一種二十四脈波可控整流電路的故障在線診斷方法_李敏遠_圖文

1、文章編號:1006-4710(2006 04-0382-04一種二十四脈波可控整流電路的故障在線診斷方法李敏遠, 閆淑群(西安理工大學(xué)自動化與信息工程學(xué)院, 陜西西安710048摘要:研究了一種易于在實時診斷系統(tǒng)中實現(xiàn)的多脈波可控整流電路故障診斷方法。針對一類不帶平衡電抗器的二十四脈波可控整流電路, 分析了故障電壓波形的產(chǎn)生與變化, 將3個以內(nèi)的晶閘管故障按整流波形的畸變規(guī)律分為121類, 共計2904種故障狀態(tài)。利用二值邏輯符號建立相應(yīng)的24維故障模式向量, 構(gòu)造邏輯故障樹, 總結(jié)故障診斷定位算法, 實現(xiàn)了從故障特征向量到定位向量的直接變換。仿真結(jié)果表明, 該方法能快速準(zhǔn)確地診斷出二十四脈波

2、可控整流電路的各種故障。關(guān)鍵詞:可控整流電路; 故障診斷; 24脈波; 故障樹中圖分類號:TK414. 3+2文獻標(biāo)識碼:AA Fault Diagnosis Method of 24-Wave Controlled Rectifier CircuitLI M in -yuan , YAN Shu -qun(Faculty o f A uto matio n and I nfo rmatio n Enginee ring , Xi an U niv ersity of Technology , Xi an 710048, China A bstract :This paper studies

3、a kind of the m ulti -w ave controlled rectifier circuit fault diagnosis method easy to achieve in the real -time diagnosis sy stem. With an aim at a kind o f 24-w ave con -tro lled rectifier circuit w ithout a balanced reactor , this paper also analy zes the occurence and varia -tion of the fault v

4、 oltag e w aveforms. The faults o f 3thyristo rs are classified into 121kinds , with 2904fault states in to tal in te rm s o f the aberrance law s of rectified w avefo rms. The co rresponding 24-dimension fault pattern vector s are established using tw o numerical value logic sym bo ls. The logical

5、fault tree is constructed and then the fault diag nosis oriental alg orithm is summa rized. Whereby the direct shift from fault pa ttern vector s to o riental vecto rs is realized. Simulation re -sults show that the algo rithm can detect and locate the faults of 24-w ave co ntro lled rectifier circu

6、it quickly and exactly by using the pro posed me thod. Key words :contro lled rectifier circuit ; fault diag no sis ; 24-w ave ; fault tree 多脈波可控整流裝置廣泛應(yīng)用于城市地鐵、軌道交通的牽引等電氣傳動行業(yè), 也是許多工業(yè)生產(chǎn)中的關(guān)鍵設(shè)備。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, 當(dāng)晶閘管發(fā)生直通故障時, 瞬間將造成相電壓短路, 使保護電路動作, 切斷主回路。而當(dāng)晶閘管橋臂發(fā)生開路故障時, 整流電路仍然工作。這種帶病工作導(dǎo)致整流波形發(fā)生

7、嚴(yán)重畸變, 使負載不能正常運行, 同時也加大了對電網(wǎng)的諧波干擾。本文中定義元件故障僅為元件開路故障, 不包括短路故障。近年來, 國內(nèi)外學(xué)者對可控整流裝置的故障診斷問題進行了很多有效的工作。文1針對三相橋式整流電路, 利用粗糙集結(jié)合神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的方法診斷晶閘管的開路故障。文2研究了雙橋并聯(lián)十二脈波可控整流電路的故障分類, 提出了改進的譜分析故障診斷。二十四脈波可控整流電路輸出電壓紋波小, 在大功率場合得到了廣泛應(yīng)用。由于功率大, 晶閘管發(fā)生故障時, 整流電路對電網(wǎng)的影響也大, 實時診斷晶閘管故障就十分必要。但是由于晶閘管數(shù)量為24個, 線路較復(fù)雜, 涉及的故障種類繁多, 國內(nèi)外對24脈波可控整流電路

