晶閘管整流裝置的幾種故障處理方法淺析

陳少東 李 宏

（西安石油大學(xué)，陜西 西安 710065）

0 引言

在大功率整流裝置中，整流主電路與觸發(fā)脈沖控制電路的故障發(fā)生率居多，故障類型也有很多種。整流主電路故障包括主電路過電壓、欠壓、過電流、短路、過熱、水循環(huán)冷卻系統(tǒng)水壓水溫失常以及功率器件的損壞；觸發(fā)脈沖控制電路常見故障主要有脈沖缺失、脈沖相序錯(cuò)誤等[1，2]。本文針對(duì)上述故障，提出合理且準(zhǔn)確的故障檢測(cè)及處理方法，通過應(yīng)用對(duì)整流裝置發(fā)生的故障進(jìn)行預(yù)見性的故障檢測(cè)和處理，可以有效的保證裝置的穩(wěn)定運(yùn)行。

1 觸發(fā)脈沖的故障檢測(cè)

在晶閘管整流裝置中，控制晶閘管導(dǎo)通的觸發(fā)脈沖以雙窄脈沖形式為主。常見的觸發(fā)脈沖故障有以下兩種：脈沖相序錯(cuò)、脈沖丟失。另外，晶閘管電路對(duì)脈沖觸發(fā)電路也是有一定影響的。晶閘管整流電路與觸發(fā)電路的相互影響，與晶閘管工作時(shí)外部因素以及內(nèi)部載流子運(yùn)動(dòng)有關(guān)[3]。整流裝置運(yùn)行時(shí)若某相觸發(fā)脈沖丟失，則對(duì)應(yīng)的單個(gè)晶閘管或整組橋臂上的晶閘管就無法導(dǎo)通，整流輸出電壓明顯降低，影響負(fù)載正常工作。因此需要對(duì)觸發(fā)脈沖的各參數(shù)（脈沖幅值、脈沖相位、雙窄脈沖間隔時(shí)間等）進(jìn)行在線檢測(cè)。通過檢測(cè)觸發(fā)脈沖的各項(xiàng)參數(shù)值，可以判定觸發(fā)脈沖的品質(zhì)優(yōu)劣。以下是兩種觸發(fā)脈沖故障檢測(cè)方法。

（1）脈沖字狀態(tài)次序檢測(cè)法

對(duì)于一個(gè)具體的脈沖觸發(fā)電路而言，其觸發(fā)脈沖的狀態(tài)和次序是確定的。因此，可以采用一種檢測(cè)方法：在一個(gè)完整的脈沖周期內(nèi)驗(yàn)證采樣脈沖字（圖1所示：六路觸發(fā)脈沖分別對(duì)應(yīng)一個(gè)數(shù)據(jù)字節(jié)的D0～D5位，D6、D7缺省為0，構(gòu)成一個(gè)脈沖字）的狀態(tài)次序和已知的狀態(tài)次序是否一致，從而驗(yàn)證觸發(fā)脈沖是否正常。圖2所示為用脈沖字表示整流觸發(fā)脈沖序列，不出現(xiàn)脈沖對(duì)應(yīng)為00H，脈沖狀態(tài)依次出現(xiàn)的次序?yàn)?：00H，03H，00H，06H，00H，0CH，00H，18H，00H，30H，00H，21H，00H，03H。

圖1 六路觸發(fā)脈沖與脈沖字對(duì)應(yīng)關(guān)系示意圖

圖2 用脈沖字表示整流觸發(fā)脈沖序列示意圖

（2）脈沖間相位差檢測(cè)法

在一個(gè)工頻周期中，每一相觸發(fā)脈沖的第一個(gè)脈沖P1由該相觸發(fā)單元發(fā)出，隔60°相位的第二個(gè)脈沖P2由滯后60°相位的后一相觸發(fā)單元補(bǔ)發(fā)。如圖3所示（以示波器顯示橫縱坐標(biāo)為主，縱坐標(biāo)為幅值，橫坐標(biāo)為時(shí)間）：P1與P2之間的相位關(guān)系反映雙窄脈沖的間隔，而P2與下一個(gè)P1的間隔又反映了相鄰相脈沖之間的相位關(guān)系。

