Vol. 45, No 4, pp. 449-461.
• 12. Piróg S. (1998): Energoelektronika. Negatywne oddziaływania układów energoelektronicznych na źródła energii i wybrane sposoby ich ograniczenia. PAN Komitet Elektrotechniki. Seria Wydawnicza „Postępy napędu elektrycznego”.
• 13. Saif M. (1998): Robust discrete time observer with application to fault diagnosis. IEE Proceedings, Control Theory and Applications, Vol. 145, No 3, pp. 353-358.
• 14. Sundararajan D., Omair A.M., Swamy M.N.S.(1998): Vector Computation of the Discrete Fourier Transform. IEEE Trans. on Circuits and Systems. Vol. 45, No 4, pp. 449- 461.
• 15. Vas P. (1996): Electrical Machines and Drives. A Space Theory Approach. Oxford University Press, Oxford.
• 16. Vemuri A. T., Polycarpou M. M. (1997): Robust nonlinear fault diagnosis in input-output systems. International Journal of Control. Vol. 68, pp. 343-360.
• 17. Wang H., Huang Z. J., Daley S. (1997): On the use of adaptive updating rules for actuator and sensor fault diagnosis. Automatica, Vol. 33, pp. 217-225.
• 18. Yu D., Shields D. N. (1996): A bilinear fault detection observer. Automatica, Vol. 32, pp. 1597-1602.
• 19. Zając M., Juszczyk W. (1997): Diagnostyczne badania sygnałów przekształtnikowych. Prace Seminarium z Podstaw Elektrotechniki i Teorii Obwodów – SPETO ’97, Ustroń, pp. 499-502.