8、的故障診斷研究報道較少。本文針對一類不帶平衡電抗器的二十四脈波整流電路, 提出了一種簡潔、可行的方法進行故障診斷, 診斷正確率為100%。1整流電壓波形分析與故障分類一類帶阻感負載不帶平衡電抗器的二十四脈波可控整流電路如圖13所示, 由四組三相橋電路并收稿日期:2006-07-11作者簡介:李敏遠(1957- , 男, 陜西西安人, 教授, 研究方向為電力電子技術(shù)與智能控制。xaut. cn 。382西安理工大學(xué)學(xué)報Jo urnal of X i a n Unive rsity of T echno lo gy (2006 Vo l. 22No. 4聯(lián)組合而成, 整流變壓器的四組三相副邊繞組相

9、位依次相差15°。u d1、u d2、u d3和u d4表示每個三相橋輸出的六脈波直流電壓, u d 和u d 分別表示十二脈波直流電壓和輸出電壓瞬時值 。圖1二十四脈波可控整流電路F ig. 124-wave co nt rolled rectifica tion circuit圖2正常運行整流波形Fig. 2V o ltag e wavefo rms under no rmal co nditio n為便于故障分類, 特將晶閘管按圖1所示編號, 24個晶閘管的觸發(fā)順序依次從VT 1至V T 24。由于不接平衡電抗器, 二十四脈波整流器每一時刻僅有一個三相橋工作, 每一個橋有兩個晶

10、閘管同時導(dǎo)通, 晶閘管導(dǎo)通順序為:1, 21-2, 22-3, 23-4, 24-5, 9-6, 10-7, 11-8, 12-9, 13-10, 14-11, 15-12, 16-13, 17-14, 18-15, 19-16, 20-17, 21-18, 22-19, 23-20, 24-1, 21。該電路為復(fù)雜的整流電路, 故障時同時壞掉3個以內(nèi)晶閘管的概率應(yīng)該是最大的。因此本文列出的故障狀態(tài)具有代表意義和實際意義。由于涉及的故障分類較多, 所以分別按1, 2個及3個晶閘管故障進行分類。無故障情況下, 角為/6時整流電壓u d 波形如圖2所示。當(dāng)發(fā)生故障時, u d 波形按一定的規(guī)律產(chǎn)生

11、畸變, 畸變規(guī)律如下:當(dāng)V T 1故障時, 第1組橋晶閘管導(dǎo)通順序變?yōu)?V T 17V T 21-(無 -VT 5VT 9-VT 9VT 13-V T 13V T 17-V T 17V T 21, 第2、3、4組橋仍正常工作; 當(dāng)V T 2故障時, 第2組橋晶閘管導(dǎo)通順序變?yōu)?VT 18V T 22-(無 -VT 6V T 10-VT 10V T 14-V T 14VT 18-VT 18V T 22, 第1、3、4組橋仍正常工作。VT 2故障整流電壓波形比VT 1故障整流電壓波形相位滯后15°, 但波形形狀相同。同理VT 3故障整流電壓波形比V T 2故障整流電壓波形相位滯后15&#

12、176;, 依次類推。當(dāng)V T 2、V T 4故障時, 將VT 1、V T 3故障波形相位滯后15°, 得到VT 2、V T 4故障的波形。對于VT 1、V T 5、V T 7故障, 相位滯后15°得VT 2、V T 6、V T 8故障波形。同樣的分析方法可得出其余各類的故障波形。按上述u d 波形畸變規(guī)律, 可將24脈波可控整流電路的運行狀態(tài)按1、2個晶閘管故障及3個晶閘管橋內(nèi)、橋外故障情況, 分為121類共2904種故障狀態(tài), 同一類故障、不同故障狀態(tài)的u d 波形都遵循上述畸變規(guī)律。圖3為=/6時的典型故障波形圖。由于晶閘管數(shù)量為24個, 涉及的故障分類較多, 分別按

