基于電壓波形分析的三相不控整流裝置故障診斷

朱 威，陽習黨，肖 歡，余錫文

（海軍工程大學艦船綜合電力技術國防科技重點實驗室，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，陽習黨，肖 歡，余錫文

（海軍工程大學艦船綜合電力技術國防科技重點實驗室，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式。通過仿真驗證了理論推導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，最后由試驗驗證了該故障診斷方法的有效性。該方法可推廣應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備之間的功率變換紐帶，在電機和電氣傳動等領域中有著廣泛的應用，因此對整流器等電力電子裝置的可維護性和故障診斷技術的要求也越來越高。當整流裝置中功率器件發生故障時，裝置的拓撲結構變化會導致輸出發生改變，從而使整個系統性能降低并可能進一步帶來其他故障。因而，如何對電力電子裝置故障進行快速檢測并準確定位是當前研究的熱點[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造成電源線電壓短路，使得整流二極管或保護熔斷器很快燒毀進而發生開路故障[5]。當前對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電壓結合特征提取和模式識別理論進行研究。肖迎群等通過小波分形分析和主元分析，采用脊波網絡進行故障分類，實現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向結合提出一種三相整流裝置的故障診斷方法[7]。田質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，并以此構造故障模式向量用神經網絡實現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和相電流相結合，提出一種整流二極管開路故障診斷方法[9]。由于直流側輸出電壓診斷信息有限，這些故障診斷方法都只能實現故障模式分類，無法對發生故障的整流二極管進行準確定位。

本文針對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行推導分析，然后通過仿真驗證得出整流二極管在故障前后的變化規律。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，并通過試驗驗證該方法的有效性。該方法對其他六相及以上的不可控整流裝置同樣適用，可以推廣應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撲結構如圖1所示。

圖1 三相不控整流裝置結構圖

假設電網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。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通。根據式（2）可知，初始時刻ucb最大，因此D5-D6先導通，功率元件的依次導通順序為：D5-D6, D1-D6, D1-D2, D3-D2, D3-D4, D5-D4。

1.2 整流二極管兩端電壓測量

三相不控整流裝置中整流二極管兩端電壓波形測量原理如圖2所示。高壓信號經過分壓電路，通過分時復用經隔離運放送到中央控制器的A/D端口進行測量。6個整流二極管共用一個隔離運放和一個A/D端口，可以有效地節省硬件資源。

圖2 整流二極管兩端電壓測量

2 整流二極管電壓波形分析

本節對三相不可控整流裝置在正常和故障狀態下的整流二極管兩端電壓波形進行分析。考慮到4個整流二極管斷開時，三相整流橋已無法工作，本節對3個及以下數量整流二極管開路時兩端電壓波形變化進行分析。

2.1 整流裝置正常狀態下整流二極管電壓波形分析

當所有的整流二極管處于正常的工作狀態時，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通。取二極管 D1兩端的電壓為例進行分析，其他二極管兩端的電壓與此類似。

表1 三相整流橋一個周期內導通關系

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寫成傅里葉級數表達式：

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)解析表達式系數計算結果

由（4）式可以求得uD1(t)的解析表達式為：

圖4 正常情況下整流二極管D1兩端電壓波形uD1

2.2 單個整流二極管斷開時電壓波形分析

任意一個二極管開路對交直流側波形的影響是一樣的，以 D1管開路為例進行分析。如圖 3所示，當D1管開路時，ua在正半周期無法導通。在時區Ⅰ內，uc最正，此時 c相D5導電。同時由于ub最負，b相D6導電，電流id經過D5流向電位最低點 b點。因此，時區Ⅰ的 P點電位為uc，N點電位為ub，整流電壓。由于 D1開路，D5-D6導通，P點的電位為uc，a點的電位為ua，所以D1兩端的電壓在時區Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ、Ⅴ、Ⅵ可作類似分析。

