閆文斌，陳 強(qiáng)，史緒龍，朱明崗，孫新志

（1.南方電網(wǎng)儲能股份有限公司檢修試驗分公司，廣東 廣州511493；（2.廣州擎天實業(yè)有限公司，廣東 廣州 510860）

0 引言

三相不可控整流電路廣泛應(yīng)用于電力、化工、鋼鐵、通訊、電氣、鐵道等行業(yè)[1]。三相不可控整流電路是利用二極管的單向?qū)ㄐ?，? 個二極管組成橋式電路，輸出得到的脈沖直流電再通過平滑電容器的濾波從而得到平滑的直流電壓，供后級的逆變器、斬波器等使用。如果整流裝置出現(xiàn)問題，將直接引起整個系統(tǒng)的癱瘓。隨著電力電子技術(shù)的高速發(fā)展，電壓等級的進(jìn)一步提高，對整流裝置的可靠性提出了更高的要求[2]。因此，對整流裝置進(jìn)行故障檢測是極其重要的。針對整流裝置的故障問題，常用的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)診斷辦法、模糊數(shù)學(xué)方法、小波分析方法等都是基于處理器芯片的軟件算法?；谲浖惴ǖ姆椒▽μ幚砥餍酒幸欢ㄒ螅瑫r軟件算法會占用處理器芯片中的大量資源。而本文通過對整流橋的故障分析總結(jié)，通過仿真分析提出了基于硬件的判斷方法[3]。

1 基于Simulink 的整流電路故障分析

1.1 三相不可控整流電路的主電路

三相不可控整流電路主要元件是6 個大功率二極管，6 個二極管組成橋式電路。圖1 為三相不可控整流電路的主電路，負(fù)載為電阻負(fù)載。電路所涉及的各部分元件介紹如下：Vs1、Vs2、Vs3 為三相電壓，相角差為120°；D1、D2、D3、D4、D5、D6 為6 個二極管；R為負(fù)載。MATLAB 軟件中的Simulink 提供了電力電子器件的許多模型仿真分析非常方便，下面用Simulink工具對整流電路的正常和故障情況進(jìn)行分析。

圖1 三相不可控整流橋的仿真電路圖

對于三相不可控整流橋電路，正常工作時六個橋臂的二極管元件在一個工頻周期中換相六次，因此Ud 的波形在一個工頻周期中出現(xiàn)六次跳變，相位依次相差60°。如圖2 所示，電壓的波形是等分的六段電壓構(gòu)成。整流橋在上下橋中同時只有一個二極管導(dǎo)通，如D1 和D6 同時導(dǎo)通，直流側(cè)電壓等于Uab，下一次同時導(dǎo)通的二極管是D1 和D2，直流側(cè)電壓等于Uac。六個二極管按照D1-D2-D3-D4-D5-D6 順序?qū)?，對?yīng)整流輸出的Ud 電壓順序為Uab-Uac-Ubc-Uba-Uca-Ucb。

圖2 正常工作時電壓波形

1.2 整流橋故障仿真分析

二極管元件開路或者損壞、串接熔斷器熔斷等故障，是不可控整流電路上常見的故障現(xiàn)象。這些現(xiàn)象都能通過輸出電壓Ud 直觀的反映出來。通過Simulink 的仿真，對出現(xiàn)的故障進(jìn)行了總結(jié)。

故障類型分為4 大類：

第一類故障：有一個二極管故障，又分為下面六種：D1 損壞、D2 損壞、D3 損壞、D4 損壞、D5 損壞、D6損壞。輸出電壓波形中有2 個波頭缺失。

第二類故障：同一相電壓上的兩個二極管同時故障，又分為下面三種：D1 和D4 故障、D2 和D5 故障、D3 和D6 故障。輸出電壓波形中有4 個波頭缺失，剩下的兩個波頭不連續(xù)分布。

第三類故障：同一半橋的兩個二極管同時故障，又分為下面六種：D1 和D3 故障、D1 和D5 故障、D3和D5 故障、D4 和D6 故障、D4 和D2 故障、D6 和D2故障。輸出電壓波形有4 個波頭缺失，剩下的兩個波頭連續(xù)分布。

第四類故障：上下橋電路中交叉的兩個二極管同時故障，又分為下面六種：D1 和D2 故障、D1 和D6故障、D3 和D4 故障、D3 和D2 故障、D5 和D4 故障、D5 和D6 故障。輸出電壓波形中有3 個波頭缺失。

由上述分析可知，整流二極管發(fā)生故障時，同一類型的故障輸出電壓波形，其僅在時間軸上相互平移。發(fā)生故障時，有波頭缺失，同一類型波頭缺失的數(shù)量相同，但是不同位置二極管損壞時，波頭缺失的位置不同。

1.3 故障的定位方法

故障的判斷方法如下：將輸出電壓波形的六個波頭按照出現(xiàn)的先后順序，按照每隔60°進(jìn)行特定順序的排列并編號。以D1 和D6 導(dǎo)通為開始，輸出電壓波形每隔60°的電壓為Uab-Uac-Ubc-Uba-Uca-Ucb，并以此為特定順序進(jìn)行排列；同時通過硬件電路檢測對應(yīng)輸出電壓波頭是否存在，然后和經(jīng)過排列順序的序列相與得到故障編碼，進(jìn)而準(zhǔn)確判斷出故障二極管的位置和數(shù)量。