圖3 雙窄脈沖整流觸發(fā)脈沖序列示意圖

依據(jù)上述雙窄觸發(fā)脈沖間隔的相位差特征來檢測(cè)觸發(fā)脈沖的狀態(tài)，提出脈沖間相位差檢測(cè)法：通過測(cè)量各相脈沖的幅值和脈沖間的相位差（包括雙窄脈沖之間的間隔）判斷觸發(fā)脈沖的故障類型。該方法的關(guān)鍵之處是要保證對(duì)每相脈沖的測(cè)量都從P1開始。當(dāng)選定相的觸發(fā)脈沖幅值正常，相位間的誤差不大時(shí)，系統(tǒng)開始時(shí)刻與脈沖序列存在下列對(duì)應(yīng)的時(shí)序關(guān)系：在P1到來之后，P2到來之前，對(duì)應(yīng)圖3中的t1時(shí)段；在P2到來之后，下一個(gè)P1到來之前，對(duì)應(yīng)圖3中的t2時(shí)段。相位差對(duì)應(yīng)的時(shí)間差值的換算關(guān)系根據(jù)具體的觸發(fā)電路控制芯片選用的晶振來確定。設(shè)一相正常雙窄脈沖間的相位差對(duì)應(yīng)時(shí)間差值是T1（即一組雙窄脈沖中P1的脈沖前沿與P2的脈沖前沿間的60°相位角所對(duì)應(yīng)的時(shí)間差值），P2與下一個(gè)P1間的相位差對(duì)應(yīng)時(shí)間差值設(shè)為T2。當(dāng)檢測(cè)到第一個(gè)脈沖，此時(shí)無法判斷該脈沖是P1還是P2，通過啟動(dòng)計(jì)時(shí)器計(jì)時(shí)，并等待下一個(gè)脈沖信號(hào)。在下一脈沖到來時(shí)，程序讀取計(jì)時(shí)器，得到兩脈沖的間隔時(shí)間，如果這個(gè)時(shí)間差值接近或等于T1，則確定所測(cè)到的兩個(gè)脈沖依次是P1和P2；如果這個(gè)時(shí)間差值介于T2左右，則判定這兩個(gè)脈沖依次是P2和P1，程序繼續(xù)等待下一個(gè)脈沖P2的到來。

如若在這個(gè)過程中測(cè)得的脈沖序列不符合上述時(shí)序關(guān)系，則可判斷選定的那相存在脈沖錯(cuò)誤，通過脈沖序列的時(shí)序特征可以判斷其故障類型（注：T1、T2、T3表示通過換算公式計(jì)算得出的數(shù)值，t表示觸發(fā)脈沖之間的相位差變量）：

1）脈沖相位錯(cuò)故障

正常情況下雙窄脈沖之間的間隔是60°，對(duì)應(yīng)時(shí)間差值是T1，考慮到整流裝置的調(diào)整誤差，則相位差故障特征所對(duì)應(yīng)的時(shí)序特征是t ＜ T1或T1＜ t ＜T2；

2）脈沖丟失故障

程序在選定某相脈沖信號(hào)，通過計(jì)時(shí)器計(jì)時(shí)。失脈沖故障的時(shí)間特征是計(jì)時(shí)器計(jì)時(shí)超過T3+T2后仍未測(cè)得脈沖信號(hào)。

為避免由于整流系統(tǒng)在移相時(shí)引起的脈沖間隔時(shí)間的變化使監(jiān)測(cè)裝置誤判為故障，在故障判斷程序中對(duì)每相脈沖按故障類型設(shè)置一組故障計(jì)數(shù)器，若連續(xù)5個(gè)測(cè)量周期都測(cè)得同一故障，則發(fā)故障報(bào)警信號(hào)，否則將故障計(jì)數(shù)器清零。

2 晶閘管整流裝置主電路結(jié)構(gòu)的故障檢測(cè)

