三相可控整流器故障波形仿真研究

1、三相可控整流器故障波形仿真研究 陳騰飛，郝繼飛作者簡(jiǎn)介：陳騰飛（1988-），男，碩士研究生，研究方向?yàn)榭刂评碚撆c控制工程通信聯(lián)系人：郝繼飛（1955-），男，教授，研究方向?yàn)橹悄軆x表與裝置、控制理論應(yīng)用. E-mail: tengfeichen1.51.51.5School of Information and Electrical Engineering, China University of Mining and Technology, Jiangsu Xuzhou, 221000;School of Information and Electrical Engineering, Ch

2、ina University of Mining and Technology, Jiangsu Xuzhou, 221000中國(guó)礦業(yè)大學(xué)信息與電氣工程學(xué)院，江蘇 徐州，221000;中國(guó)礦業(yè)大學(xué)信息與電氣工程學(xué)院，江蘇 徐州，221000221000;22100015905208335;1590520833515905208335蘇徐州中國(guó)礦業(yè)大學(xué)文昌校區(qū)信電學(xué)院310B;江蘇徐州中國(guó)礦業(yè)大學(xué)文昌校區(qū)信電學(xué)院310Btengfeichen;tengfeichen陳騰飛（1988-），男，碩士研究生，研究方向?yàn)榭刂评碚撆c控制工程。;郝繼飛（1955-），男，教授，研究

3、方向?yàn)橹悄軆x表與裝置、控制理論應(yīng)用。陳騰飛;郝繼飛CHEN Tengfei;HAO Jifei郝繼飛1.51.51.51.51.51.51.51.51*|*專著*|*孫樹樸，李明，王旭光等. 電力電子技術(shù)M. 徐州：中國(guó)礦業(yè)大學(xué)出版社，1999.<CR>2*|*專著*|*盧燕. 礦井提升機(jī)電力拖動(dòng)與控制M. 北京：冶金工業(yè)出版社，2001.<CR>3*|*專著*|*顧永輝，范廷瓚. 煤礦電工手冊(cè)第三分冊(cè)提升機(jī)電力拖動(dòng)（直流部分）M. 北京：煤炭工業(yè)出版社.<CR>4*|*學(xué)位論文*|*陳如清. 大功率電力電子裝置在線故障診斷D. 西安：西安理工大學(xué)，2004

4、.<CR>5*|*學(xué)位論文*|*王榮杰. 電力電子整流裝置故障診斷方法的研究D. 廣東：廣東工業(yè)大學(xué)，2006.<CR>6*|*專著*|*陳伯時(shí). 電力拖動(dòng)自動(dòng)控制系統(tǒng)運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)M. 北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2007.|1|陳騰飛|CHEN Tengfei|中國(guó)礦業(yè)大學(xué)信息與電氣工程學(xué)院，江蘇 徐州，221000|School of Information and Electrical Engineering, China University of Mining and Technology, Jiangsu Xuzhou, 221000|陳騰飛（1988-），男，碩

5、士研究生，研究方向?yàn)榭刂评碚撆c控制工程。|江蘇徐州中國(guó)礦業(yè)大學(xué)文昌校區(qū)信電學(xué)院310B|221000|tengfeichen15905208335<CR>*|2|郝繼飛|HAO Jifei|中國(guó)礦業(yè)大學(xué)信息與電氣工程學(xué)院，江蘇 徐州，221000|School of Information and Electrical Engineering, China University of Mining and Technology, Jiangsu Xuzhou, 221000|郝繼飛（1955-），男，教授，研究方向?yàn)橹悄軆x表與裝置、控制理論應(yīng)用。|江蘇徐州

6、中國(guó)礦業(yè)大學(xué)文昌校區(qū)信電學(xué)院310B|221000|tengfeichen15905208335三相可控整流器故障波形仿真研究|Fault waveform simulation of three-phase controlled rectifier|（中國(guó)礦業(yè)大學(xué)信息與電氣工程學(xué)院，江蘇 徐州，221000）摘要：在大功率可控整流裝置中，最容易損壞的為功率器件（如晶閘管），對(duì)整流裝置進(jìn)行故障檢測(cè)和診斷是至關(guān)重要的，但是首先要研究整流裝置的故障波形。本文以某單位礦井提升系統(tǒng)為背景，使用MATLAB建立了一個(gè)可控硅變流器電動(dòng)機(jī)直流調(diào)速系統(tǒng)，對(duì)提升機(jī)提物上升的過(guò)程做出了仿

