توسعه مدل ریاضیاتی برای شبیه سازی خطاها در اینورترهای PWM منبع – جریان

چکیده

علیرغم دستاوردهای تکنولوژیکی قابل توجهی که در الکترونیک قدرت (هم برای دستگاه ها و هم برای مدارها) حاصل شده است، با اینحال خطاها اجتناب ناپذیر هستند، که همین موضوع دلیل اصلی قطع شدگی برق و خرابی های سیستم های قدرت است. در دهه گذشته مسئله خطا در الکترونیک های قدرت از نقطه نظر تجربی و تئوریکی با توجهات بیشتری بررسی شده است. به دنبال این روندها، این مقاله متمرکز بر این هدف است که یک مدل ریاضیاتی جدیدی را ارائه کند که مخصوصا برای شبیه سازی خطاها در اینورترهای منبع جریان (CSIها) در حال فعالیت در کاربردهای سرو درایو با قابلیت اطمینان بالا توسعه می یابد. با نزدیک شدن به توسعه یک مدل کلی خطای متمرکز، یک مدل CSI طراحی می شود که قادر به شبیه-سازی در هر دو شرایط خطا و بدون خطا است زمانی که یک یا چندین دستگاه الکترونیکی در عملیات ناموفق هستند یا با شکست مواجه می شوند. به این ترتیب عیب و ایراد ایجاد یک مدل مجزا و یک برنامه شبیه سازی مجزا برای هر حالت عملیاتی (حالات دارای خطا و بدون خطا) حذف می شود. مدل تعمیم یافته از طریق شبیه سازی دقیق به کمک کامپیوتر در محیط نرم افزاری Matlab/Simulink اعتبارسنجی می شود. به منظور مقایسه نتایج به دست آمده در حالات مختلف شکست، معماری های مختلف مبدل قدرت حالت خطا در نظر گرفته می شود، شرایط عملیاتی آنها در یک کاربرد سرو درایو تست و بررسی می شود.

1. مقدمه

این بخوبی شناخته شده است که افزایش الزامات عملکرد و ایمنی در کاربردهای مدرن سرو درایو منجر به سیستم های کنترل بسیار پیچیده تر می شود، که موجب می شوند تا خطاها اجتناب ناپذیر باشد. علاوه بر این، در سیستم های سرو بحرانی قابلیت اطمینان درایو بسیار مهم است که در آن خطاها غیر مجاز هستند، خطاهای ناخواسته ممکن است موجب تلفات در سرمایه یا حیات انسانی شود. بعنوان بخش های اصلی سیستم های مدرن درایو الکتریکی، مبدل های الکترونیکی قدرت نقش مهمی را در کل فرایند انتقال انرژی و هدایت جریان کاربرد ایفا می کنند. شکی در این نیست که در دهه های اخیر پیشرفت و دستاوردهای تکنولوژیکی در الکترونیک های قدرت (همچون برای دستگاه های جدید، برای مدارهای جدید، سیستم های کنترل و استراتژی های حفاظتی) چشمگیر است اما در هر حالت خطاها که دلیل اصلی قطع برق، شکست ها و خسارات در سیستم قدرت هستند، کماکان اج تناب ناپذیر هستند [1، 2]. با اینحال، تشخیص خطا و تفکیک، و همچنین حذف خطا در مبدل های الکترونیک قدرت کار آسانی نیست، بنابراین وقوع خطا مستلزم فواصل زمانی طولانی مدتی است که در آن مبدل قدرت باید از کار بیفتد. در عین حال، تشخیص خطا و حذف خطا در چنین سیستم های الکترونیکی پیچیده مستلزم سطح بالایی از دانش و مهارت های تجربی کافی است. الزامات فوق بخصوص برای تمامی آن مبدل های قدرت الکترونیکی صدق می کند که در آن مدارهای کنترل ادغام یافته ی پیچیده یا میکرو پردازشگرهای مبتنی بر نظارت قرار دارند [3، 4]. روشن است که، بررسی و تشخیص خطا همیشه مستلزم ملاحظه ی تاثیرات خطاها بر روی دستگاه های قدرت است، و همچنین مستلزم بررسی خطاها بر روی سایر مدارهای فعال و منفعل در مبدل، یا بر روی سیستم های الکتریکی - الکترونیکی است که با ماژول الکترونیکی قدرت خطادار مرتبط بهم هستند. از دیدگاه دیگر، هنوز در منابع بین الملل رویکردی غالب است که هر خطا را بعنوان یک مورد جداگانی و تفکیکی بدون دیدی کلی در مورد بقیه سیستم الکترونیکی در نظر می گیرد. این بدان معناست که تقریبا تمامی مطالعات در بررسی مستقلانه در نظر گرفته می شود، که در آن تشخیص، محلی سازی، و تلاش ها در جهت ترمیم و بازسازی متمرکز است [5، 6، 3]. بطور آشکارا، این استراتژی ها نشان می دهد که در موضوع بررسی تحمل پذیری خطا در سیستم های مبل قدرت تحقیقات هنوز در حال تکامل است، بدون تئوری های پذیرفته شده و ایجاد شده و روش هایی که جامعه مهندسی دخیل در آن است راهبردها در حال تکامل می باشد. این مشاهده حفظ می شود حتی اگر بخوبی دانسته شود که تعداد زیادی از منابع فنی در حال حاضر در این حوزه تحقیقاتی در دسترس هستند. با وجود همه اینها، شکی در این نیست که همان سوالات مهم هنوز هم تحت ملاحظه هستند یا بسیاری از موضوعات در انتظار دریافت پاسخ از سوی دانشمندان درگیر هستند.

