基于电压波形分析的三相不控整流装置故障诊断

朱 威，阳习党，肖 欢，余锡文

（海军工程大学舰船综合电力技术国防科技重点实验室，武汉 430033）

基于电压波形分析的三相不控整流装置故障诊断

朱 威，阳习党，肖 欢，余锡文

（海军工程大学舰船综合电力技术国防科技重点实验室，武汉 430033）

提出了一种基于整流二极管电压波形分析的三相不可控整流装置故障诊断算法。对三相不可控整流装置在正常和故障情况下整流二极管两端的电压波形进行了解析分析，得到两种情况下整流二极管两端波形的解析表达式。通过仿真验证了理论推导的正确性并指出整流二极管在故障前后的电压波形变化规律。提出利用电压波形的正向特征值作为故障诊断特征函数，最后由试验验证了该故障诊断方法的有效性。该方法可推广应用于其他六相以上不可控整流装置。

三相不控整流 故障诊断 电压波形分析

0 引言

整流装置作为交直流用电设备之间的功率变换纽带，在电机和电气传动等领域中有着广泛的应用，因此对整流器等电力电子装置的可维护性和故障诊断技术的要求也越来越高。当整流装置中功率器件发生故障时，装置的拓扑结构变化会导致输出发生改变，从而使整个系统性能降低并可能进一步带来其他故障。因而，如何对电力电子装置故障进行快速检测并准确定位是当前研究的热点[1-4]。

三相不可控整流装置故障一般为整流二极管开路和短路故障两类。整流二极管短路故障会造成电源线电压短路，使得整流二极管或保护熔断器很快烧毁进而发生开路故障[5]。当前对三相不控整流装置故障诊断一般通过整流装置输出直流侧电压结合特征提取和模式识别理论进行研究。肖迎群等通过小波分形分析和主元分析，采用脊波网络进行故障分类，实现了三相整流桥的故障诊断[6]。周海峰等将主元分析和支持向量机向结合提出一种三相整流装置的故障诊断方法[7]。田质广等利用小波包提取整流装置直流输出电压在全频带能量特征值，并以此构造故障模式向量用神经网络实现三相整流装置的故障分类和定位[8]。M. Rahiminejad等将三相不可控整流桥输出直流电压脉动和相电流相结合，提出一种整流二极管开路故障诊断方法[9]。由于直流侧输出电压诊断信息有限，这些故障诊断方法都只能实现故障模式分类，无法对发生故障的整流二极管进行准确定位。

本文针对三相不可控整流装置，提出一种基于整流二极管电压波形解析分析的故障诊断方法。首先对三相不可控整流装置在正常和故障模式下整流二极管两端电压波形进行推导分析，然后通过仿真验证得出整流二极管在故障前后的变化规律。利用整流二极管的正向电压特性提出基于电压波形正向特征值的故障诊断算法，并通过试验验证该方法的有效性。该方法对其他六相及以上的不可控整流装置同样适用，可以推广应用于其他电力电子装置的故障诊断。

1 三相不控整流装置

1.1 三相不控整流装置原理

三相不控整流装置拓扑结构如图1所示。

图1 三相不控整流装置结构图

假设电网为理想三相交流电源，相电压为

式（1）中，Us为相电压有效值。线电压与相电压相差π/6，故有：

为便于分析，将晶闸管按图1所示编号。分析过程中不考虑换向重叠角，线电压最大的一组二极管导通。根据式（2）可知，初始时刻ucb最大，因此D5-D6先导通，功率元件的依次导通顺序为：D5-D6, D1-D6, D1-D2, D3-D2, D3-D4, D5-D4。

1.2 整流二极管两端电压测量

三相不控整流装置中整流二极管两端电压波形测量原理如图2所示。高压信号经过分压电路，通过分时复用经隔离运放送到中央控制器的A/D端口进行测量。6个整流二极管共用一个隔离运放和一个A/D端口，可以有效地节省硬件资源。

图2 整流二极管两端电压测量

2 整流二极管电压波形分析

本节对三相不可控整流装置在正常和故障状态下的整流二极管两端电压波形进行分析。考虑到4个整流二极管断开时，三相整流桥已无法工作，本节对3个及以下数量整流二极管开路时两端电压波形变化进行分析。