7、真。調(diào)速方式采用轉(zhuǎn)速、電流雙閉環(huán)直流調(diào)速方式。使用三相橋式可控整流電路做主電路，歸納出8類故障并給出了故障電壓、電流波形，并分析了故障波形的特點(diǎn)。區(qū)分了持續(xù)故障運(yùn)行和突然故障兩種狀態(tài)并比較了它們的電壓波形，由此發(fā)現(xiàn)了突然故障電壓波形的過(guò)渡過(guò)程，可用于確定故障時(shí)刻。最后做了總結(jié)和展望。關(guān)鍵詞：三相可控整流器；故障；波形；仿真中圖分類號(hào)：TM921Fault waveform simulation of three-phase controlled rectifierCHEN Tengfei, HAO Jifei(School of Information and Electrical Engin

8、eering, China University of Mining and Technology, Jiangsu Xuzhou, 221000)Abstract: In the high-power controlled rectifier, the device which is most likely to damage is power devices (such as the thyristors). So, fault detection and diagnosis of the rectifier device is essential, but first of all we

9、 must study the rectifier fault waveforms. In this paper, based on a flat background of mine hoist system, the MATLAB is used to build a thyristor converter - DC motor speed control system to simulate the process of hoist extracting. Speed control mode is the speed, dual-closed loop DC current mode.

10、 Three-phase bridge circuit of Rectifier is used as the main circuit. 8 categories of failure are concluded and the fault voltage and current waveforms are given, fault waveform characteristics are analyzed. Sustained fault operation and sudden failure is distinguished .The fault waveforms of two st

11、ates are compared, thus the transition process of a sudden failure voltage waveform is found, which can be used to determine the failure moment. Finally, Summary and Outlook is made.Key words: three-phase controlled rectifier; fault; waveform; simulation0 引言電力電子技術(shù)是利用電力電子器件對(duì)電能進(jìn)行控制和轉(zhuǎn)換的新興學(xué)科。通過(guò)使用電力半導(dǎo)體器件

12、，應(yīng)用電路和設(shè)計(jì)理論以及分析開發(fā)工具，實(shí)現(xiàn)對(duì)電能的高效變換和控制。電力電子設(shè)備一旦發(fā)生故障，小則造成電器產(chǎn)品損壞、交通阻塞、工礦企業(yè)停產(chǎn)，大則會(huì)威脅人民生命、財(cái)產(chǎn)安全，甚至造成重大的人員傷亡和災(zāi)難事故，影響國(guó)民經(jīng)濟(jì)的正常運(yùn)行。實(shí)現(xiàn)能量變換的電力電子整流裝置，由于其效率高、控制靈活方便、易實(shí)現(xiàn)等優(yōu)點(diǎn)，被廣泛應(yīng)用于電力電子設(shè)備中如電鍍、感應(yīng)加熱、直流輸電、交流調(diào)速、機(jī)車牽引、無(wú)功補(bǔ)償及不間斷電源等，且電力電子整流裝置是整個(gè)電力電子設(shè)備關(guān)鍵的部分，因此對(duì)電力電子整流裝置進(jìn)行故障檢測(cè)是至關(guān)重要的1。在大功率可控整流裝置中，最容易損壞的為功率器件（如晶閘管），發(fā)生晶閘管直通故障時(shí)，瞬間將造成電壓短路，短

