三相不可控整流橋的故障檢測

閆文斌，陳 強，史緒龍，朱明崗，孫新志

（1.南方電網儲能股份有限公司檢修試驗分公司，廣東 廣州511493；（2.廣州擎天實業有限公司，廣東 廣州 510860）

0 引言

三相不可控整流電路廣泛應用于電力、化工、鋼鐵、通訊、電氣、鐵道等行業[1]。三相不可控整流電路是利用二極管的單向導通性，用6 個二極管組成橋式電路，輸出得到的脈沖直流電再通過平滑電容器的濾波從而得到平滑的直流電壓，供后級的逆變器、斬波器等使用。如果整流裝置出現問題，將直接引起整個系統的癱瘓。隨著電力電子技術的高速發展，電壓等級的進一步提高，對整流裝置的可靠性提出了更高的要求[2]。因此，對整流裝置進行故障檢測是極其重要的。針對整流裝置的故障問題，常用的神經網絡診斷辦法、模糊數學方法、小波分析方法等都是基于處理器芯片的軟件算法。基于軟件算法的方法對處理器芯片有一定要求，同時軟件算法會占用處理器芯片中的大量資源。而本文通過對整流橋的故障分析總結，通過仿真分析提出了基于硬件的判斷方法[3]。

1 基于Simulink 的整流電路故障分析

1.1 三相不可控整流電路的主電路

三相不可控整流電路主要元件是6 個大功率二極管，6 個二極管組成橋式電路。圖1 為三相不可控整流電路的主電路，負載為電阻負載。電路所涉及的各部分元件介紹如下：Vs1、Vs2、Vs3 為三相電壓，相角差為120°；D1、D2、D3、D4、D5、D6 為6 個二極管；R為負載。MATLAB 軟件中的Simulink 提供了電力電子器件的許多模型仿真分析非常方便，下面用Simulink工具對整流電路的正常和故障情況進行分析。

圖1 三相不可控整流橋的仿真電路圖

對于三相不可控整流橋電路，正常工作時六個橋臂的二極管元件在一個工頻周期中換相六次，因此Ud 的波形在一個工頻周期中出現六次跳變，相位依次相差60°。如圖2 所示，電壓的波形是等分的六段電壓構成。整流橋在上下橋中同時只有一個二極管導通，如D1 和D6 同時導通，直流側電壓等于Uab，下一次同時導通的二極管是D1 和D2，直流側電壓等于Uac。六個二極管按照D1-D2-D3-D4-D5-D6 順序導通，對應整流輸出的Ud 電壓順序為Uab-Uac-Ubc-Uba-Uca-Ucb。

圖2 正常工作時電壓波形

1.2 整流橋故障仿真分析

二極管元件開路或者損壞、串接熔斷器熔斷等故障，是不可控整流電路上常見的故障現象。這些現象都能通過輸出電壓Ud 直觀的反映出來。通過Simulink 的仿真，對出現的故障進行了總結。

故障類型分為4 大類：

第一類故障：有一個二極管故障，又分為下面六種：D1 損壞、D2 損壞、D3 損壞、D4 損壞、D5 損壞、D6損壞。輸出電壓波形中有2 個波頭缺失。

第二類故障：同一相電壓上的兩個二極管同時故障，又分為下面三種：D1 和D4 故障、D2 和D5 故障、D3 和D6 故障。輸出電壓波形中有4 個波頭缺失，剩下的兩個波頭不連續分布。

第三類故障：同一半橋的兩個二極管同時故障，又分為下面六種：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。輸出電壓波形有4 個波頭缺失，剩下的兩個波頭連續分布。

第四類故障：上下橋電路中交叉的兩個二極管同時故障，又分為下面六種：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。輸出電壓波形中有3 個波頭缺失。

由上述分析可知，整流二極管發生故障時，同一類型的故障輸出電壓波形，其僅在時間軸上相互平移。發生故障時，有波頭缺失，同一類型波頭缺失的數量相同，但是不同位置二極管損壞時，波頭缺失的位置不同。

1.3 故障的定位方法

故障的判斷方法如下：將輸出電壓波形的六個波頭按照出現的先后順序，按照每隔60°進行特定順序的排列并編號。以D1 和D6 導通為開始，輸出電壓波形每隔60°的電壓為Uab-Uac-Ubc-Uba-Uca-Ucb，并以此為特定順序進行排列；同時通過硬件電路檢測對應輸出電壓波頭是否存在，然后和經過排列順序的序列相與得到故障編碼，進而準確判斷出故障二極管的位置和數量。

