基于BP神經網絡的三相橋式全控整流電路的故障診斷

黃劍濤

摘要：隨著科技的發展，針對電子技術中的三相橋式全控整流電路中晶閘管容易出現的問題，提出了BP神經網絡以解決故障的方法。為了驗證此方法有效，利用Matlab軟件來對三相橋式全控整流電路建立仿真模型。仿真試驗可以得出BP神經網絡進行訓練的案例，進而得到所有類型的BP神經網絡結構的故障。

關鍵詞：BP神經網絡；三相橋式全空整流電路；Matlab仿真；故障診斷

中圖分類號：TM461 文獻標識碼：A 文章編號：1006-4311（2017）30-0218-02

0引言

對于電力電子電路來說，它最早出現的電路形式就是整流電路，而整流電路的應用非常廣泛，形式各有特色，可以進行交流電與直流間的轉化。而在這些類的整流電路當中，應用較為廣泛的是三相橋式全控整流電路，大多數情況下選擇整流器件的時候都會選擇晶閘管。然而，晶閘管在電力電子器件當中，是一種較為容易被損壞的器件，同時加之電力電子設備中擁有數量眾多的晶閘管，故而確定哪一個壞了就是一件非常耗時、費力的工作。那么，如何準確快速的找到電力電子設備中器件所發生的具體故障，是很多國內外學者一直長期致力于研究的事項。而在本文中的電力電子技術知識就是對故障建立BP神經網絡，從而進一步確定故障是何種類別。另外，對于較為復雜的非線性時變系統的三相橋式的全控整流電路來說，普通的分析和建模十分不易，在這種情況下，只能利用Matlab仿真軟件來仿真三相橋式全控整流電路和故障模型。

1仿真三相橋式全控整流電路的故障分析

1.1分析三相橋式全控整流電路的構成情況

三相橋式全控整流電路構成主要包括6路觸發脈沖、負載以及整流變壓器等，建立仿真三相橋式全控整流電路模型時需借助Matlab/Simulink以及SimPowerSystem，具體如圖1所示。

電路中的負載均使用純電阻，采用odel5s（stiff/NDF）進行仿真計算，在無異常的情況下，負載電壓的波形圖具體如圖2所示，從圖中得出電壓的波形圖形是六段電壓所構成的。

1.2晶閘管故障仿真分析

因為Matlab軟件的功能非常強大，將其用在電力系統的仿真方面就能有十分好的靈活性與方便性。本文仿真各類故障時正是借助此種優勢，按照負載兩端的電壓波形的不同，可將故障分為5種：

第一種：上半橋抑或是下半橋的3只管子全部損壞，這時所輸出的波形是一個零直線。

第二種：1只管子損壞，又能分成下面六種狀況：一是VT1損壞；二是VT2損壞；三是VT3損壞；四是VT4損壞；五是VT5損壞：六是VT6損壞。如果整流電路里面僅有1只管子損壞的情況下，穩定的電壓波形在每一周期內都出現4段線電壓，比未發生故障的時候少2段。不過對不同的管子而言，第1個完整的周期內4段線電壓所出現的時間并不一樣。

第三種：同1個橋臂的2只管子損壞，能分成下面三種狀況：一是VT1和VT4損壞：二是VT2和VT5損壞：三是VT3和VT6損壞。如果在整流電路內同1個橋臂里的2只管子損壞的情況下，穩定的電壓波形在每一周期里面會出現不連續的2段線電壓，比沒有發生故障的時候少4段。不過對不同的故障而言，第1個完整的周期里2段線電壓所出現的時間并不相同。

第四種：同1半橋的2只管子損壞，能分成下面六種狀況：一是VT1和VT3損壞：二是Vq2和VT4損壞：三是VT3和VT5損壞：四是VT4和VT6損壞：五是VT1和VT5損壞：六是VT2和VT6損壞。如果在整流電路里的同1橋臂的2只管子損壞的情況下，穩定的電壓波形在每1周期內會出現連續的2段線電壓，比沒有發生故障的時候少4段。不過對不同的故障而言，第1個完整的周期內2段線電壓所出現的時間也不相同。

