基于電壓波形分析的三相不控整流裝置故障診斷

朱 威，陽習(xí)黨，肖 歡，余錫文

（海軍工程大學(xué)艦船綜合電力技術(shù)國(guó)防科技重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，武漢 430033）

基于電壓波形分析的三相不控整流裝置故障診斷

朱 威，陽習(xí)黨，肖 歡，余錫文

（海軍工程大學(xué)艦船綜合電力技術(shù)國(guó)防科技重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，武漢 430033）

提出了一種基于整流二極管電壓波形分析的三相不可控整流裝置故障診斷算法。對(duì)三相不可控整流裝置在正常和故障情況下整流二極管兩端的電壓波形進(jìn)行了解析分析，得到兩種情況下整流二極管兩端波形的解析表達(dá)式。通過仿真驗(yàn)證了理論推導(dǎo)的正確性并指出整流二極管在故障前后的電壓波形變化規(guī)律。提出利用電壓波形的正向特征值作為故障診斷特征函數(shù)，最后由試驗(yàn)驗(yàn)證了該故障診斷方法的有效性。該方法可推廣應(yīng)用于其他六相以上不可控整流裝置。

三相不控整流 故障診斷 電壓波形分析

0 引言

整流裝置作為交直流用電設(shè)備之間的功率變換紐帶，在電機(jī)和電氣傳動(dòng)等領(lǐng)域中有著廣泛的應(yīng)用，因此對(duì)整流器等電力電子裝置的可維護(hù)性和故障診斷技術(shù)的要求也越來越高。當(dāng)整流裝置中功率器件發(fā)生故障時(shí)，裝置的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)變化會(huì)導(dǎo)致輸出發(fā)生改變，從而使整個(gè)系統(tǒng)性能降低并可能進(jìn)一步帶來其他故障。因而，如何對(duì)電力電子裝置故障進(jìn)行快速檢測(cè)并準(zhǔn)確定位是當(dāng)前研究的熱點(diǎn)[1-4]。

三相不可控整流裝置故障一般為整流二極管開路和短路故障兩類。整流二極管短路故障會(huì)造成電源線電壓短路，使得整流二極管或保護(hù)熔斷器很快燒毀進(jìn)而發(fā)生開路故障[5]。當(dāng)前對(duì)三相不控整流裝置故障診斷一般通過整流裝置輸出直流側(cè)電壓結(jié)合特征提取和模式識(shí)別理論進(jìn)行研究。肖迎群等通過小波分形分析和主元分析，采用脊波網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行故障分類，實(shí)現(xiàn)了三相整流橋的故障診斷[6]。周海峰等將主元分析和支持向量機(jī)向結(jié)合提出一種三相整流裝置的故障診斷方法[7]。田質(zhì)廣等利用小波包提取整流裝置直流輸出電壓在全頻帶能量特征值，并以此構(gòu)造故障模式向量用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)三相整流裝置的故障分類和定位[8]。M. Rahiminejad等將三相不可控整流橋輸出直流電壓脈動(dòng)和相電流相結(jié)合，提出一種整流二極管開路故障診斷方法[9]。由于直流側(cè)輸出電壓診斷信息有限，這些故障診斷方法都只能實(shí)現(xiàn)故障模式分類，無法對(duì)發(fā)生故障的整流二極管進(jìn)行準(zhǔn)確定位。

本文針對(duì)三相不可控整流裝置，提出一種基于整流二極管電壓波形解析分析的故障診斷方法。首先對(duì)三相不可控整流裝置在正常和故障模式下整流二極管兩端電壓波形進(jìn)行推導(dǎo)分析，然后通過仿真驗(yàn)證得出整流二極管在故障前后的變化規(guī)律。利用整流二極管的正向電壓特性提出基于電壓波形正向特征值的故障診斷算法，并通過試驗(yàn)驗(yàn)證該方法的有效性。該方法對(duì)其他六相及以上的不可控整流裝置同樣適用，可以推廣應(yīng)用于其他電力電子裝置的故障診斷。