13、1、2個晶閘管故障及3個晶閘管故障分類。故障分類原則為分類全面、不重復(fù)。根據(jù)整流電路的工作原理, 1個晶閘管故障時, V T i 故障電壓波形與V T j 故障電壓波形相同, 只是時間軸發(fā)生平移, 因此可將其歸為一大類。2個晶閘管故障時 ,圖3為/6時典型故障整流電壓波形Fig. 3T ypical fault vo ltag e wavefo rms (=/6383李敏遠等:一種二十四脈波可控整流電路的故障在線診斷方法VT i V T j 故障電壓波形與VT i +n VT j +n 故障電壓波形相同, 只是時間軸發(fā)生平移, 按照不同的組合, 將具有相同故障電壓波形的不同故障狀態(tài)歸為一大類,

14、 這樣2個晶閘管故障情況可分為12類。同理, 3個晶閘管故障情況下, V T i VT j VT k 故障電壓波形與VT i +n VT j +n V T k +n 故障電壓波形相同, 按照不同的排列組合, 將3個晶閘管故障情況分為108大類。其中i , j , k , i +n , j +n , k +n 1, 24。2故障診斷方法2. 1故障特征向量與定位向量對整流電壓u d 進行采樣, 在線采集480個點。一個完整周期內(nèi)的正常波形和元件故障時的波形都是由24個波頭組成, 每個波頭采樣20個點, 對每個波頭取第2個點的值效果較好, 故得到24個數(shù)據(jù)。將這24個數(shù)據(jù)u d (i (i =1,

15、 2, ,24 分別與該整流電路運行無故障時整流電壓波形幅值的最小值u okmin 進行比較。若采樣值u d (i 比u okmin 大, 則賦值為1; 否則u d (i 賦值為0。這樣即可得到24維故障特征向量。故障特征向量x 可以表示為:x =111101110111111111111111; x =111110111011111111111111;x =111011101111111111111111這里, 0表示異常波頭, 1表示正常波頭。在多脈波可控整流電路中, 故障診斷是一種從故障征兆到故障原因的映射。故障征兆可以用故障特征向量表示, 故障原因可以用故障定位向量表示。令故障特征向量

16、x =x 1, x 2, ,x n , 故障定位向量y =y 1, y 2, ,y m , 即y =f (x 。分析整流電壓波形, 聯(lián)想到使用二值符號表征u d 波形特征, 揭示故障模式向量和故障定位向量之間的映射, 通過提出故障定位的算法實現(xiàn)了從故障特征向量到故障定位向量的直接變換。故障定位向量y 可以表示如下, 其中y 向量中的元素表示發(fā)生故障的晶閘管編號。y =f (x =p (x -4mod24, 當(dāng)a =2時p (x i -4mod24, 當(dāng)a =4時, i =1, 2p (x i -4mod24, 當(dāng)a =6時, i =1, 2, 3L i =p (x i 定義故障特征向量x 中的

17、每個01110部分為一個故障標(biāo)志單位, 每個故障標(biāo)志單位中的第一個0在故障特征向量x 中的位置記作L i 。其中p (函數(shù)的作用是求出故障特征向量x 中每一個L i , a 為 故障特征向量x 中0的個數(shù)。2. 2建立故障樹模型故障樹分析法(Fault Tree A naly sis , FTA 是一種將系統(tǒng)故障形成原因按樹枝狀逐級細化的圖形演繹方法5。本系統(tǒng)以整流輸出電壓作為分析的目標(biāo)(頂事件, 依據(jù)可控整流電路的工作原理找出導(dǎo)致這一故障發(fā)生的全部因素(中間事件, 再尋找造成中間事件發(fā)生的全部因素, 按照此方式一直追溯到引起電路發(fā)生故障的全部原因, 將電路的故障與中間事件和底事件之間的邏輯關(guān)

18、系用邏輯門聯(lián)系起來, 形成樹形圖。當(dāng)整流電路發(fā)生晶閘管開路故障時, 整流電壓發(fā)生畸形變化。對整流電壓采樣, 取24個采樣值(具體取法見前述 與整流電路運行無故障時整流電壓波形幅值最小值比較得到故障特征向量x , 將x 存入定位故障晶閘管編號二維數(shù)組(如表1所示 的第3行中。故障特征向量x 中0的個數(shù)a 是2、或是4、或是6, 根據(jù)a 的值選擇故障樹的分支, 從而計算出故障定位向量。二十四脈波可控整流電路故障樹模型如圖4所示。圖4二十四脈波可控整流電路故障樹模型Fig. 4T he mo del of F T A fo r 24-w ave contr olled rectifier2. 3故障