第五種：不同半橋交叉的2只管子損壞，能分成下面六種狀況：一是VTl和VT2損壞：二是VT2和VT3損壞：三是VT4和VT5損壞：四是VT5和VT6損壞：五是VT1和VT6損壞：六是VT3和VT4損壞。如果在整流電路內不同半橋交叉的2只管子損壞的情況下，穩定的電壓波形在每一周期厘米會出現連續3段線電壓，比沒有發生故障的時候少3段。然而對于不同故障來說，第1個完整的周期內的3段線電壓所出現的時間并不一致。

2 BP神經網絡的構建

通常BP神經網絡由輸入層、隱層以及輸出層3層所構建。對具體問題要是再在確定輸入及輸出變量以后，網絡輸入層以及輸出層的結點個數亦可相應的確定，則確定1個3層BP神經網絡的重點就集中在確定隱層的層數與每1層結點的數量。對隱層的層數來說可以先考慮僅選1層，同時從仿真結果能夠看到，對本文的故障診斷來說，1層足以能夠滿足要求還可有效避免網絡的復雜性。

面對在第1種故障的情況，無需BP神經網絡參與即可診斷出結果。但面對后4種故障，如下表1所示，需要分析輸出電壓波形特征才能判斷其屬于何種故障。由此可知，在判斷故障類型的時候無需BP網絡參與，但在具體判斷某類故障屬于哪些管子損壞造成的時候，就能夠依靠1個簡單的3層BP神經網絡予以診斷。

對于第2類故障來說，可以得出只有一只管子發生了損壞。具體有6種情況，依然把4段線出現電壓最大值的時刻當做是特征信息，那么輸入層的結點數S1=4，借助二進制數區分具體哪個管子發生了損壞。因此S3=3。后3類故障同理可得。第3類、4類、5類故障都是2只管子發生損壞，但具體情況不同，第三類故障S1=3、S3=2，而第4類故障S1=2、S3=3：第5類故障S1=3、S3=3。

3分析網絡的訓練

3.1提取訓練樣本

本文對于第2類故障主要是把4段線出現電壓最大值的時刻記做特征信息，仿真測試6種不同情況，所得到的訓練樣本具體如表2所示。

3.2網絡訓練

對于第2，3，4，5類的故障來說，為了確定管子損壞的具體情況，以下一共建立了4個三層的BP神經網絡。以下繼續以第2類故障為例子來進行說明，如何確定網絡隱層結點的個數以及訓練的具體情況。2類故障網絡的參數為：S1=4，S3=3，lr=0.05，期望誤差最小值E=0.01的前提，不同隱層結點數的網絡情況如表3所示。

3.3對網絡進行測試

如果在一個三相全控橋式的整流電路當中，通過輸出電壓波形出現電壓情況可以判斷第二類故障的一個管子壞了，即，一個周期出現4段線電壓。然后通過觀看示波設備中完整周期電壓出現的時刻，例如：Pc=[0.120.160.180.20]，T是通過二類故障所診斷的BP神經網絡來得出一個3位輸出信號Te=[0.05-0.18461.0739]^T，這樣就可以根據以下原則進行歸一化處理：如果輸出的信號在取某位時大于或者等于0.5的時候是1，小于0.5的時候是0。那么就可得到輸出的信號Tee=[001]^T，把這個和表

2進行對照就可以知道VT1管子哪一個損壞。

4結語

綜上所述，本文為了驗證故障診斷結果是否正確，因此，利用Matlab/Simulink技術建立仿真模型，主要是針對三相橋式全控整流電路而言，仿真實驗可以得出對于BP神經網絡下的故障診斷的相關方法。與此同時，此法仍適用于診斷電力電子電路方面所出現的故障分析。endprint