1 三相不控整流裝置

1.1 三相不控整流裝置原理

三相不控整流裝置拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 三相不控整流裝置結(jié)構(gòu)圖

假設(shè)電網(wǎng)為理想三相交流電源，相電壓為

式（1）中，Us為相電壓有效值。線電壓與相電壓相差π/6，故有：

為便于分析，將晶閘管按圖1所示編號(hào)。分析過程中不考慮換向重疊角，線電壓最大的一組二極管導(dǎo)通。根據(jù)式（2）可知，初始時(shí)刻ucb最大，因此D5-D6先導(dǎo)通，功率元件的依次導(dǎo)通順序?yàn)椋篋5-D6, D1-D6, D1-D2, D3-D2, D3-D4, D5-D4。

1.2 整流二極管兩端電壓測(cè)量

三相不控整流裝置中整流二極管兩端電壓波形測(cè)量原理如圖2所示。高壓信號(hào)經(jīng)過分壓電路，通過分時(shí)復(fù)用經(jīng)隔離運(yùn)放送到中央控制器的A/D端口進(jìn)行測(cè)量。6個(gè)整流二極管共用一個(gè)隔離運(yùn)放和一個(gè)A/D端口，可以有效地節(jié)省硬件資源。

圖2 整流二極管兩端電壓測(cè)量

2 整流二極管電壓波形分析

本節(jié)對(duì)三相不可控整流裝置在正常和故障狀態(tài)下的整流二極管兩端電壓波形進(jìn)行分析?？紤]到4個(gè)整流二極管斷開時(shí)，三相整流橋已無法工作，本節(jié)對(duì)3個(gè)及以下數(shù)量整流二極管開路時(shí)兩端電壓波形變化進(jìn)行分析。

2.1 整流裝置正常狀態(tài)下整流二極管電壓波形分析

當(dāng)所有的整流二極管處于正常的工作狀態(tài)時(shí)，如圖 3所示，三相交流相電壓ua、ub、uc相差2π/3，線電壓uab、uac、ubc、uba、uca、ucb依次相差π/6，線電壓最大的一組二極管導(dǎo)通。取二極管 D1兩端的電壓為例進(jìn)行分析，其他二極管兩端的電壓與此類似。

表1 三相整流橋一個(gè)周期內(nèi)導(dǎo)通關(guān)系

圖3 整流裝置正常情況下整流二極管兩端電壓分析

因此，在正常狀態(tài)下D1兩端的電壓uD1可以表示為（3）式。

將式（3）中uD1寫成傅里葉級(jí)數(shù)表達(dá)式：

un和φn可以借助于Matlab工具求得如表2所示。其中：A0的值為：

表2 uD1(t)解析表達(dá)式系數(shù)計(jì)算結(jié)果

由（4）式可以求得uD1(t)的解析表達(dá)式為：

圖4 正常情況下整流二極管D1兩端電壓波形uD1

2.2 單個(gè)整流二極管斷開時(shí)電壓波形分析

任意一個(gè)二極管開路對(duì)交直流側(cè)波形的影響是一樣的，以 D1管開路為例進(jìn)行分析。如圖 3所示，當(dāng)D1管開路時(shí)，ua在正半周期無法導(dǎo)通。在時(shí)區(qū)Ⅰ內(nèi)，uc最正，此時(shí) c相D5導(dǎo)電。同時(shí)由于ub最負(fù)，b相D6導(dǎo)電，電流id經(jīng)過D5流向電位最低點(diǎn) b點(diǎn)。因此，時(shí)區(qū)Ⅰ的 P點(diǎn)電位為uc，N點(diǎn)電位為ub，整流電壓。由于 D1開路，D5-D6導(dǎo)通，P點(diǎn)的電位為uc，a點(diǎn)的電位為ua，所以D1兩端的電壓在時(shí)區(qū)Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ、Ⅴ、Ⅵ可作類似分析。

