整流電路故障模式研究在電力電子技術課程教學中的輔助作用

摘要：隨著電力電子技術的迅猛發展，電力電子技術已廣泛應用于工業生產的各個領域和社會生活的各個方面。整流電路作為電力電子電路的主要組成部分，其故障問題在應用過程當中變得越來越突出。整流電路故障模式的研究在電力電子技術課程的教學過程中，有助于加深學生對電力電子技術理論知識的認識和理解，有助于培養學生的各項專業技能。對于提高教學質量具有不可忽視的現實意義。

關鍵詞：整流電路；故障模式；電力電子技術

電力電子技術是自動化專業、電氣工程及其自動化專業的重要專業基礎課程，在專業教學過程中起著承上啟下的重要作用。它既是以高等數學、電子學、電路以及電機學等專業基礎知識為基礎，并體現其發展和綜合應用的一門專業技術。同時，它又是電力拖動控制系統、電力系統等相關后續專業課程的基礎。電力電子技術課程具有理論性強、與工程實際緊密聯系等特點。電力電子技術在直流輸電、風電領域、新能源轉換技術等方面都起到非常重要的作用。

一、整流電路故障模式研究

電力電子電路的故障可分為參數性故障和結構性故障。參數性故障是指電路中器件參數（如：電阻阻值、開關參數等）偏離正常值而導致的故障；結構性故障是指由于電路中電力電子器件出現短路、斷路或由于驅動電路故障而導致電路拓撲結構發生的故障。通常，將保護電路發生動作（諸如：保險絲熔斷、斷路器跳閘等）導致的電路拓撲變化也歸入結構性故障。本文對整流電路故障模式的研究就是針對整流電路的結構性故障進行分析。

1.整流電路的故障分析。整流電路故障模式的建立主要是根據整流電路的電路結構，通過對電路的故障工作特性進行分析，并歸納和總結其分析的結果，最終構成整流電路的故障模式。現以三相橋式全控整流電路為例進行故障分析。

三相橋式全控整流電路如圖1-1所示，主電路中a、b、c三相電源分別聯接有共陰極組（VT1、VT3、VT5）和共陽極組（VT4、VT6、VT2）共六個晶閘管。整流電路工作時，共陰極組與共陽極組分別有一個晶閘管導通，從而構成通電回路。電路中六個晶閘管依VT1-VT2-VT3-VT4-VT5-VT6的次序、相隔60？觸發導通，并以此循環控制。在控制角α相同的情況下，可在整流電路的輸出端獲得形狀相同、大小相等的六相電壓。

一旦整流電路出現故障（如：晶閘管損壞），則將造成輸出電壓波形發生畸變。并且，不同的晶閘管損壞時，整流電路輸出電壓波形發生畸變的情況不同。對于不同結構的整流電路，其故障模式不盡相同。

2.三相橋式全控整流電路的故障模式分類。三相橋式全控整流電路的故障模式從工程應用的角度出發，一般只考慮一個或兩個晶閘管發生故障的情況，因為對整流電路而言，三個以上晶閘管同時發生故障的幾率很小。因此，三相橋式全控整流電路可獲得4大類、共計21種故障模式。三相橋式全控整流電路的21種故障模式，在電路帶不同性質負載、以及不同控制角α的情況下，整流電路輸出的畸變電壓波形的形狀、波頭數或幅值大小不盡相同。因此，可以從整流電路實際輸出電壓的畸變波形預判電路的故障類型。

二、整流電路故障模式的應用

電力電子電路中，電力電子器件一旦損壞將造成電路輸出的各種參數發生變化，同時可能引起電力電子裝置或系統的損壞。整流電路故障模式的研究就是針對電力電子器件一旦發生故障，有可能引起的參數變化進行的，為盡快地發現并解決問題創造有利條件。

1.整流電路的工作原理。電力電子技術是以電力變換電路中電力電子器件（如：晶閘管）為核心，通過對電力電子器件的通、斷進行控制，從而實現對電能進行轉換和控制的目的。電力變換電路有整流電路、逆變電路等四大基本變換電路，以及建立在四大基本變換基礎上的組合變流電路的多種拓撲形式。整流電路有多種基本電路結構，如單相橋式全控整流電路、三相橋式全控整流電路等。圖1-1所示為三相橋式全控整流電路帶電容濾波負載時的原理結構圖，該電路共有6個晶閘管VT1～VT6，工作時依次觸發導通。輸出電壓波形每周期6個波頭，波頭形狀完全相同。整流電路在不同的電路結構、不同性質的負載、不同的控制角α的情況下，其輸出電壓具有特定的波形形狀。

2.整流電路故障模式的應用。對整流電路故障模式的研究，基本是對故障電路電壓波形的分析和研究。當整流電路發生故障（如電力電子器件損壞等）時，必將造成輸出電壓波形的畸變。電路中橋臂上的開關發生故障時，都會產生與之相對應的畸變波形。如圖1-1所示三相橋式整流電路，只有一只晶閘管發生故障，即：VT1～VT6。