2.1 整流装置正常状态下整流二极管电压波形分析

当所有的整流二极管处于正常的工作状态时，如图 3所示，三相交流相电压ua、ub、uc相差2π/3，线电压uab、uac、ubc、uba、uca、ucb依次相差π/6，线电压最大的一组二极管导通。取二极管 D1两端的电压为例进行分析，其他二极管两端的电压与此类似。

表1 三相整流桥一个周期内导通关系

图3 整流装置正常情况下整流二极管两端电压分析

因此，在正常状态下D1两端的电压uD1可以表示为（3）式。

将式（3）中uD1写成傅里叶级数表达式：

un和φn可以借助于Matlab工具求得如表2所示。其中：A0的值为：

表2 uD1(t)解析表达式系数计算结果

由（4）式可以求得uD1(t)的解析表达式为：

图4 正常情况下整流二极管D1两端电压波形uD1

2.2 单个整流二极管断开时电压波形分析

任意一个二极管开路对交直流侧波形的影响是一样的，以 D1管开路为例进行分析。如图 3所示，当D1管开路时，ua在正半周期无法导通。在时区Ⅰ内，uc最正，此时 c相D5导电。同时由于ub最负，b相D6导电，电流id经过D5流向电位最低点 b点。因此，时区Ⅰ的 P点电位为uc，N点电位为ub，整流电压。由于 D1开路，D5-D6导通，P点的电位为uc，a点的电位为ua，所以D1两端的电压在时区Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ、Ⅴ、Ⅵ可作类似分析。

在Ⅰ～Ⅵ完整周期内，三相整流桥对应导通二极管、直流输出电压和二极管 D1电压关系如表3所示。因此，在正常状态下D1两端的电压uD1可以表示为

将式（6）中uD1写成傅里叶级数表达式可以求得uD1(t)的解析表达式为：

2.3 两个整流二极管断开时电压波形分析

对三相整流桥而言，两个整流二极管断开故障有同极性的两个二极管断开、异极性两个二极管断开和同一桥臂上两个二极管断开三种情况，需要分别进行分析。

当同极性两个二极管断开故障时，以 D1和D3断开为例。图3中ua和ub正半周期无法导通，在时区Ⅰ内，此时c相D5和b相D6导电，P点电位为uc，N点电位为ub，整流。在时区Ⅱ、Ⅲ中，由于三相整流器不存在导通的回路，因此直流输出电压为0，其电路可以等效为图6。从图6可以看出，D5和D2反并联相接，相当于一根导线，因此在时区Ⅱ、Ⅲ中D5-D2导通，此时二极管D1两端的电压为uca，二极管D3两端的电压为ucb。

表3 单管故障时三相整流桥一个周期内导通关系

图5 单管故障时整流二极管D1两端电压波形uD1

由于在任何时区中， D1一直开路，D5一直导通，所以P点的电位为uc，a点的电位为ua，D1两端的电压

当三相整流桥中异极性两个二极管开路时，以D1和D6开路为例。图3中ua在正半周期无法导通，ub在负半周期无法导通。时区Ⅰ、Ⅵ中，由于三相整流器不存在导通的回路，此时直流输出电压为0。D5和D2反并联相接，相当于一根导线，此时二极管D1两端的电压为uca，二极管D6两端的电压为ucb。在时区Ⅱ内，ub最正，故b相D3导电，同时uc最负，故c相D2导电。此时电流id经过D3流向电位最低点b点，P点电位为ub，N点电位为uc，D1两端的电压在时区Ⅲ、Ⅳ、Ⅴ内可作类似分析。因此在Ⅰ～Ⅵ完整周期内，三相整流桥对应导通二极管、直流输出电压和二极管D1电压关系如表4所示，可以看出uD1和单管开路故障时的波形是一样的。

表4 异极性两管断开时三相整流桥一个周期内导通关系

当三相整流桥同一桥臂上两个二极管断开时，以D1和D4管断开为例，此时三相整流电路变为单相全波整流。在线电压ubc的正半周期，D3和D2受正向电压导通D5和D6反压截止，直流电压。在线电压ubc的负半周期，D5和D6受正向电压导通， D3和D2受反压截止，直流电压在时区Ⅰ中，由于D3-D2导通，P点的电位为uc，a点的电位为ua，故D1两端的电压在时区Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ、Ⅴ、Ⅵ内可作类似分析得出，uD1和单管开路故障时的波形是一样的。因此对三相整流桥两个整流二极管断开的三种故障情况，整流二极管两端 D1的电压波形数值解和仿真如图7所示。