13、路電流使保護(hù)電路動(dòng)作；而發(fā)生晶閘管開路故障（如晶閘管器件門極損壞或觸發(fā)脈沖丟失等故障）時(shí)，整流電路仍然工作，但輸出電壓的脈動(dòng)增大，平均值降低，這種帶病工作導(dǎo)致整流電壓波形產(chǎn)生畸變，使負(fù)載不能正常運(yùn)行，同時(shí)也加大了對(duì)電網(wǎng)的干擾2。為了對(duì)電力電子整流裝置進(jìn)行故障診斷，首先應(yīng)該對(duì)其故障波形進(jìn)行研究。1 生產(chǎn)實(shí)際介紹某單位V-M多繩摩擦輪提升技術(shù)數(shù)據(jù)如下3： 提升機(jī)型號(hào)：JKD1850×4滾筒直徑：D=1.85m罐籠自重：4.5t平衡錘重：6t罐籠最大載重：6t提升高度：600m最大提升速度：6.5m/s機(jī)械效率：=0.9減速比：i=2.031 速度圖、加速度和力圖如圖1所示。 圖1 提升機(jī)

14、的速度圖、加速度圖和力圖Fig.1 Speed, acceleration and force diagram of the hoist為了簡(jiǎn)單起見，本文只討論提升過(guò)程，不需要電機(jī)實(shí)現(xiàn)四象限運(yùn)行。主回路采用三相橋式可控整流電路對(duì)JKD1850×4提升機(jī)的主電動(dòng)機(jī)進(jìn)行供電。主電動(dòng)機(jī)采用它勵(lì)直流電動(dòng)機(jī)，400kW，440V，975A，調(diào)速方式為調(diào)節(jié)電樞電壓調(diào)速。由該礦高壓配電室來(lái)的6000V三相電源，送到整流變壓器，變壓器二次側(cè)經(jīng)過(guò)斷路器送給整流柜，整流柜輸出經(jīng)電抗器、快速開關(guān)，最后接至主電動(dòng)機(jī)。晶閘管元件采用KP500-20，每一晶閘管支路采用快速熔斷器，以保護(hù)晶閘管元件的熱擊穿，快速

15、熔斷器在電流為4倍額定電流時(shí)動(dòng)作時(shí)間為20ms。直流主電動(dòng)機(jī)：ZD2-152-1B；440V；975A；500/1000r/min；勵(lì)磁：220/110V；20.35/40.7A；GD ²=273。2 三相橋式可控整流電路故障波形仿真 在各種整流電路中，最簡(jiǎn)單的是三相橋式整流電路。正常工作時(shí)整流輸出電壓一周期脈動(dòng)六次，每次脈動(dòng)的波形都一樣，即每工頻周期由六個(gè)形狀相同的波頭組成。當(dāng)發(fā)生晶閘管故障時(shí)，電壓波形按一定規(guī)律產(chǎn)生畸變，如VT1故障時(shí)，晶閘管的導(dǎo)通次序變?yōu)?VT5、VT6-(無(wú))-VT2、VT3-VT3、VT4-VT4、VT5-VT5、VT6。綜合各種情況，將故障情況可分為以下8

16、類4 5： 第一類: 無(wú)晶閘管故障，正常運(yùn)行，作為一種特殊故障狀態(tài)。第二類:只有1只晶閘管故障，細(xì)分為6種故障狀態(tài)，VTi故障。（i=1, ，6）第三類:接同一相電壓的2只晶閘管故障，包括3種故障狀態(tài)，VTi及VTj故障。(1=1，2，3,j=i+3)第四類:同一半橋中的2只晶閘管故障，包括6種故障狀態(tài)，VTi及VTj故障。(i=1, ,6,j=(i+2)mod6,“mod”表示模運(yùn)算或稱求余運(yùn)算，以下同)第五類:序號(hào)相鄰的2只晶閘管故障，包括6種故障狀態(tài)，VTi及VTj故障。(i=1，,6,j=(i+1)mod6)3只晶閘管故障(不包括同一半橋3只晶閘管同時(shí)故障):第六類:VTi,VTj及V

17、Tk故障，包括6種故障狀態(tài)。(i=1, ,6,j=(i+1)mod6, k=(i+2)mod6)第七類:VTi,VTj及VTk故障，包括6種故障狀態(tài)。(i=1, ,6,j=(i+2)mod6, k=(i+3)mod6)第八類:VTi,VTj及VTk故障，包括6種故障狀態(tài)。(i=1, ,6,j=(i+2)mod6, k=(i+5)mod6)由于三只以上晶閘管同時(shí)不導(dǎo)通的可能性很小，故本文不作考慮。根據(jù)生產(chǎn)實(shí)際所述提升機(jī)的技術(shù)參數(shù)，建立直流雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)，其SIMULINK仿真模型如圖2所示6。圖2 三相橋式可控整流電路做主電路的系統(tǒng)仿真圖Fig.2 Simulation diagram of t

