晶闸管整流装置的几种故障处理方法浅析

陈少东 李 宏

（西安石油大学，陕西 西安 710065）

0 引言

在大功率整流装置中，整流主电路与触发脉冲控制电路的故障发生率居多，故障类型也有很多种。整流主电路故障包括主电路过电压、欠压、过电流、短路、过热、水循环冷却系统水压水温失常以及功率器件的损坏；触发脉冲控制电路常见故障主要有脉冲缺失、脉冲相序错误等[1，2]。本文针对上述故障，提出合理且准确的故障检测及处理方法，通过应用对整流装置发生的故障进行预见性的故障检测和处理，可以有效的保证装置的稳定运行。

1 触发脉冲的故障检测

在晶闸管整流装置中，控制晶闸管导通的触发脉冲以双窄脉冲形式为主。常见的触发脉冲故障有以下两种：脉冲相序错、脉冲丢失。另外，晶闸管电路对脉冲触发电路也是有一定影响的。晶闸管整流电路与触发电路的相互影响，与晶闸管工作时外部因素以及内部载流子运动有关[3]。整流装置运行时若某相触发脉冲丢失，则对应的单个晶闸管或整组桥臂上的晶闸管就无法导通，整流输出电压明显降低，影响负载正常工作。因此需要对触发脉冲的各参数（脉冲幅值、脉冲相位、双窄脉冲间隔时间等）进行在线检测。通过检测触发脉冲的各项参数值，可以判定触发脉冲的品质优劣。以下是两种触发脉冲故障检测方法。

（1）脉冲字状态次序检测法

对于一个具体的脉冲触发电路而言，其触发脉冲的状态和次序是确定的。因此，可以采用一种检测方法：在一个完整的脉冲周期内验证采样脉冲字（图1所示：六路触发脉冲分别对应一个数据字节的D0～D5位，D6、D7缺省为0，构成一个脉冲字）的状态次序和已知的状态次序是否一致，从而验证触发脉冲是否正常。图2所示为用脉冲字表示整流触发脉冲序列，不出现脉冲对应为00H，脉冲状态依次出现的次序为 ：00H，03H，00H，06H，00H，0CH，00H，18H，00H，30H，00H，21H，00H，03H。

图1 六路触发脉冲与脉冲字对应关系示意图

图2 用脉冲字表示整流触发脉冲序列示意图

（2）脉冲间相位差检测法

在一个工频周期中，每一相触发脉冲的第一个脉冲P1由该相触发单元发出，隔60°相位的第二个脉冲P2由滞后60°相位的后一相触发单元补发。如图3所示（以示波器显示横纵坐标为主，纵坐标为幅值，横坐标为时间）：P1与P2之间的相位关系反映双窄脉冲的间隔，而P2与下一个P1的间隔又反映了相邻相脉冲之间的相位关系。

图3 双窄脉冲整流触发脉冲序列示意图

依据上述双窄触发脉冲间隔的相位差特征来检测触发脉冲的状态，提出脉冲间相位差检测法：通过测量各相脉冲的幅值和脉冲间的相位差（包括双窄脉冲之间的间隔）判断触发脉冲的故障类型。该方法的关键之处是要保证对每相脉冲的测量都从P1开始。当选定相的触发脉冲幅值正常，相位间的误差不大时，系统开始时刻与脉冲序列存在下列对应的时序关系：在P1到来之后，P2到来之前，对应图3中的t1时段；在P2到来之后，下一个P1到来之前，对应图3中的t2时段。相位差对应的时间差值的换算关系根据具体的触发电路控制芯片选用的晶振来确定。设一相正常双窄脉冲间的相位差对应时间差值是T1（即一组双窄脉冲中P1的脉冲前沿与P2的脉冲前沿间的60°相位角所对应的时间差值），P2与下一个P1间的相位差对应时间差值设为T2。当检测到第一个脉冲，此时无法判断该脉冲是P1还是P2，通过启动计时器计时，并等待下一个脉冲信号。在下一脉冲到来时，程序读取计时器，得到两脉冲的间隔时间，如果这个时间差值接近或等于T1，则确定所测到的两个脉冲依次是P1和P2；如果这个时间差值介于T2左右，则判定这两个脉冲依次是P2和P1，程序继续等待下一个脉冲P2的到来。