2 硬件電路設計

故障判斷的硬件方案主要有六個區間檢測回路、整流裝置輸出電壓波頭判斷電路組成。圖3 為六個區間的檢測回路電路圖。圖中A、B、C 為交流輸入的三相電壓即整流裝置的輸入電壓，OP1、OP2、OP3 為運算放大器，Q1、Q2、Q3 為同或門，Q4、Q5、Q6 為非門、Q7 至Q12 為與門。運算放大器為正負15 V 供電，所以要求前端的三相電壓采樣幅值不能超過15 V。通過運放將三相電壓進行比較得到Uac、Ucb、Uba 的電平信號，相角相差120°，再將得到的Uac、Ucb、Uba 的電平信號相互之間進行同或門輸出，得到含有Uab、Uba、Ubc、Ucb、Uca、Uac 信息的三個電平信號，其中Uab、Uba 是一個信號，Ubc、Ucb 為一個信號，Uca 和Uac 為一個信號。Uab 和Uba 在同一周期中未分開，需要其他電路將其分開。具體做法是將得到的含有Uab 和Uba 信息的電平和從運放輸出的電平進行與門得到Uba，經過非門后再相與得到Uab。Ubc 和Ucb，Uca 和Uac 經過相同的處理得到。如此在一個周期中得到了只有1/6 角度的Uab、Uac、Ubc、Uba、Uca、Ucb 六個單獨的信號。這六個信號剛剛好對應整流橋輸出電壓的六個波頭。電路中各個節點的邏輯電平變化如圖4 所示。

圖3 六個區間的檢測回路電路圖

圖4 各節點的邏輯電平變化圖

圖5 是整流裝置輸出電壓波頭判斷電路。電路中Ud 為整流裝置輸出電壓，經過R1 和R2 分壓送給Op 運放進行比較，比較器所使用的Vref為參考電壓。運放需要電源才能工作，其中Ud 和Vref都是正電壓，所以運算選取為15 V 供電。Vref參考電壓的選取需要滿足Vref 大于0 V，同時Vref小于整流橋換相時刻交流線電壓幅值。根據交流電壓的線電壓表達式：

圖5 整流裝置輸出電壓波頭判斷電路

其中Ua為A相相電壓有效值。分析三相整流橋可知，換相時刻α角為60°，所以Vref參考電壓的幅值取值范圍為：

根據實際測試和應用經驗Vref參考值取值為角為30°時刻電壓值，可取的良好效果。將比較器的輸出結果分別和圖2 中的Uab、Uac、Ubc、Uba、Uca、Ucb電平相與，如果有波頭缺失，則對應與門輸出為低電平，沒有波頭缺失則與門輸出為高電平。另外，由于選用了30°時刻為參考值，則在一個對應的1/6 周波內會出現電壓大于參考值和電壓小于參考值兩種情況，輸出電平在相應1/6 周波內也會出現高低電平兩種變化。因此在進行故障判斷時需要規定只要出現邏輯低電平，就讓低電平保持一個周波的時間。

通過上述電路可以判斷出是否在一個周期中有波頭缺失，在一個周期中缺失了幾個波頭。六個與門輸出結果代表著一個周期中六個區間中的波頭缺失情況，進而獲得故障代碼。由之前的仿真分析知道，不同的故障類型的故障代碼不同，分析不同的故障代碼就可以知道二極管故障的位置及個數[4]。從而準確、快速找到故障點，為生產和實驗帶來了極大的方便。

在工廠中曾經發生過整流橋故障導致系統不運行的情況，當時系統正常運行突然系統監控屏幕報告系統電壓大幅波動，電壓下降為原有電壓的70%，經過800 ms 左右時間后，系統斷路器跳閘、系統停機[5]。停機測試查找問題，初步判斷為系統整流橋有故障，將整流橋直流側斷路器跳開，在陽極側接入交流電，在整流裝置直流側接入電阻負載，同時將故障檢測板接入，該故障檢測板依據本文所述方法設計制作，隨后在故障檢測板上測得故障編碼（001001），按照此故障編碼對照故障代碼表，準確定位為整流橋故障的第二類故障中的D1、D4 二極管損壞。其中圖6 是測試故障整流橋對應整流側的電壓波形，圖7 是在故障檢測板上測得的對應故障編碼波形，圖8 為現場圖片。應用本文所述方法準確定位出故障位置，為系統恢復運行爭取了寶貴時間、為系統運行提供了有力保障。

圖6 故障裝置的整流側波形

圖7 故障裝置對應故障編碼波形

圖8 現場圖片

3 結論

本文介紹了一種用硬件方法檢查三相不可控整流橋故障和判斷功率元件故障位置的方法，給出了判斷依據。此方法在試驗及實際中得到了有效的驗證。與軟件算法判斷故障的方法相比，它能夠快速、準確的監控和判斷故障位置，省去了復雜的軟件算法和對計算芯片的需求，節約了硬件成本。與此同時，此方法仍適用于實驗狀態下對三相全控橋故障的判斷及故障元件位置判斷。