19、診斷與定位的實現(xiàn)算法故障樹是以圖形化形式用于可靠性分析和故障診斷的模型工具, 而診斷系統(tǒng)的任務(wù)是綜合利用各種診斷信息, 推理出具體故障元。為了實現(xiàn)起來更加簡便、可行, 現(xiàn)對用故障樹給出的故障診斷方法進行了改進, 提出定位故障晶閘管編號的二維數(shù)組, 給出了易于用軟件編程實現(xiàn)的算法。用MA TLAB 語言編寫軟件程序。在各種不同的觸發(fā)角下, 利用編寫好的源程序進行了完備的檢驗。對各大類中各取一個小類, 分別進行觸發(fā)角:0°、15°、30°、45°、60°、75°、90°的診斷實驗, 以及觸發(fā)角為40°、67. 5

20、76;時的診斷實驗。上述實驗的診斷準(zhǔn)確率為100%,證明了該方法的正確性和有效性。384西安理工大學(xué)學(xué)報(2006 第22卷第4期具體算法如下:(1 對整流電壓u d 進行采樣獲得24維故障特征向量, 記為u d (i (i =1, 2, ,24 作運算u d (i -u okmin (其中u okmin 為整流電路運行無故障時整流電壓波形幅值最小值。若差值大于0, 則在管子定位編號二維數(shù)組的首列第3行中記為1; 否則記為0。依次填入該數(shù)組第3行中, 該定位故障晶閘管編號二維數(shù)組(數(shù)組元素為25進制, 如表1所示。(2 把二維數(shù)組中0對應(yīng)的兩行編號依次存在一個一維數(shù)組中, 凡是當(dāng)該一維數(shù)組中某

21、元素出現(xiàn)2次時, 記下該元素, 則該元素即為發(fā)生故障的晶閘管序號。表1定位故障晶閘管編號的二維數(shù)組T ab. 1T wo dime nsio n a rray of o rientate serial number o f fault thyristo r晶閘管編號171819202122232412345678910111213141516212223241234567891011121314151617181920故障特征向量本方法只需要存儲經(jīng)比較后得到的24維故障特征向量, 具體故障診斷過程如表2所示。并且雖然在不同的相控角下每個波頭的尖銳程度和整流電壓的幅值大小是不同的, 但是畸變規(guī)律

22、是相同的。所以該診斷方法不需要存儲大量數(shù)據(jù)。3仿真結(jié)果現(xiàn)以VT 1、VT 2、V T 5故障為例說明診斷系統(tǒng)的處理過程。圖5所示為=30°, u 2l =380V 時VT 1、VT 2、VT 5故障的波形圖。診斷處理過程如表2所示。即可診斷出V T 1、V T 2、V T 5同時故障 。圖5V T 1、V T 2、V T 5開路故障的波形圖F ig. 5T he wavefo rms fo ropen w ay cir cuit fault of V T 1, V T 2, V T 5本文給出的仿真結(jié)果不是特例, 而是一般故障情況中的一種。表2故障的診斷過程T ab. 2The pr

23、o cess of fault diag nosis晶閘管編號171819202122232412345678910111213141516212223241234567891011121314151617181920故障模式向量11111111111111111112122125125691254結(jié)語提出基于邏輯故障樹的一類不帶平衡電抗器的二十四脈波可控整流電路故障診斷方法。該方法采用二值邏輯符號來表征故障時整流波形的特征, 得到故障特征向量。通過建立邏輯故障樹得出故障定位算法, 實現(xiàn)了從故障模式向量到定位向量的直接變換。該方法的特點有:有效地解決了現(xiàn)有方法中的觸發(fā)角變化對診斷結(jié)果的影響, 具有魯棒性; 故障診斷分類簡單、定位準(zhǔn)確;診斷過程直接, 運算量小, 解決了故障類型增多時導(dǎo)致診斷結(jié)果