在Ⅰ～Ⅵ完整周期內(nèi)，三相整流橋?qū)?yīng)導(dǎo)通二極管、直流輸出電壓和二極管 D1電壓關(guān)系如表3所示。因此，在正常狀態(tài)下D1兩端的電壓uD1可以表示為

將式（6）中uD1寫成傅里葉級(jí)數(shù)表達(dá)式可以求得uD1(t)的解析表達(dá)式為：

2.3 兩個(gè)整流二極管斷開時(shí)電壓波形分析

對(duì)三相整流橋而言，兩個(gè)整流二極管斷開故障有同極性的兩個(gè)二極管斷開、異極性兩個(gè)二極管斷開和同一橋臂上兩個(gè)二極管斷開三種情況，需要分別進(jìn)行分析。

當(dāng)同極性兩個(gè)二極管斷開故障時(shí)，以 D1和D3斷開為例。圖3中ua和ub正半周期無法導(dǎo)通，在時(shí)區(qū)Ⅰ內(nèi)，此時(shí)c相D5和b相D6導(dǎo)電，P點(diǎn)電位為uc，N點(diǎn)電位為ub，整流。在時(shí)區(qū)Ⅱ、Ⅲ中，由于三相整流器不存在導(dǎo)通的回路，因此直流輸出電壓為0，其電路可以等效為圖6。從圖6可以看出，D5和D2反并聯(lián)相接，相當(dāng)于一根導(dǎo)線，因此在時(shí)區(qū)Ⅱ、Ⅲ中D5-D2導(dǎo)通，此時(shí)二極管D1兩端的電壓為uca，二極管D3兩端的電壓為ucb。

表3 單管故障時(shí)三相整流橋一個(gè)周期內(nèi)導(dǎo)通關(guān)系

圖5 單管故障時(shí)整流二極管D1兩端電壓波形uD1

由于在任何時(shí)區(qū)中， D1一直開路，D5一直導(dǎo)通，所以P點(diǎn)的電位為uc，a點(diǎn)的電位為ua，D1兩端的電壓

當(dāng)三相整流橋中異極性兩個(gè)二極管開路時(shí)，以D1和D6開路為例。圖3中ua在正半周期無法導(dǎo)通，ub在負(fù)半周期無法導(dǎo)通。時(shí)區(qū)Ⅰ、Ⅵ中，由于三相整流器不存在導(dǎo)通的回路，此時(shí)直流輸出電壓為0。D5和D2反并聯(lián)相接，相當(dāng)于一根導(dǎo)線，此時(shí)二極管D1兩端的電壓為uca，二極管D6兩端的電壓為ucb。在時(shí)區(qū)Ⅱ內(nèi)，ub最正，故b相D3導(dǎo)電，同時(shí)uc最負(fù)，故c相D2導(dǎo)電。此時(shí)電流id經(jīng)過D3流向電位最低點(diǎn)b點(diǎn)，P點(diǎn)電位為ub，N點(diǎn)電位為uc，D1兩端的電壓在時(shí)區(qū)Ⅲ、Ⅳ、Ⅴ內(nèi)可作類似分析。因此在Ⅰ～Ⅵ完整周期內(nèi)，三相整流橋?qū)?yīng)導(dǎo)通二極管、直流輸出電壓和二極管D1電壓關(guān)系如表4所示，可以看出uD1和單管開路故障時(shí)的波形是一樣的。

