一种二十四脉波可控整流电路的故障在线诊断方法_李敏远_图文

1、文章编号:1006-4710(2006 04-0382-04一种二十四脉波可控整流电路的故障在线诊断方法李敏远, 闫淑群(西安理工大学自动化与信息工程学院, 陕西西安710048摘要:研究了一种易于在实时诊断系统中实现的多脉波可控整流电路故障诊断方法。针对一类不带平衡电抗器的二十四脉波可控整流电路, 分析了故障电压波形的产生与变化, 将3个以内的晶闸管故障按整流波形的畸变规律分为121类, 共计2904种故障状态。利用二值逻辑符号建立相应的24维故障模式向量, 构造逻辑故障树, 总结故障诊断定位算法, 实现了从故障特征向量到定位向量的直接变换。仿真结果表明, 该方法能快速准确地诊断出二十四脉波

2、可控整流电路的各种故障。关键词:可控整流电路; 故障诊断; 24脉波; 故障树中图分类号:TK414. 3+2文献标识码: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 多脉波可控整流装置广泛应用于城市地铁、轨道交通的牵引等电气传动行业, 也是许多工业生产中的关键设备。在大功率可控整流装置中, 最容易损坏的为功率器件(如晶闸管, 当晶闸管发生直通故障时, 瞬间将造成相电压短路, 使保护电路动作, 切断主回路。而当晶闸管桥臂发生开路故障时, 整流电路仍然工作。这种带病工作导致整流波形发生

7、严重畸变, 使负载不能正常运行, 同时也加大了对电网的谐波干扰。本文中定义元件故障仅为元件开路故障, 不包括短路故障。近年来, 国内外学者对可控整流装置的故障诊断问题进行了很多有效的工作。文1针对三相桥式整流电路, 利用粗糙集结合神经网络的方法诊断晶闸管的开路故障。文2研究了双桥并联十二脉波可控整流电路的故障分类, 提出了改进的谱分析故障诊断。二十四脉波可控整流电路输出电压纹波小, 在大功率场合得到了广泛应用。由于功率大, 晶闸管发生故障时, 整流电路对电网的影响也大, 实时诊断晶闸管故障就十分必要。但是由于晶闸管数量为24个, 线路较复杂, 涉及的故障种类繁多, 国内外对24脉波可控整流电路

8、的故障诊断研究报道较少。本文针对一类不带平衡电抗器的二十四脉波整流电路, 提出了一种简洁、可行的方法进行故障诊断, 诊断正确率为100%。1整流电压波形分析与故障分类一类带阻感负载不带平衡电抗器的二十四脉波可控整流电路如图13所示, 由四组三相桥电路并收稿日期:2006-07-11作者简介:李敏远(1957- , 男, 陕西西安人, 教授, 研究方向为电力电子技术与智能控制。xaut. cn 。382西安理工大学学报Jo urnal of X i a n Unive rsity of T echno lo gy (2006 Vo l. 22No. 4联组合而成, 整流变压器的四组三相副边绕组相

9、位依次相差15°。u d1、u d2、u d3和u d4表示每个三相桥输出的六脉波直流电压, u d 和u d 分别表示十二脉波直流电压和输出电压瞬时值 。图1二十四脉波可控整流电路F ig. 124-wave co nt rolled rectifica tion circuit图2正常运行整流波形Fig. 2V o ltag e wavefo rms under no rmal co nditio n为便于故障分类, 特将晶闸管按图1所示编号, 24个晶闸管的触发顺序依次从VT 1至V T 24。由于不接平衡电抗器, 二十四脉波整流器每一时刻仅有一个三相桥工作, 每一个桥有两个晶

10、闸管同时导通, 晶闸管导通顺序为: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。该电路为复杂的整流电路, 故障时同时坏掉3个以内晶闸管的概率应该是最大的。因此本文列出的故障状态具有代表意义和实际意义。由于涉及的故障分类较多, 所以分别按1, 2个及3个晶闸管故障进行分类。无故障情况下, 角为/6时整流电压u d 波形如图2所示。当发生故障时, u d 波形按一定的规律产生

11、畸变, 畸变规律如下:当V T 1故障时, 第1组桥晶闸管导通顺序变为:V T 17V T 21-(无 -VT 5VT 9-VT 9VT 13-V T 13V T 17-V T 17V T 21, 第2、3、4组桥仍正常工作; 当V T 2故障时, 第2组桥晶闸管导通顺序变为:VT 18V T 22-(无 -VT 6V T 10-VT 10V T 14-V T 14VT 18-VT 18V T 22, 第1、3、4组桥仍正常工作。VT 2故障整流电压波形比VT 1故障整流电压波形相位滞后15°, 但波形形状相同。同理VT 3故障整流电压波形比V T 2故障整流电压波形相位滞后15&#

12、176;, 依次类推。当V T 2、V T 4故障时, 将VT 1、V T 3故障波形相位滞后15°, 得到VT 2、V T 4故障的波形。对于VT 1、V T 5、V T 7故障, 相位滞后15°得VT 2、V T 6、V T 8故障波形。同样的分析方法可得出其余各类的故障波形。按上述u d 波形畸变规律, 可将24脉波可控整流电路的运行状态按1、2个晶闸管故障及3个晶闸管桥内、桥外故障情况, 分为121类共2904种故障状态, 同一类故障、不同故障状态的u d 波形都遵循上述畸变规律。图3为=/6时的典型故障波形图。由于晶闸管数量为24个, 涉及的故障分类较多, 分别按