如若在这个过程中测得的脉冲序列不符合上述时序关系，则可判断选定的那相存在脉冲错误，通过脉冲序列的时序特征可以判断其故障类型（注：T1、T2、T3表示通过换算公式计算得出的数值，t表示触发脉冲之间的相位差变量）：

1）脉冲相位错故障

正常情况下双窄脉冲之间的间隔是60°，对应时间差值是T1，考虑到整流装置的调整误差，则相位差故障特征所对应的时序特征是t ＜ T1或T1＜ t ＜T2；

2）脉冲丢失故障

程序在选定某相脉冲信号，通过计时器计时。失脉冲故障的时间特征是计时器计时超过T3+T2后仍未测得脉冲信号。

为避免由于整流系统在移相时引起的脉冲间隔时间的变化使监测装置误判为故障，在故障判断程序中对每相脉冲按故障类型设置一组故障计数器，若连续5个测量周期都测得同一故障，则发故障报警信号，否则将故障计数器清零。

2 晶闸管整流装置主电路结构的故障检测

晶闸管三相整流主电路结构主要有以下几种：三相半波整流、三相桥式整流、用于高压的三相桥式整流、双反星形整流、双反星同相逆并联整流、三相桥式同相逆并联整流、三相桥式并联获12相脉波整流和三相桥式串联获12相脉波整流[4]。整流装置运行时，晶闸管本身损坏以及触发脉冲异常导致的晶闸管不导通或误导通都会使该晶闸管所在的整流桥臂发生故障以至于造成整流电压畸变。晶闸管变流装置各相采用多条支路并联后，虽满足了大功率负载的要求，但可能发生缺桥臂故障[5]。通过分析和提取几种晶闸管整流主电路结构在运行时各自的故障特征，将以上八种三相整流主电路结构分为串联式与并联式两类。

（1）以矩阵方式检测多个晶闸管快速熔断器状态

快速熔断器与被保护的整流元件串联，要求在元件热击穿前断开电路，从而保护整流元件、防止事故扩大[6]。以大功率整流装置的PLC监控系统为例，由继电器操作完成对主电路中快熔状态、桥臂温度、冷却水压力及温度状态等信号的采集和控制。功率较大的整流主电路需要串、并联较多数量的晶闸管才能达到额定容量的需求，因此在检测快熔熔断时，如果将每个晶闸管上的快熔状态都分配一个检测输入点到PLC模块，则需大量的输入点及数字量输入输出模块。基于上述状况，通过采用矩阵的检测方式可节省PLC开关量输入点的分配。具体可通过以下方式实现检测：将主电路上的每个桥臂定义为列报警（Y1，Y2，…，Ym），串联起来以常闭点输出；各桥臂上序号相同的快熔定义为行报警（X1，X2，…，Xn），串联起来以常开点输出。当某个快熔熔断时，首先确定其列数Yj，然后确定行数Xi，最终确定损坏快熔（XiYj）的位置[7]。

（2）整流电压波形检测法

三相半波整流、三相桥式整流、用于高压的三相桥式整流和三相桥式串联获得12相脉波整流为一类，归结为串联式主电路。此类主电路可以将整流波形转换为脉冲来判断故障。以三相桥式电路为例，判断依据是：每个工频周期六个桥臂上的晶闸管是否依次换流；当某一个桥臂故障时，则在一个工频周期上整流电压Ud的脉动次数小于六次。将整流波形转换成脉冲形式的电路如图4所示，其原理是通过微分电路将整流电压Ud的脉动波形变成所需的脉冲信号，通过光耦合在R2两端得到的方波电压UR2，UR2的脉冲前沿对应晶闸管的导通时刻。采集到的UR2波形为不规则的锯齿波，为了满足CPU对输入脉冲的要求，通过脉冲调节电路将UR2波形转换成规则的与触发脉冲具有相同宽度的脉冲。整流电压波形经过脉冲调节环节，变成和触发脉冲一一对应、宽度相同的窄脉冲。这些脉冲信号分别输入到CPU，并通过CPU内部的计数、定时和逻辑运算，及时准确的判断电路故障的类型和具体位置。对有支路并联的使用场合，可以将各个支路按照基础主电路模块做最小化处理，通过检测基础电路脉动波形的异常，将各基础电路模块的信息通过组态软件显示在上位机上，同样可以准确地检测整个主电路的故障。

