三相異步自整流電機中整流器的故障分析與研究

王炎龍， 秦愛中， 王姣龍

（中國船舶重工集團公司第七一三研究所， 河南 鄭州 450015）

0 引言

電磁制動器是一種將主動側扭力傳給被動側的連接器，能夠根據需要自由的結合切離或制動。電機與制動器的組合設計，以其結構緊湊、簡單，剎車定位精準、安全，得到廣泛的應用[1]。與交流電磁制動器相比直流電磁制動器具有線圈溫升低、節能環保、制動器啟動釋放速度更快等優點，因此直流電磁制動器應用更為廣泛，特別是在對停車精度有要求或者需要頻繁啟停的場合。

1 整流器工作原理

整流器利用二極管的單向導通性， 將交流電源轉換為直流電源供直流電磁制動器工作， 常用的整流器類型分為半波整流器、橋式整流器、橋式/半波整流器，整流器將電路分為兩側，一側為輸入交流電源，另一側為直流輸出，輸出側為直流電磁制動器供電，電磁制動器為線圈結構，在電路關斷時線圈會產生感應電動勢，情況嚴重時感應電動勢會損壞制動器線圈和前級整流器， 為了避免出現過高的關斷電動勢， 通常會在整流器直流輸出側配置火花抑制器即吸收電路，如圖1 所示。 因此特殊的整流器又有內置火花抑制器整流器以及為了實現快速制動的內置場效應管整流器。

圖1 內置火花抑制器的整流器

圖2 為實際使用中的某一型號半波整流器電路圖，電路中二極管D2為整流二極管，將輸入交流電轉換為脈動直流電供直流電磁制動器工作，二極管D1 為續流二極管，為電磁制動器斷開時線圈產生的感應電動勢泄放使用，V1～V4 為壓敏電阻，并聯至二極管兩端用以吸收電路中的脈沖干擾，防止二極管擊穿損壞。

圖2 整流器電路圖

2 整流器故障分析與檢測

整流器在交流電路中的供電方式通常有兩種接法相—星點供電和相—相供電，見圖3 和圖4。 兩種接法電機和整流器都受前級控制開關KM 的控制， 電機與整流器同時通電同時斷電， 在實際使用中為了配合電機制動在控制開關KM 后級接入外制動抱閘電機，見圖5，整流器使用了一段時間后經常出現損壞的情況， 導致電機無法運行影響現場作業。

圖3 相—星點供電接法

圖4 相—相供電接法

圖5 實際電路示意圖

從損壞的整流器打開情況來看均為整流二極管的擊穿，對整流器輸入端進行電壓監測，測得輸入端有瞬態脈沖干擾，波形圖見圖6，瞬態脈沖幅值最大值可達1300V， 電路中常見的瞬態脈沖干擾有如下幾類：①靜電放電干擾。導體或人體在某些特殊環境下會產生較強的靜電， 當接觸繼電器或控制裝置后就會對其產生靜電放電現象，該放電會產生高強度、寬頻譜的電磁場通過金屬導體表面或空間進行傳播，嚴重時會導致電子設備工作失常甚至損壞[2]；②浪涌（沖擊）干擾。 該干擾是室外雷電或者室內大功率電氣設備瞬間通斷時在電纜上產生的干擾，特點就是能量很大，室內脈沖電壓可達6KV，室外脈沖電壓更高可達10KV 以上，該脈沖每發生一次都會產生比較嚴重的危害[3]；③1MHz（100KHz） 脈沖群干擾。 該干擾是一種振蕩衰減波的干擾， 產生是由于在輔助電源回路中開關的開閉會出現短暫的放電， 產生一個短時尖峰干擾電壓以一連串的衰減振蕩波的形式出現， 波形頻率取決于輔助電源回路的阻抗， 傳播方式以傳導干擾為主通過輸入導線直接傳到傳輸設備上；④電快速瞬變脈沖群干擾。該干擾是由于電路中開關切換感性負載時產生， 特點是干擾信號不是單個脈沖而是一連串的脈沖群，每個脈沖的間隔時間短，當第一個脈沖波還未消失時第二個脈沖波緊跟而來， 脈沖幅值高、頻率高，脈沖群可在電路輸入端產生積累效應使干擾電平的幅度最終可能超過電路的噪聲容限， 脈沖干擾源的大小取決于負載電路的電感、 負載斷開速度和介質的耐受能力[4-5]。