晶閘管三相整流主電路結(jié)構(gòu)主要有以下幾種：三相半波整流、三相橋式整流、用于高壓的三相橋式整流、雙反星形整流、雙反星同相逆并聯(lián)整流、三相橋式同相逆并聯(lián)整流、三相橋式并聯(lián)獲12相脈波整流和三相橋式串聯(lián)獲12相脈波整流[4]。整流裝置運(yùn)行時(shí)，晶閘管本身損壞以及觸發(fā)脈沖異常導(dǎo)致的晶閘管不導(dǎo)通或誤導(dǎo)通都會(huì)使該晶閘管所在的整流橋臂發(fā)生故障以至于造成整流電壓畸變。晶閘管變流裝置各相采用多條支路并聯(lián)后，雖滿足了大功率負(fù)載的要求，但可能發(fā)生缺橋臂故障[5]。通過分析和提取幾種晶閘管整流主電路結(jié)構(gòu)在運(yùn)行時(shí)各自的故障特征，將以上八種三相整流主電路結(jié)構(gòu)分為串聯(lián)式與并聯(lián)式兩類。

（1）以矩陣方式檢測(cè)多個(gè)晶閘管快速熔斷器狀態(tài)

快速熔斷器與被保護(hù)的整流元件串聯(lián)，要求在元件熱擊穿前斷開電路，從而保護(hù)整流元件、防止事故擴(kuò)大[6]。以大功率整流裝置的PLC監(jiān)控系統(tǒng)為例，由繼電器操作完成對(duì)主電路中快熔狀態(tài)、橋臂溫度、冷卻水壓力及溫度狀態(tài)等信號(hào)的采集和控制。功率較大的整流主電路需要串、并聯(lián)較多數(shù)量的晶閘管才能達(dá)到額定容量的需求，因此在檢測(cè)快熔熔斷時(shí)，如果將每個(gè)晶閘管上的快熔狀態(tài)都分配一個(gè)檢測(cè)輸入點(diǎn)到PLC模塊，則需大量的輸入點(diǎn)及數(shù)字量輸入輸出模塊。基于上述狀況，通過采用矩陣的檢測(cè)方式可節(jié)省PLC開關(guān)量輸入點(diǎn)的分配。具體可通過以下方式實(shí)現(xiàn)檢測(cè)：將主電路上的每個(gè)橋臂定義為列報(bào)警（Y1，Y2，…，Ym），串聯(lián)起來以常閉點(diǎn)輸出；各橋臂上序號(hào)相同的快熔定義為行報(bào)警（X1，X2，…，Xn），串聯(lián)起來以常開點(diǎn)輸出。當(dāng)某個(gè)快熔熔斷時(shí)，首先確定其列數(shù)Yj，然后確定行數(shù)Xi，最終確定損壞快熔（XiYj）的位置[7]。

（2）整流電壓波形檢測(cè)法

三相半波整流、三相橋式整流、用于高壓的三相橋式整流和三相橋式串聯(lián)獲得12相脈波整流為一類，歸結(jié)為串聯(lián)式主電路。此類主電路可以將整流波形轉(zhuǎn)換為脈沖來判斷故障。以三相橋式電路為例，判斷依據(jù)是：每個(gè)工頻周期六個(gè)橋臂上的晶閘管是否依次換流；當(dāng)某一個(gè)橋臂故障時(shí)，則在一個(gè)工頻周期上整流電壓Ud的脈動(dòng)次數(shù)小于六次。將整流波形轉(zhuǎn)換成脈沖形式的電路如圖4所示，其原理是通過微分電路將整流電壓Ud的脈動(dòng)波形變成所需的脈沖信號(hào)，通過光耦合在R2兩端得到的方波電壓UR2，UR2的脈沖前沿對(duì)應(yīng)晶閘管的導(dǎo)通時(shí)刻。采集到的UR2波形為不規(guī)則的鋸齒波，為了滿足CPU對(duì)輸入脈沖的要求，通過脈沖調(diào)節(jié)電路將UR2波形轉(zhuǎn)換成規(guī)則的與觸發(fā)脈沖具有相同寬度的脈沖。整流電壓波形經(jīng)過脈沖調(diào)節(jié)環(huán)節(jié)，變成和觸發(fā)脈沖一一對(duì)應(yīng)、寬度相同的窄脈沖。這些脈沖信號(hào)分別輸入到CPU，并通過CPU內(nèi)部的計(jì)數(shù)、定時(shí)和邏輯運(yùn)算，及時(shí)準(zhǔn)確的判斷電路故障的類型和具體位置。對(duì)有支路并聯(lián)的使用場(chǎng)合，可以將各個(gè)支路按照基礎(chǔ)主電路模塊做最小化處理，通過檢測(cè)基礎(chǔ)電路脈動(dòng)波形的異常，將各基礎(chǔ)電路模塊的信息通過組態(tài)軟件顯示在上位機(jī)上，同樣可以準(zhǔn)確地檢測(cè)整個(gè)主電路的故障。