在Ⅰ～Ⅵ完整周期內，三相整流橋對應導通二極管、直流輸出電壓和二極管 D1電壓關系如表3所示。因此，在正常狀態下D1兩端的電壓uD1可以表示為

將式（6）中uD1寫成傅里葉級數表達式可以求得uD1(t)的解析表達式為：

2.3 兩個整流二極管斷開時電壓波形分析

對三相整流橋而言，兩個整流二極管斷開故障有同極性的兩個二極管斷開、異極性兩個二極管斷開和同一橋臂上兩個二極管斷開三種情況，需要分別進行分析。

當同極性兩個二極管斷開故障時，以 D1和D3斷開為例。圖3中ua和ub正半周期無法導通，在時區Ⅰ內，此時c相D5和b相D6導電，P點電位為uc，N點電位為ub，整流。在時區Ⅱ、Ⅲ中，由于三相整流器不存在導通的回路，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反并聯相接，相當于一根導線，因此在時區Ⅱ、Ⅲ中D5-D2導通，此時二極管D1兩端的電壓為uca，二極管D3兩端的電壓為ucb。

表3 單管故障時三相整流橋一個周期內導通關系

圖5 單管故障時整流二極管D1兩端電壓波形uD1

由于在任何時區中， D1一直開路，D5一直導通，所以P點的電位為uc，a點的電位為ua，D1兩端的電壓

當三相整流橋中異極性兩個二極管開路時，以D1和D6開路為例。圖3中ua在正半周期無法導通，ub在負半周期無法導通。時區Ⅰ、Ⅵ中，由于三相整流器不存在導通的回路，此時直流輸出電壓為0。D5和D2反并聯相接，相當于一根導線，此時二極管D1兩端的電壓為uca，二極管D6兩端的電壓為ucb。在時區Ⅱ內，ub最正，故b相D3導電，同時uc最負，故c相D2導電。此時電流id經過D3流向電位最低點b點，P點電位為ub，N點電位為uc，D1兩端的電壓在時區Ⅲ、Ⅳ、Ⅴ內可作類似分析。因此在Ⅰ～Ⅵ完整周期內，三相整流橋對應導通二極管、直流輸出電壓和二極管D1電壓關系如表4所示，可以看出uD1和單管開路故障時的波形是一樣的。

表4 異極性兩管斷開時三相整流橋一個周期內導通關系

當三相整流橋同一橋臂上兩個二極管斷開時，以D1和D4管斷開為例，此時三相整流電路變為單相全波整流。在線電壓ubc的正半周期，D3和D2受正向電壓導通D5和D6反壓截止，直流電壓。在線電壓ubc的負半周期，D5和D6受正向電壓導通， D3和D2受反壓截止，直流電壓在時區Ⅰ中，由于D3-D2導通，P點的電位為uc，a點的電位為ua，故D1兩端的電壓在時區Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ、Ⅴ、Ⅵ內可作類似分析得出，uD1和單管開路故障時的波形是一樣的。因此對三相整流橋兩個整流二極管斷開的三種故障情況，整流二極管兩端 D1的電壓波形數值解和仿真如圖7所示。

圖6 雙管故障時三相整流橋等效電路圖

圖7 雙管故障時整流二極管D1兩端電壓uD1波形

2.4 三個整流二極管斷開時電壓波形分析

對三相整流橋而言，三個整流二極管斷開故障有三種情況：

1)三個二極管為同極性，同為上管或同為下管。

2)三個二極管有兩個二極管同橋臂，其他一個管子為另外兩個橋臂的上管或者下管。

3)三個二極管非同極性，且均分在三個不同橋臂中。

當三相整流橋同極性三個二極管開路時，整流橋內沒有電流通過，二極管兩端電壓為浮電壓。當三相整流橋兩個上管開路，第三個橋臂一個下管開路，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導通，對D1管而言，D5在任何時區內總是導通的，故 P點的電位為uc，a點的電位為ua，故D1兩端的電壓。當三相整流橋同一橋臂兩個二極管開路，其他任意管開路，以D1、D4、D3斷開為例。同理，此時三相整流橋相當于單相半波不控整流，D5和D2反并聯相接，相當于一根導線。P點的電位為uc，D1兩端的電壓。對三相整流橋三個整流二極管斷開的故障，整流二極管 D1兩端的電壓波形數值解和仿真如圖8所示

圖8 三管故障時整流二極管D1兩端電壓波形uD1

3 三相不可控整流裝置故障診斷

通過第二節中對三相整流橋整流二極管兩端電壓波形的分析可知，在正常工作狀態下，二極管導通時，其兩端電壓約為 0，實際電壓為二極管的正向導通電壓值；二極管截止時，二極管兩端電壓為反向電壓。但是當二極管出現開路故障時，其兩端電壓除反向電壓以外，還出現一段正向電壓，該正向電壓遠大于約為0的正向導通電壓。因此，對三相不可控整流橋的故障診斷可以依據整流二極管兩端的電壓特性作為判斷故障的依據，并構造特征函數如下:

從而可得到反應整流元件狀態的特征值為

在故障診斷時，若三相整流橋中整流二極管兩端的電壓出現了正向電壓，就對其取絕對值并積分，如果λ＞S（S為常數，根據實際仿真和實驗測得），則第i個元件處于開路故障狀態。實際中防止干擾，可以多采樣幾個周期，并取平均值。圖9為D1開路時進行的故障診斷仿真，可以看出該方法能夠很好地對兩種狀態進行區分。

圖9 對D1開路狀態進行故障診斷仿真

4 試驗驗證

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平臺。對整流橋中二極管采用圖2所示的采樣電路，在正常和故障狀態下對整流二極管兩端實際電壓波形進行采樣。

從圖9可以看出，當整流二極管正常工作時，由于二極管單相導電性，正向電壓非常小，接近于0，如圖中（a）所示；當二極管處于斷開狀態時，在二極管原導通時間區間內出現較大的正向電壓，如圖中（b）-（f）所示。注意圖9中示波器在采樣時，二極管兩端電壓正負反向，電壓衰減100倍。因此，實際試驗波形能夠很好地驗證論文第2部分的推導和第3部分故障診斷仿真。實際應用中，需根據相電壓、電路的分壓比例、采樣周期和頻率來設置故障判斷的閥值。在本文試驗中，采樣長度取0.1 s，采樣頻率為600 Hz，電壓衰減100倍時，發生（b）-（f）所示故障時實際計算二極管正向電壓累加值為1.9～2 V，而正常時為0.07 V，兩者差別非常大。如果設定故障判斷電壓閥值為1.2 V，顯然可以能夠很好地進行故障定位。

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 結論

本文針對傳統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證指出整流二極管兩端電壓波形在故障前后的變化規律，然后通過故障診斷特征函數計算電壓波形在故障前后的正向電壓變化特征值，最后試驗驗證了故障診斷算法的有效性。該故障算法簡單可靠，可以推廣于其他多相不可控整流系統的在線檢測、故障診斷應用中。

[1]ZHU Wei, MA Wei-ming, YANG Xi-dang, XIAO Huan. A Fault diagnostic method of 24-Pulse uncontrolled diode rectifier based on the voltage waveform analysis[C]. International conference on electronics network and computer engineering, China：Atlantics press 2016: 846-852.

[2]TAMER K, YEVGEN B, LIU C. Fault diagnoses for industrial grid-connected converters in the power distribution systems [J]. IEEE Trans, Industrial electronics, 2015,62(10): 6496-6506.

[3]GOU B, GE X L, WANG S L, et al．An open-switch fault diagnosis method for single-phase PWM rectifier using a model-based approach in high-speed railway electrical traction drive system [J]. IEEE Trans, Power electronics, 2016, 31(5): 3816-3824.

[4]李微, 譚陽紅, 彭永進. 基于小波分析及網絡的電力電子電路故障診斷方法[J]. 電機與控制學報,2005, 9(6): 554-557.

[5]袁立軍, 馬偉明. 三相整流系統的故障分析[J]. 海軍工程大學學報(自然科學版), 1997, 38(1): 22-30.

[6]肖迎群, 何怡剛. 基于小波分形分析和脊波網絡的模擬電路故障診斷方法[J]. 電工技術學報, 2011,26(11)：105-112.

[7]田質廣, 趙剛. 基于小波包與 Elman神經網絡的整流電路故障診斷[J]. 系統仿真學報, 2009, 21(10):2981-2984.

[8]周海峰, 王榮杰, 崔博文. 一種用于三相整流裝置故障診斷的方法[J]. 太陽能學報, 2013, 34(1)：171-176.

[9]MEHDI R,CHRIS D,MARYHELEN S,et al．Open-circuit fault diagnosis in 3-phase uncontrolled rectifiers[C]. Power Electronics for Distributed Generation Systems (PEDG), Aalborg,Denmark：IEEE, 2012: 254-259．

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

國家自然科學基金項目（編號：51407189）

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