圖6 瞬態脈沖干擾

通過對整流器輸入端脈沖干擾波形分析該干擾屬于電快速瞬變脈沖群干擾， 該干擾出現于控制開關KM 閉合或者斷開的瞬間，且與三相電源零點有關，當開關KM在電源波形最高值時刻觸發時脈沖干擾幅值較大， 在電源波形零點時刻觸發時脈沖干擾幅值較小。

3 整流器脈沖干擾抑制方法

整流器中整流二極管采用的保護措施通常為并聯一定標稱電壓值的壓敏電阻或采用兩只相同規格的二極管串聯以提高整流二極管的耐壓能力防止二極管在遭受瞬態脈沖干擾時擊穿損壞[6]。壓敏電阻是一種具有非線性伏安特性的電壓敏感型器件， 當加在壓敏電阻上的電壓低于標稱電壓時阻值無窮大， 一旦電壓超過標稱電壓時電阻阻值開始快速下降，從而將能量泄放，整個過程響應時間為ns 級，對整流器輸入端電壓、電流和輸出端電壓、電流進行監測，波形見圖7，從圖中可以看出對于輸入端U1的脈沖干擾，輸出端U2 并未得到明顯鉗位，主要原因是電快速瞬變脈沖群不是單個脈沖而是一連串持續時間很短的脈沖群，具有一定高頻性，而壓敏電阻具有結電容，一般在幾百至幾千pf 的數量級范圍，不宜直接應用在高頻線路中， 這就導致壓敏電阻對脈沖干擾的抑制效果有限， 整流二極管長期承受高幅值電壓脈沖的沖擊導致整流器使用一段時間后會出現損壞的情況。

圖7 整流器輸入輸出端監測

針對整流器的上述情況， 對整流器分別采用輸入端加一階RC 低通濾波電路和并聯瞬態抑制二極管的方法。 在整流器輸入端加RC 低通濾波電路主要是利用RC電路中的電容充電能減緩脈沖上升時間，降低脈沖群的重復頻率，電阻能吸收部分脈沖群的能量，減少重燃次數[7]。瞬態抑制二極管主要是利用了二極管中硅PN 結的雪崩效應，正常情況下瞬態抑制二極管不工作，當出現瞬態脈沖干擾時瞬時過電壓尖峰以鉗位的方式被限制在一定幅值范圍內，瞬態抑制二極管具有極快的響應時間一般為ps級和非常高的浪涌吸收能力，但一般市面產品瞬態抑制二極管的最大反向關斷電壓Vrwm值均小于三相電源峰值電壓537V，這將導致即使在沒有脈沖干擾的情況下瞬態抑制二極管也會工作失去其使用意義， 實際中采用兩只同型號的雙向抑制二極管串聯使用。 得到的波形圖見圖8和圖9。 從實際測得的效果來看，一階RC 低通濾波和采用雙向瞬態抑制二極管對瞬態脈沖干擾都有一定的抑制效果， 但如果要得到更好的抑制效果需要采用更高級別的濾波電路。

圖8 一階RC 低通濾波

圖9 雙向瞬態抑制二極管濾波

傳導干擾信號在電路中的反映方式有兩種共模干擾和差模干擾。 對于三相電路來說共模干擾存在于任何一相與大地之間，差模干擾存在于相線與相線之間[8]。 針對圖5 中的實際電路干擾主要表現為差模干擾。 電源濾波器主要由電容和電感等無源元件組成， 為一低通型雙向濾波器，工作原理就是利用無源元件電感、電容的高頻特性把高頻干擾信號能量消耗掉， 從而使工頻信號無衰減的通過[9-10]。 電源濾波器在實際電路中使用非常廣泛，根據濾波器中配置電感、 電容元器件的多少和濾波級數分為普通型濾波器和增強型濾波器， 根據使用場合的不同選擇相應的濾波器。 針對瞬態脈沖干擾波形情況采用如下增強型電源濾波器，電路圖見圖10。

圖10 增強型電源濾波器

圖11 加電源濾波器后整流器輸入輸出波形圖

4 結論

設計電路時電機主控開關后級盡量避免引入過多電感類器件， 如無法避免則要考慮對電機的整流器進行獨立開關控制或者采用過零型固體繼電器作為電機主控開關，同時電機整流器選擇規格型號較大的。采用電源濾波器對瞬態脈沖進行濾波時，由于電路結構、電機功率、使用電磁環境、阻抗匹配等不同影響了濾波器的通用性，在實際中需根據測試情況逐步調整濾波器參數以達到良好的濾波效果。