圖4 將三相橋式電路整流波形轉(zhuǎn)換為脈沖

（3）網(wǎng)側(cè)電流檢測(cè)法

運(yùn)用程序?qū)z測(cè)到的整流變壓器網(wǎng)側(cè)的三相交流電流值進(jìn)行實(shí)時(shí)計(jì)算，對(duì)比主電路正常狀態(tài)時(shí)和整流臂故障狀態(tài)時(shí)的網(wǎng)側(cè)交流電流有效值的數(shù)值，判斷整流臂故障。通過理論計(jì)算（以三相橋式電路為例），整流裝置正常情況下與整流臂故障情況下，其網(wǎng)側(cè)三相交流電流有效值一定不平衡，但是數(shù)值上的差異較小，借助計(jì)算機(jī)或微處理器從程序上對(duì)數(shù)值進(jìn)行甄別，判定故障。雙反星同相逆并聯(lián)整流、三相橋式同相逆并聯(lián)整流、三相橋式并聯(lián)獲得12相脈波整流和三相橋式串聯(lián)獲得12相脈波整流，這四種都屬于并聯(lián)式主電路。此類主電路結(jié)構(gòu)（以三相橋式同相逆并聯(lián)電路為例）整流臂故障的特點(diǎn)是：兩組三相橋并聯(lián)連接，當(dāng)一組橋出現(xiàn)故障，另一組正常時(shí)，整流電壓不會(huì)發(fā)生明顯變化，當(dāng)負(fù)載無變化時(shí)，整流電流也不會(huì)發(fā)生明顯的變化；單組橋發(fā)生故障后，直流側(cè)電壓有微小變化，但波頭不會(huì)缺失，該結(jié)構(gòu)不宜采用直流電壓波形分析方法；變壓器網(wǎng)側(cè)電流無明顯變化，故障信息無法檢測(cè)，因此不宜采用變壓器網(wǎng)側(cè)電流檢測(cè)的方法。

4 總結(jié)

通過分析和調(diào)研整流裝置中傳統(tǒng)故障檢測(cè)方法的特點(diǎn)，在此基礎(chǔ)之上提出一些新穎的整流裝置故障檢測(cè)方法：

（1）脈沖字狀態(tài)次序檢測(cè)法和脈沖間相位差檢測(cè)法準(zhǔn)確反映觸發(fā)脈沖的各項(xiàng)參數(shù)正常與否，有效地簡化觸發(fā)脈沖控制電路的設(shè)計(jì)。一般情況下，只需修改程序就可以準(zhǔn)確地調(diào)節(jié)觸發(fā)脈沖的參數(shù)；

（2）將矩陣檢測(cè)法應(yīng)用到晶閘管快熔熔斷狀態(tài)之上，最大可能地減少數(shù)字量輸入點(diǎn)的使用，節(jié)省了主控芯片的I/O點(diǎn)的使用空間；

（3）應(yīng)用整流電壓波形檢測(cè)法和網(wǎng)側(cè)電流檢測(cè)法能夠?qū)崟r(shí)、準(zhǔn)確地反映整流后電壓及電流的各項(xiàng)參數(shù)，以保證裝置的正常運(yùn)行。上位機(jī)記錄并存儲(chǔ)數(shù)據(jù)，為后來分析提供有利的參考。

通過相應(yīng)的檢測(cè)方法快速的發(fā)現(xiàn)晶閘管電路的故障，以便盡快地對(duì)故障進(jìn)行處理。這些新檢測(cè)方法力爭(zhēng)簡單可靠，用軟件編程的檢測(cè)方法來代替硬件檢測(cè)電路并且有效的簡化各硬件電路的設(shè)計(jì)。將這些方法依照各自的特點(diǎn)運(yùn)用在不同特征的整流主電路結(jié)構(gòu)上，以達(dá)到快速、高效、準(zhǔn)確保護(hù)整流裝置的目的[8]。

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