因此，對整理電路故障模式的應用與研究，即為對整流電路進行分析和研究，將其在各種故障情況下的畸變波形進行匯總，制定各種故障模式，并以此作為分析和判斷整流電路發生故障起因的參考，從而能夠快速找出故障原因的方法和手段。

三、整流電路故障模式研究對電力電子技術教學的輔助作用

電力電子技術是一門綜合性學科，三相橋式全控整流電路單管故障是輸出電壓波形，其內容涉及多個學科和領域。課程內容理論知識點多、難點多，而且實踐性強。在電力電子技術課程的學習過程中，要求學生具有較強的專業理論基礎知識，具有對電路進行理論分析、波形分析和參數計算的能力。整流電路故障模式的研究對于提高學生的綜合能力具有積極的輔助作用。

1.有利于提高學生對電力電子技術課程知識的理解能力。電力電子技術是一門理論性和實踐性較強的專業基礎課程，課程內容圍繞著電力變換技術進行闡述，其電力變換技術又以整流和逆變為基礎和核心。電力電子技術的基本電路及其拓撲結構具有多樣性和復雜性。伴隨著電力電子技術在實際應用中的不斷普及和發展，各種理論知識的不斷完善，電力電子技術所涉及的知識越來越豐富，同時，對學生各方面的要求越來越高。學生對課程知識的了解和認識基本來源于老師在課堂上對知識的闡述和引導，基本圍繞電路正常工作狀態，對電路的工作原理和性能進行分析。這樣教學的結果往往固化了學生的思維方式，影響和限制了學生深入領會、認識和理解事物發展變化的本質特征的能力，減弱了學生的應變能力。對電路故障模式的研究能夠引導學生從不同的角度觀察和分析電路的變化，活躍了學生的思維，引導學生學會思考，從而進一步提高學生對電力電子技術課程知識的理解。

2.有利于增強學生對電力電子電路的分析能力。在電力電子技術的教學過程中，對電路的分析主要體現在原理分析和波形分析兩個方面。電路中各點參數（電壓和電流）的波形分析往往被作為對電路工作原理分析和研究的重要方法和手段。不同的電路結構，在不同的控制角α的作用下，電路各點電壓、電流波形都具有不同的形狀。在電力電子技術實驗中，電路中各點電壓波形所起的作用更加明顯和重要。通過示波器中的波形形狀，可以直接觀察、分析和判斷出電路和各種設備的運行狀態。整流電路故障模式研究就是探討整流電路在電力電子器件發生故障時，其電路輸出電壓波形發生畸變的問題。針對各種不同的故障情況，研究出了相對應的輸出電壓波形。通過對相對電壓波形的對比和分析，可以幫助學生更加深刻地理解電路的工作原理和運行狀態，對整個電力電子技術課程的學習具有非常重要的作用。

3.有利于培養學生的實踐動手能力。實踐是檢驗真理的唯一標準。通過電力電子技術實驗可以增強學生的實際動手能力，強化了學生的實驗技能，培養了學生分析問題和解決問題的能力，有利于加深學生對于電力電子技術理論知識的理解和認識。在電力電子技術的實驗過程中，經常發生由于學生操作不當，造成電力電子電路出現各種故障，其結果往往造成電力電子器件被損壞等情況發生。由于電路結構具有多樣性和復雜性，一旦主電路發生故障（如：主電路中某個電力電子器件損壞），將造成電路輸出電壓波形發生畸變。只是通過示波器中的波形很難直接判斷出故障發生的原因。同時，在電路中直接檢測電力電子器件，其結果不夠準確，這也就無形中增加了實驗的難度，使實驗過程復雜化。學生在教學過程中幾乎沒有接觸到這類知識和認識，也就不能直接清楚地認識到故障產生的原因。

整流電路故障模式的研究恰好解決了這一問題，它可以為學生提供一個迅速查找故障原因并盡快恢復正常實驗的方法和手段。實驗中一旦主電路發生故障，將造成波形畸變，可通過故障模式識別，進行波形對比，直接限定主電路發生故障的局部區域和范圍，簡化了檢測過程，理順了實驗思路，從而為提高效率、加快實驗進程創造有利條件。同時，可以培養學生在實踐中形成較為成熟的思維和判斷能力。

四、結束語

由于電力電子電路在實際工程應用中具有多樣性和復雜性，因此，對電力電子技術的故障模式研究還不夠完善，在實際應用中還有一定的局限性。但對于電力電子技術課程的教學而言，由于實驗裝置中組建的實驗電路基本屬于各種原理電路結構，電路結構和附加設備明確，實驗中電力電子器件損壞較常見。因此，整流電路故障模式研究針對電力電子技術課程的教學而言，具有較強的輔助作用，是針對教學改革的一種積極地探索。

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