表4 異極性兩管斷開時(shí)三相整流橋一個(gè)周期內(nèi)導(dǎo)通關(guān)系

當(dāng)三相整流橋同一橋臂上兩個(gè)二極管斷開時(shí)，以D1和D4管斷開為例，此時(shí)三相整流電路變?yōu)閱蜗嗳ㄕ鳌Ｔ诰€電壓ubc的正半周期，D3和D2受正向電壓導(dǎo)通D5和D6反壓截止，直流電壓。在線電壓ubc的負(fù)半周期，D5和D6受正向電壓導(dǎo)通， D3和D2受反壓截止，直流電壓在時(shí)區(qū)Ⅰ中，由于D3-D2導(dǎo)通，P點(diǎn)的電位為uc，a點(diǎn)的電位為ua，故D1兩端的電壓在時(shí)區(qū)Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ、Ⅴ、Ⅵ內(nèi)可作類似分析得出，uD1和單管開路故障時(shí)的波形是一樣的。因此對(duì)三相整流橋兩個(gè)整流二極管斷開的三種故障情況，整流二極管兩端 D1的電壓波形數(shù)值解和仿真如圖7所示。

圖6 雙管故障時(shí)三相整流橋等效電路圖

圖7 雙管故障時(shí)整流二極管D1兩端電壓uD1波形

2.4 三個(gè)整流二極管斷開時(shí)電壓波形分析

對(duì)三相整流橋而言，三個(gè)整流二極管斷開故障有三種情況：

1)三個(gè)二極管為同極性，同為上管或同為下管。

2)三個(gè)二極管有兩個(gè)二極管同橋臂，其他一個(gè)管子為另外兩個(gè)橋臂的上管或者下管。

3)三個(gè)二極管非同極性，且均分在三個(gè)不同橋臂中。

當(dāng)三相整流橋同極性三個(gè)二極管開路時(shí)，整流橋內(nèi)沒有電流通過，二極管兩端電壓為浮電壓。當(dāng)三相整流橋兩個(gè)上管開路，第三個(gè)橋臂一個(gè)下管開路，以D1、D3、D2斷開為例。由于三相整流橋只可能是D5-D6或者D5-D4導(dǎo)通，對(duì)D1管而言，D5在任何時(shí)區(qū)內(nèi)總是導(dǎo)通的，故 P點(diǎn)的電位為uc，a點(diǎn)的電位為ua，故D1兩端的電壓。當(dāng)三相整流橋同一橋臂兩個(gè)二極管開路，其他任意管開路，以D1、D4、D3斷開為例。同理，此時(shí)三相整流橋相當(dāng)于單相半波不控整流，D5和D2反并聯(lián)相接，相當(dāng)于一根導(dǎo)線。P點(diǎn)的電位為uc，D1兩端的電壓。對(duì)三相整流橋三個(gè)整流二極管斷開的故障，整流二極管 D1兩端的電壓波形數(shù)值解和仿真如圖8所示

圖8 三管故障時(shí)整流二極管D1兩端電壓波形uD1

3 三相不可控整流裝置故障診斷

通過第二節(jié)中對(duì)三相整流橋整流二極管兩端電壓波形的分析可知，在正常工作狀態(tài)下，二極管導(dǎo)通時(shí)，其兩端電壓約為 0，實(shí)際電壓為二極管的正向?qū)妷褐担欢O管截止時(shí)，二極管兩端電壓為反向電壓。但是當(dāng)二極管出現(xiàn)開路故障時(shí)，其兩端電壓除反向電壓以外，還出現(xiàn)一段正向電壓，該正向電壓遠(yuǎn)大于約為0的正向?qū)妷?。因此，?duì)三相不可控整流橋的故障診斷可以依據(jù)整流二極管兩端的電壓特性作為判斷故障的依據(jù)，并構(gòu)造特征函數(shù)如下:

從而可得到反應(yīng)整流元件狀態(tài)的特征值為

在故障診斷時(shí)，若三相整流橋中整流二極管兩端的電壓出現(xiàn)了正向電壓，就對(duì)其取絕對(duì)值并積分，如果λ＞S（S為常數(shù)，根據(jù)實(shí)際仿真和實(shí)驗(yàn)測(cè)得），則第i個(gè)元件處于開路故障狀態(tài)。實(shí)際中防止干擾，可以多采樣幾個(gè)周期，并取平均值。圖9為D1開路時(shí)進(jìn)行的故障診斷仿真，可以看出該方法能夠很好地對(duì)兩種狀態(tài)進(jìn)行區(qū)分。