图6 双管故障时三相整流桥等效电路图

图7 双管故障时整流二极管D1两端电压uD1波形

2.4 三个整流二极管断开时电压波形分析

对三相整流桥而言，三个整流二极管断开故障有三种情况：

1)三个二极管为同极性，同为上管或同为下管。

2)三个二极管有两个二极管同桥臂，其他一个管子为另外两个桥臂的上管或者下管。

3)三个二极管非同极性，且均分在三个不同桥臂中。

当三相整流桥同极性三个二极管开路时，整流桥内没有电流通过，二极管两端电压为浮电压。当三相整流桥两个上管开路，第三个桥臂一个下管开路，以D1、D3、D2断开为例。由于三相整流桥只可能是D5-D6或者D5-D4导通，对D1管而言，D5在任何时区内总是导通的，故 P点的电位为uc，a点的电位为ua，故D1两端的电压。当三相整流桥同一桥臂两个二极管开路，其他任意管开路，以D1、D4、D3断开为例。同理，此时三相整流桥相当于单相半波不控整流，D5和D2反并联相接，相当于一根导线。P点的电位为uc，D1两端的电压。对三相整流桥三个整流二极管断开的故障，整流二极管 D1两端的电压波形数值解和仿真如图8所示

图8 三管故障时整流二极管D1两端电压波形uD1

3 三相不可控整流装置故障诊断

通过第二节中对三相整流桥整流二极管两端电压波形的分析可知，在正常工作状态下，二极管导通时，其两端电压约为 0，实际电压为二极管的正向导通电压值；二极管截止时，二极管两端电压为反向电压。但是当二极管出现开路故障时，其两端电压除反向电压以外，还出现一段正向电压，该正向电压远大于约为0的正向导通电压。因此，对三相不可控整流桥的故障诊断可以依据整流二极管两端的电压特性作为判断故障的依据，并构造特征函数如下:

从而可得到反应整流元件状态的特征值为

在故障诊断时，若三相整流桥中整流二极管两端的电压出现了正向电压，就对其取绝对值并积分，如果λ＞S（S为常数，根据实际仿真和实验测得），则第i个元件处于开路故障状态。实际中防止干扰，可以多采样几个周期，并取平均值。图9为D1开路时进行的故障诊断仿真，可以看出该方法能够很好地对两种状态进行区分。

图9 对D1开路状态进行故障诊断仿真

4 试验验证

以三相380 V交流电为输入相电压，搭建三相不可控整流桥试验平台。对整流桥中二极管采用图2所示的采样电路，在正常和故障状态下对整流二极管两端实际电压波形进行采样。

从图9可以看出，当整流二极管正常工作时，由于二极管单相导电性，正向电压非常小，接近于0，如图中（a）所示；当二极管处于断开状态时，在二极管原导通时间区间内出现较大的正向电压，如图中（b）-（f）所示。注意图9中示波器在采样时，二极管两端电压正负反向，电压衰减100倍。因此，实际试验波形能够很好地验证论文第2部分的推导和第3部分故障诊断仿真。实际应用中，需根据相电压、电路的分压比例、采样周期和频率来设置故障判断的阀值。在本文试验中，采样长度取0.1 s，采样频率为600 Hz，电压衰减100倍时，发生（b）-（f）所示故障时实际计算二极管正向电压累加值为1.9～2 V，而正常时为0.07 V，两者差别非常大。如果设定故障判断电压阀值为1.2 V，显然可以能够很好地进行故障定位。

图9 整流二极管D1在正常和故障情况下的两端电压波形uD1

5 结论

本文针对传统三相不可控整流装置，提出一种基于整流二极管两端电压波形分析故障诊断方法。首先由理论分析和仿真验证指出整流二极管两端电压波形在故障前后的变化规律，然后通过故障诊断特征函数计算电压波形在故障前后的正向电压变化特征值，最后试验验证了故障诊断算法的有效性。该故障算法简单可靠，可以推广于其他多相不可控整流系统的在线检测、故障诊断应用中。

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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

国家自然科学基金项目（编号：51407189）

朱威（1982-），男，博士生。研究方向：电气自动化。E-mail：weird517@hotmail.com