三相不可控整流桥的故障检测

闫文斌，陈 强，史绪龙，朱明岗，孙新志

（1.南方电网储能股份有限公司检修试验分公司，广东 广州511493；（2.广州擎天实业有限公司，广东 广州 510860）

0 引言

三相不可控整流电路广泛应用于电力、化工、钢铁、通讯、电气、铁道等行业[1]。三相不可控整流电路是利用二极管的单向导通性，用6 个二极管组成桥式电路，输出得到的脉冲直流电再通过平滑电容器的滤波从而得到平滑的直流电压，供后级的逆变器、斩波器等使用。如果整流装置出现问题，将直接引起整个系统的瘫痪。随着电力电子技术的高速发展，电压等级的进一步提高，对整流装置的可靠性提出了更高的要求[2]。因此，对整流装置进行故障检测是极其重要的。针对整流装置的故障问题，常用的神经网络诊断办法、模糊数学方法、小波分析方法等都是基于处理器芯片的软件算法。基于软件算法的方法对处理器芯片有一定要求，同时软件算法会占用处理器芯片中的大量资源。而本文通过对整流桥的故障分析总结，通过仿真分析提出了基于硬件的判断方法[3]。

1 基于Simulink 的整流电路故障分析

1.1 三相不可控整流电路的主电路

三相不可控整流电路主要元件是6 个大功率二极管，6 个二极管组成桥式电路。图1 为三相不可控整流电路的主电路，负载为电阻负载。电路所涉及的各部分元件介绍如下：Vs1、Vs2、Vs3 为三相电压，相角差为120°；D1、D2、D3、D4、D5、D6 为6 个二极管；R为负载。MATLAB 软件中的Simulink 提供了电力电子器件的许多模型仿真分析非常方便，下面用Simulink工具对整流电路的正常和故障情况进行分析。

图1 三相不可控整流桥的仿真电路图

对于三相不可控整流桥电路，正常工作时六个桥臂的二极管元件在一个工频周期中换相六次，因此Ud 的波形在一个工频周期中出现六次跳变，相位依次相差60°。如图2 所示，电压的波形是等分的六段电压构成。整流桥在上下桥中同时只有一个二极管导通，如D1 和D6 同时导通，直流侧电压等于Uab，下一次同时导通的二极管是D1 和D2，直流侧电压等于Uac。六个二极管按照D1-D2-D3-D4-D5-D6 顺序导通，对应整流输出的Ud 电压顺序为Uab-Uac-Ubc-Uba-Uca-Ucb。

图2 正常工作时电压波形

1.2 整流桥故障仿真分析

二极管元件开路或者损坏、串接熔断器熔断等故障，是不可控整流电路上常见的故障现象。这些现象都能通过输出电压Ud 直观的反映出来。通过Simulink 的仿真，对出现的故障进行了总结。

故障类型分为4 大类：

第一类故障：有一个二极管故障，又分为下面六种：D1 损坏、D2 损坏、D3 损坏、D4 损坏、D5 损坏、D6损坏。输出电压波形中有2 个波头缺失。

第二类故障：同一相电压上的两个二极管同时故障，又分为下面三种：D1 和D4 故障、D2 和D5 故障、D3 和D6 故障。输出电压波形中有4 个波头缺失，剩下的两个波头不连续分布。

第三类故障：同一半桥的两个二极管同时故障，又分为下面六种：D1 和D3 故障、D1 和D5 故障、D3和D5 故障、D4 和D6 故障、D4 和D2 故障、D6 和D2故障。输出电压波形有4 个波头缺失，剩下的两个波头连续分布。

第四类故障：上下桥电路中交叉的两个二极管同时故障，又分为下面六种：D1 和D2 故障、D1 和D6故障、D3 和D4 故障、D3 和D2 故障、D5 和D4 故障、D5 和D6 故障。输出电压波形中有3 个波头缺失。

由上述分析可知，整流二极管发生故障时，同一类型的故障输出电压波形，其仅在时间轴上相互平移。发生故障时，有波头缺失，同一类型波头缺失的数量相同，但是不同位置二极管损坏时，波头缺失的位置不同。

1.3 故障的定位方法

故障的判断方法如下：将输出电压波形的六个波头按照出现的先后顺序，按照每隔60°进行特定顺序的排列并编号。以D1 和D6 导通为开始，输出电压波形每隔60°的电压为Uab-Uac-Ubc-Uba-Uca-Ucb，并以此为特定顺序进行排列；同时通过硬件电路检测对应输出电压波头是否存在，然后和经过排列顺序的序列相与得到故障编码，进而准确判断出故障二极管的位置和数量。