图4 将三相桥式电路整流波形转换为脉冲

（3）网侧电流检测法

运用程序对检测到的整流变压器网侧的三相交流电流值进行实时计算，对比主电路正常状态时和整流臂故障状态时的网侧交流电流有效值的数值，判断整流臂故障。通过理论计算（以三相桥式电路为例），整流装置正常情况下与整流臂故障情况下，其网侧三相交流电流有效值一定不平衡，但是数值上的差异较小，借助计算机或微处理器从程序上对数值进行甄别，判定故障。双反星同相逆并联整流、三相桥式同相逆并联整流、三相桥式并联获得12相脉波整流和三相桥式串联获得12相脉波整流，这四种都属于并联式主电路。此类主电路结构（以三相桥式同相逆并联电路为例）整流臂故障的特点是：两组三相桥并联连接，当一组桥出现故障，另一组正常时，整流电压不会发生明显变化，当负载无变化时，整流电流也不会发生明显的变化；单组桥发生故障后，直流侧电压有微小变化，但波头不会缺失，该结构不宜采用直流电压波形分析方法；变压器网侧电流无明显变化，故障信息无法检测，因此不宜采用变压器网侧电流检测的方法。

4 总结

通过分析和调研整流装置中传统故障检测方法的特点，在此基础之上提出一些新颖的整流装置故障检测方法：

（1）脉冲字状态次序检测法和脉冲间相位差检测法准确反映触发脉冲的各项参数正常与否，有效地简化触发脉冲控制电路的设计。一般情况下，只需修改程序就可以准确地调节触发脉冲的参数；

（2）将矩阵检测法应用到晶闸管快熔熔断状态之上，最大可能地减少数字量输入点的使用，节省了主控芯片的I/O点的使用空间；

（3）应用整流电压波形检测法和网侧电流检测法能够实时、准确地反映整流后电压及电流的各项参数，以保证装置的正常运行。上位机记录并存储数据，为后来分析提供有利的参考。

通过相应的检测方法快速的发现晶闸管电路的故障，以便尽快地对故障进行处理。这些新检测方法力争简单可靠，用软件编程的检测方法来代替硬件检测电路并且有效的简化各硬件电路的设计。将这些方法依照各自的特点运用在不同特征的整流主电路结构上，以达到快速、高效、准确保护整流装置的目的[8]。

[1] 王兆安，张明勋.电力电子设备设计和应用[M].北京：机械工业出版社，2008.10.

[2] 燕敏婷，谢利理.大功率可控整流电路的故障诊断技术研究[J].计算机测量与控制，2008.16（4）.

[3] 刘力伟，黄霞.晶闸管电路与触发电路的相互影响[J].信阳师范学院学报（自然科学版），2003.1.

[4] 李宏.常用电力电子变流设备调试与维修基础[M].北京：科学出版社，2011.

[5] 申群太，林卫中.大功率晶闸管变流装置的缺支路保护电路[J].电力电子技术，1997.5.

[6] 舒茹.电解铝整流机组故障浅析[J].变流技术与电力牵引，2006.6.

[7] 章双满.用触摸屏监控的 PLC 组成矩阵加热模糊控制系统[J].机电工程，1999.

[8] 吴争荣，李晓明，张俊潇.大功率晶闸管电力开关常见故障的检测[J].电力系统.2004.