2 硬件電路設(shè)計

故障判斷的硬件方案主要有六個區(qū)間檢測回路、整流裝置輸出電壓波頭判斷電路組成。圖3 為六個區(qū)間的檢測回路電路圖。圖中A、B、C 為交流輸入的三相電壓即整流裝置的輸入電壓，OP1、OP2、OP3 為運(yùn)算放大器，Q1、Q2、Q3 為同或門，Q4、Q5、Q6 為非門、Q7 至Q12 為與門。運(yùn)算放大器為正負(fù)15 V 供電，所以要求前端的三相電壓采樣幅值不能超過15 V。通過運(yùn)放將三相電壓進(jìn)行比較得到Uac、Ucb、Uba 的電平信號，相角相差120°，再將得到的Uac、Ucb、Uba 的電平信號相互之間進(jìn)行同或門輸出，得到含有Uab、Uba、Ubc、Ucb、Uca、Uac 信息的三個電平信號，其中Uab、Uba 是一個信號，Ubc、Ucb 為一個信號，Uca 和Uac 為一個信號。Uab 和Uba 在同一周期中未分開，需要其他電路將其分開。具體做法是將得到的含有Uab 和Uba 信息的電平和從運(yùn)放輸出的電平進(jìn)行與門得到Uba，經(jīng)過非門后再相與得到Uab。Ubc 和Ucb，Uca 和Uac 經(jīng)過相同的處理得到。如此在一個周期中得到了只有1/6 角度的Uab、Uac、Ubc、Uba、Uca、Ucb 六個單獨(dú)的信號。這六個信號剛剛好對應(yīng)整流橋輸出電壓的六個波頭。電路中各個節(jié)點(diǎn)的邏輯電平變化如圖4 所示。

圖3 六個區(qū)間的檢測回路電路圖

圖4 各節(jié)點(diǎn)的邏輯電平變化圖

圖5 是整流裝置輸出電壓波頭判斷電路。電路中Ud 為整流裝置輸出電壓，經(jīng)過R1 和R2 分壓送給Op 運(yùn)放進(jìn)行比較，比較器所使用的Vref為參考電壓。運(yùn)放需要電源才能工作，其中Ud 和Vref都是正電壓，所以運(yùn)算選取為15 V 供電。Vref參考電壓的選取需要滿足Vref 大于0 V，同時Vref小于整流橋換相時刻交流線電壓幅值。根據(jù)交流電壓的線電壓表達(dá)式：

圖5 整流裝置輸出電壓波頭判斷電路

其中Ua為A相相電壓有效值。分析三相整流橋可知，換相時刻α角為60°，所以Vref參考電壓的幅值取值范圍為：

根據(jù)實際測試和應(yīng)用經(jīng)驗Vref參考值取值為角為30°時刻電壓值，可取的良好效果。將比較器的輸出結(jié)果分別和圖2 中的Uab、Uac、Ubc、Uba、Uca、Ucb電平相與，如果有波頭缺失，則對應(yīng)與門輸出為低電平，沒有波頭缺失則與門輸出為高電平。另外，由于選用了30°時刻為參考值，則在一個對應(yīng)的1/6 周波內(nèi)會出現(xiàn)電壓大于參考值和電壓小于參考值兩種情況，輸出電平在相應(yīng)1/6 周波內(nèi)也會出現(xiàn)高低電平兩種變化。因此在進(jìn)行故障判斷時需要規(guī)定只要出現(xiàn)邏輯低電平，就讓低電平保持一個周波的時間。

通過上述電路可以判斷出是否在一個周期中有波頭缺失，在一個周期中缺失了幾個波頭。六個與門輸出結(jié)果代表著一個周期中六個區(qū)間中的波頭缺失情況，進(jìn)而獲得故障代碼。由之前的仿真分析知道，不同的故障類型的故障代碼不同，分析不同的故障代碼就可以知道二極管故障的位置及個數(shù)[4]。從而準(zhǔn)確、快速找到故障點(diǎn)，為生產(chǎn)和實驗帶來了極大的方便。

在工廠中曾經(jīng)發(fā)生過整流橋故障導(dǎo)致系統(tǒng)不運(yùn)行的情況，當(dāng)時系統(tǒng)正常運(yùn)行突然系統(tǒng)監(jiān)控屏幕報告系統(tǒng)電壓大幅波動，電壓下降為原有電壓的70%，經(jīng)過800 ms 左右時間后，系統(tǒng)斷路器跳閘、系統(tǒng)停機(jī)[5]。停機(jī)測試查找問題，初步判斷為系統(tǒng)整流橋有故障，將整流橋直流側(cè)斷路器跳開，在陽極側(cè)接入交流電，在整流裝置直流側(cè)接入電阻負(fù)載，同時將故障檢測板接入，該故障檢測板依據(jù)本文所述方法設(shè)計制作，隨后在故障檢測板上測得故障編碼（001001），按照此故障編碼對照故障代碼表，準(zhǔn)確定位為整流橋故障的第二類故障中的D1、D4 二極管損壞。其中圖6 是測試故障整流橋?qū)?yīng)整流側(cè)的電壓波形，圖7 是在故障檢測板上測得的對應(yīng)故障編碼波形，圖8 為現(xiàn)場圖片。應(yīng)用本文所述方法準(zhǔn)確定位出故障位置，為系統(tǒng)恢復(fù)運(yùn)行爭取了寶貴時間、為系統(tǒng)運(yùn)行提供了有力保障。

圖6 故障裝置的整流側(cè)波形

圖7 故障裝置對應(yīng)故障編碼波形

圖8 現(xiàn)場圖片

3 結(jié)論

本文介紹了一種用硬件方法檢查三相不可控整流橋故障和判斷功率元件故障位置的方法，給出了判斷依據(jù)。此方法在試驗及實際中得到了有效的驗證。與軟件算法判斷故障的方法相比，它能夠快速、準(zhǔn)確的監(jiān)控和判斷故障位置，省去了復(fù)雜的軟件算法和對計算芯片的需求，節(jié)約了硬件成本。與此同時，此方法仍適用于實驗狀態(tài)下對三相全控橋故障的判斷及故障元件位置判斷。