2 硬件电路设计

故障判断的硬件方案主要有六个区间检测回路、整流装置输出电压波头判断电路组成。图3 为六个区间的检测回路电路图。图中A、B、C 为交流输入的三相电压即整流装置的输入电压，OP1、OP2、OP3 为运算放大器，Q1、Q2、Q3 为同或门，Q4、Q5、Q6 为非门、Q7 至Q12 为与门。运算放大器为正负15 V 供电，所以要求前端的三相电压采样幅值不能超过15 V。通过运放将三相电压进行比较得到Uac、Ucb、Uba 的电平信号，相角相差120°，再将得到的Uac、Ucb、Uba 的电平信号相互之间进行同或门输出，得到含有Uab、Uba、Ubc、Ucb、Uca、Uac 信息的三个电平信号，其中Uab、Uba 是一个信号，Ubc、Ucb 为一个信号，Uca 和Uac 为一个信号。Uab 和Uba 在同一周期中未分开，需要其他电路将其分开。具体做法是将得到的含有Uab 和Uba 信息的电平和从运放输出的电平进行与门得到Uba，经过非门后再相与得到Uab。Ubc 和Ucb，Uca 和Uac 经过相同的处理得到。如此在一个周期中得到了只有1/6 角度的Uab、Uac、Ubc、Uba、Uca、Ucb 六个单独的信号。这六个信号刚刚好对应整流桥输出电压的六个波头。电路中各个节点的逻辑电平变化如图4 所示。

图3 六个区间的检测回路电路图

图4 各节点的逻辑电平变化图

图5 是整流装置输出电压波头判断电路。电路中Ud 为整流装置输出电压，经过R1 和R2 分压送给Op 运放进行比较，比较器所使用的Vref为参考电压。运放需要电源才能工作，其中Ud 和Vref都是正电压，所以运算选取为15 V 供电。Vref参考电压的选取需要满足Vref 大于0 V，同时Vref小于整流桥换相时刻交流线电压幅值。根据交流电压的线电压表达式：

图5 整流装置输出电压波头判断电路

其中Ua为A相相电压有效值。分析三相整流桥可知，换相时刻α角为60°，所以Vref参考电压的幅值取值范围为：

根据实际测试和应用经验Vref参考值取值为角为30°时刻电压值，可取的良好效果。将比较器的输出结果分别和图2 中的Uab、Uac、Ubc、Uba、Uca、Ucb电平相与，如果有波头缺失，则对应与门输出为低电平，没有波头缺失则与门输出为高电平。另外，由于选用了30°时刻为参考值，则在一个对应的1/6 周波内会出现电压大于参考值和电压小于参考值两种情况，输出电平在相应1/6 周波内也会出现高低电平两种变化。因此在进行故障判断时需要规定只要出现逻辑低电平，就让低电平保持一个周波的时间。

通过上述电路可以判断出是否在一个周期中有波头缺失，在一个周期中缺失了几个波头。六个与门输出结果代表着一个周期中六个区间中的波头缺失情况，进而获得故障代码。由之前的仿真分析知道，不同的故障类型的故障代码不同，分析不同的故障代码就可以知道二极管故障的位置及个数[4]。从而准确、快速找到故障点，为生产和实验带来了极大的方便。

在工厂中曾经发生过整流桥故障导致系统不运行的情况，当时系统正常运行突然系统监控屏幕报告系统电压大幅波动，电压下降为原有电压的70%，经过800 ms 左右时间后，系统断路器跳闸、系统停机[5]。停机测试查找问题，初步判断为系统整流桥有故障，将整流桥直流侧断路器跳开，在阳极侧接入交流电，在整流装置直流侧接入电阻负载，同时将故障检测板接入，该故障检测板依据本文所述方法设计制作，随后在故障检测板上测得故障编码（001001），按照此故障编码对照故障代码表，准确定位为整流桥故障的第二类故障中的D1、D4 二极管损坏。其中图6 是测试故障整流桥对应整流侧的电压波形，图7 是在故障检测板上测得的对应故障编码波形，图8 为现场图片。应用本文所述方法准确定位出故障位置，为系统恢复运行争取了宝贵时间、为系统运行提供了有力保障。

图6 故障装置的整流侧波形

图7 故障装置对应故障编码波形

图8 现场图片

3 结论

本文介绍了一种用硬件方法检查三相不可控整流桥故障和判断功率元件故障位置的方法，给出了判断依据。此方法在试验及实际中得到了有效的验证。与软件算法判断故障的方法相比，它能够快速、准确的监控和判断故障位置，省去了复杂的软件算法和对计算芯片的需求，节约了硬件成本。与此同时，此方法仍适用于实验状态下对三相全控桥故障的判断及故障元件位置判断。