18、hree-phase bridge controlled rectifier circuit system選擇觸發(fā)角=30°時(shí)系統(tǒng)的一個(gè)穩(wěn)態(tài)狀態(tài)，得到典型故障電壓波形如圖3所示。分析圖3中ud波形，可得到以下故障電壓波形的特點(diǎn)：（1）發(fā)生故障的晶閘管數(shù)量越多，在一個(gè)周期內(nèi)波形畸變的越嚴(yán)重，輸出電壓的平均值和有效值也越小。根據(jù)故障電壓波形可以判定故障類型。（2）如果發(fā)生故障的晶閘管的數(shù)目相同，那么在故障晶閘管的編號(hào)相鄰的情況下，輸出電壓的畸變較小。（3）上述兩個(gè)特點(diǎn)的原因是故障的晶閘管在一個(gè)周期內(nèi)影響輸出電壓波形的時(shí)間長(zhǎng)短。比如只有VT1故障時(shí)，它使得整流電路在三分之一周期內(nèi)沒有正常工

19、作，因此一個(gè)周期內(nèi)的輸出電壓由六個(gè)波頭減少為四個(gè)波頭。同樣的道理，若有一個(gè)以上的晶閘管故障，如果他們的編號(hào)相鄰的話，在一個(gè)周期內(nèi)使得整流電路無(wú)法正常工作的時(shí)間比較短，波形的畸變就比較少，正如圖4.5中VT1、VT2故障時(shí)比VT1、VT3故障時(shí)輸出電壓畸變小。圖3 =30°典型故障ud波形Fig.3 =30°Typical fault ud waveform在上述情況下，得到的典型故障電流波形如圖4所示。圖4 =30°典型故障id波形Fig.4 =30°Typical fault id waveform分析圖4中id波形，可得到以下故障電流波形的特點(diǎn)：(1

20、)與典型故障電壓波形相比較，典型故障電流波形特點(diǎn)不是很明顯，因?yàn)檎麟娐返呢?fù)載是比較復(fù)雜的電動(dòng)機(jī)，由于電感的作用，電流的波形已經(jīng)比較平滑。所以整流器故障時(shí)最直接、最明顯的表現(xiàn)是輸出電壓的波形，這也是故障診斷時(shí)最重要的測(cè)試點(diǎn)。（2）故障電流波形總體的一個(gè)特點(diǎn)是發(fā)生故障的晶閘管數(shù)目越多，輸出電流的波形峰值就越大，對(duì)晶閘管的沖擊也越大。（3）由于負(fù)載的復(fù)雜性，故障晶閘管的數(shù)目和一個(gè)周期內(nèi)輸出電流的波頭數(shù)目已經(jīng)找不到直接的關(guān)系。以上做出的典型故障電壓電流波形都是整流器持續(xù)故障工作情況下的輸出波形，整流器的故障還應(yīng)該包括偶然故障，即晶閘管在某個(gè)時(shí)刻突然故障，在此之后的幾個(gè)周期里整流器的輸出電壓波形應(yīng)該和相同故障類型、持續(xù)故障工作情況的輸出波形有區(qū)別，現(xiàn)僅以VT1故障為例加以說(shuō)明。假設(shè)系統(tǒng)是正常工作的，在第9秒時(shí)，VT1由于某種原因發(fā)生了故障，得到了在此之后幾個(gè)周期的電壓波形，與VT1持續(xù)故障的波形作比較，如圖5所示。從圖5中可以看到一個(gè)過(guò)渡過(guò)程，在VT1發(fā)生故障后的幾個(gè)周期內(nèi)，輸出電壓波形和圖2有所不同，直到十個(gè)周期后輸出電壓波形才和圖2中相同，這一點(diǎn)對(duì)于故障診斷是非常重要的。整