圖9 對(duì)D1開路狀態(tài)進(jìn)行故障診斷仿真

4 試驗(yàn)驗(yàn)證

以三相380 V交流電為輸入相電壓，搭建三相不可控整流橋試驗(yàn)平臺(tái)。對(duì)整流橋中二極管采用圖2所示的采樣電路，在正常和故障狀態(tài)下對(duì)整流二極管兩端實(shí)際電壓波形進(jìn)行采樣。

從圖9可以看出，當(dāng)整流二極管正常工作時(shí)，由于二極管單相導(dǎo)電性，正向電壓非常小，接近于0，如圖中（a）所示；當(dāng)二極管處于斷開狀態(tài)時(shí)，在二極管原導(dǎo)通時(shí)間區(qū)間內(nèi)出現(xiàn)較大的正向電壓，如圖中（b）-（f）所示。注意圖9中示波器在采樣時(shí)，二極管兩端電壓正負(fù)反向，電壓衰減100倍。因此，實(shí)際試驗(yàn)波形能夠很好地驗(yàn)證論文第2部分的推導(dǎo)和第3部分故障診斷仿真。實(shí)際應(yīng)用中，需根據(jù)相電壓、電路的分壓比例、采樣周期和頻率來設(shè)置故障判斷的閥值。在本文試驗(yàn)中，采樣長(zhǎng)度取0.1 s，采樣頻率為600 Hz，電壓衰減100倍時(shí)，發(fā)生（b）-（f）所示故障時(shí)實(shí)際計(jì)算二極管正向電壓累加值為1.9～2 V，而正常時(shí)為0.07 V，兩者差別非常大。如果設(shè)定故障判斷電壓閥值為1.2 V，顯然可以能夠很好地進(jìn)行故障定位。

圖9 整流二極管D1在正常和故障情況下的兩端電壓波形uD1

5 結(jié)論

本文針對(duì)傳統(tǒng)三相不可控整流裝置，提出一種基于整流二極管兩端電壓波形分析故障診斷方法。首先由理論分析和仿真驗(yàn)證指出整流二極管兩端電壓波形在故障前后的變化規(guī)律，然后通過故障診斷特征函數(shù)計(jì)算電壓波形在故障前后的正向電壓變化特征值，最后試驗(yàn)驗(yàn)證了故障診斷算法的有效性。該故障算法簡(jiǎn)單可靠，可以推廣于其他多相不可控整流系統(tǒng)的在線檢測(cè)、故障診斷應(yīng)用中。

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A Fault Diagnosis Method of 12-phase Uncontrolled Rectifier Based on Waveform Similarity Measurement of Diodes

Zhu Wei, Yang Xidang, Xiao Huan, Yu Xiwen

(National Key Laboratory for Vessel Integrated Power Technology，Naval Univ. of Engineering，Wuhan 430033，China)

A fault diagnostic method of 3-phase uncontrolled diode rectifiers based on the voltage waveform analysis is proposed. The voltage waveform analytic expressions of each diode in the rectifier are derived in detail under normal and fault conditions. The analytic results are compared and verified with the simulation results, which reveal the regularity of the diode’s voltage waveform. According to the characteristic values calculated by the fault characteristic function, the fault diode can be located on line. The experimental results are in agreement with theoretical analysis, and show the effectiveness of the method. The fault diagnosis method can be generalized in six or more phase uncontrolled rectifiers.

3-phase uncontrolled rectifier; fault diagnosis; voltage waveform analysis

TM46

A

1003-4862（2017）10-0010-07

2017-08-15

國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目（編號(hào)：51407189）

朱威（1982-），男，博士生。研究方向：電氣自動(dòng)化。E-mail：weird517@hotmail.com