Abstract

Despite of remarkable technological achievements reached in power electronics (both for devices and circuits) faults remains inevitable, being the main cause of power systems interrupts and failures. In the last decade the fault problem in power electronics has been investigated with more attention both from theoretical and experimental point of view. Following these trends, this paper is focused to introduce a novel mathematical model specially developed for simulation of faults in current-source inverters (CSIs) operating in high reliability servo-drive applications. By approaching a generalized fault-tolerant model development, it has been designed a CSI model able to simulate both unfaulty and faulty conditions when one or more power electronic devices fails in operation. In this way the drawback of building a separately model and a separately simulation program for each operation mode (both for unfaulty and faulty states) has been eliminated. The generalized model has been validated via careful computer-aided simulations in Matlab/Simulink software environment. In order to compare the obtained results in different failure states various faulty-state power converter architectures has been considered, their operating conditions being tested in a servo-drive application.

I. INTRODUCTION

It is well known that increasing safety and performance requirements in modern servo-drive applications lead to more and more complex control systems, which make faults inevitable. Moreover, in critical servo systems the reliability of the drive is very important where faults are impermissible, unwanted faults may cause loss of the human life or capital. As main parts of modern electrical drive systems, power electronic converters play a key role in the entire energy transferring process and driving application flow. It is no doubt the last decades achieved technological improvements in power electronics (as for new devices, as for new circuits, control systems and protection strategies) are remarkable but faults remain unavoidable in each case, being the main cause of power system interruptions, failures, or damages [1, 2]. However, fault detection and isolation, respectively the fault elimination in power electronic converters is not an easy task, so fault occurrence implies long time intervals in which the power converter must remain out of service. At the same time, fault diagnosis and fault elimination in such a complex electronic systems requires high level knowledge of the topic and adequate experimental skills, as well. The above requirements are particularly true for all that power electronic converters which also embeds complex integrated control circuits or microprocessorbased supervisor boards [3, 4]. Obviously, fault investigation and detection always implies the consideration of the effect of faults on power devices, on other active- and passive circuits in the converter, or on electric-electronic systems which are interconnected with the faulted power electronic module. From other point of view, in international references still dominate the approach which considers each fault as a separate and isolated case without a general vision on the rest of the electronic system. This means that the great majority of studies regards on a single device investigation, where the diagnosis, localization, and reparation efforts are concentrated [5, 6, 3]. Obviously, such strategies denotes that in the topic of fault-tolerance investigation in power converter systems the researches are still in full evolution, without clearly established and generally accepted theories and methods by the engineering community involved. This observation remains even it is well known that a great amount of technical literature is already available in this research area. In spite of all these, it is no doubt that same important questions are still under careful consideration or many issues are waiting for answer from scientists involved in the topic.

چکیده

1. مقدمه

2. بیان مسئله تحمل پذیر خطا در مبدل های قدرت

3. یک مدل ریاضیاتی تعمیم یافته برای شبیه سازی قدرت در اینورترهای منبع- جریان PWM

4. اعتبارسنجی مدل ریاضیاتی از طریق شبیه سازی ها به کمک کامپیوتر

5. نتیجه گیری

Abstract

I. INTRODUCTION

II. FAULT-TOLERANCE PROBLEM STATEMENT IN POWER CONVERTERS

III. A GENERALIZED MATHEMATICAL MODEL FOR FAULTS SIMULATION IN PWM CURRENT-SOURCE INVERTERS

IV. THE MATHEMATICAL MODEL VALIDATION VIA COMPUTER-AIDED SIMULATIONS

V. CONCLUSIONS