13、1、2个晶闸管故障及3个晶闸管故障分类。故障分类原则为分类全面、不重复。根据整流电路的工作原理, 1个晶闸管故障时, V T i 故障电压波形与V T j 故障电压波形相同, 只是时间轴发生平移, 因此可将其归为一大类。2个晶闸管故障时 ,图3为/6时典型故障整流电压波形Fig. 3T ypical fault vo ltag e wavefo rms (=/6383李敏远等:一种二十四脉波可控整流电路的故障在线诊断方法VT i V T j 故障电压波形与VT i +n VT j +n 故障电压波形相同, 只是时间轴发生平移, 按照不同的组合, 将具有相同故障电压波形的不同故障状态归为一大类,

14、 这样2个晶闸管故障情况可分为12类。同理, 3个晶闸管故障情况下, V T i VT j VT k 故障电压波形与VT i +n VT j +n V T k +n 故障电压波形相同, 按照不同的排列组合, 将3个晶闸管故障情况分为108大类。其中i , j , k , i +n , j +n , k +n 1, 24。2故障诊断方法2. 1故障特征向量与定位向量对整流电压u d 进行采样, 在线采集480个点。一个完整周期内的正常波形和元件故障时的波形都是由24个波头组成, 每个波头采样20个点, 对每个波头取第2个点的值效果较好, 故得到24个数据。将这24个数据u d (i (i =1,

15、 2, ,24 分别与该整流电路运行无故障时整流电压波形幅值的最小值u okmin 进行比较。若采样值u d (i 比u okmin 大, 则赋值为1; 否则u d (i 赋值为0。这样即可得到24维故障特征向量。故障特征向量x 可以表示为:x =111101110111111111111111; x =111110111011111111111111;x =111011101111111111111111这里, 0表示异常波头, 1表示正常波头。在多脉波可控整流电路中, 故障诊断是一种从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 。分析整流电压波形, 联想到使用二值符号表征u d 波形特征, 揭示故障模式向量和故障定位向量之间的映射, 通过提出故障定位的算法实现了从故障特征向量到故障定位向量的直接变换。故障定位向量y 可以表示如下, 其中y 向量中的元素表示发生故障的晶闸管编号。y =f (x =p (x -4mod24, 当a =2时p (x i -4mod24, 当a =4时, i =1, 2p (x i -4mod24, 当a =6时, i =1, 2, 3L i =p (x i 定义故障特征向量x 中的

17、每个01110部分为一个故障标志单位, 每个故障标志单位中的第一个0在故障特征向量x 中的位置记作L i 。其中p (函数的作用是求出故障特征向量x 中每一个L i , a 为 故障特征向量x 中0的个数。2. 2建立故障树模型故障树分析法(Fault Tree A naly sis , FTA 是一种将系统故障形成原因按树枝状逐级细化的图形演绎方法5。本系统以整流输出电压作为分析的目标(顶事件, 依据可控整流电路的工作原理找出导致这一故障发生的全部因素(中间事件, 再寻找造成中间事件发生的全部因素, 按照此方式一直追溯到引起电路发生故障的全部原因, 将电路的故障与中间事件和底事件之间的逻辑关

18、系用逻辑门联系起来, 形成树形图。当整流电路发生晶闸管开路故障时, 整流电压发生畸形变化。对整流电压采样, 取24个采样值(具体取法见前述 与整流电路运行无故障时整流电压波形幅值最小值比较得到故障特征向量x , 将x 存入定位故障晶闸管编号二维数组(如表1所示 的第3行中。故障特征向量x 中0的个数a 是2、或是4、或是6, 根据a 的值选择故障树的分支, 从而计算出故障定位向量。二十四脉波可控整流电路故障树模型如图4所示。图4二十四脉波可控整流电路故障树模型Fig. 4T he mo del of F T A fo r 24-w ave contr olled rectifier2. 3故障

19、诊断与定位的实现算法故障树是以图形化形式用于可靠性分析和故障诊断的模型工具, 而诊断系统的任务是综合利用各种诊断信息, 推理出具体故障元。为了实现起来更加简便、可行, 现对用故障树给出的故障诊断方法进行了改进, 提出定位故障晶闸管编号的二维数组, 给出了易于用软件编程实现的算法。用MA TLAB 语言编写软件程序。在各种不同的触发角下, 利用编写好的源程序进行了完备的检验。对各大类中各取一个小类, 分别进行触发角:0°、15°、30°、45°、60°、75°、90°的诊断实验, 以及触发角为40°、67. 5

20、76;时的诊断实验。上述实验的诊断准确率为100%,证明了该方法的正确性和有效性。384西安理工大学学报(2006 第22卷第4期具体算法如下:(1 对整流电压u d 进行采样获得24维故障特征向量, 记为u d (i (i =1, 2, ,24 作运算u d (i -u okmin (其中u okmin 为整流电路运行无故障时整流电压波形幅值最小值。若差值大于0, 则在管子定位编号二维数组的首列第3行中记为1; 否则记为0。依次填入该数组第3行中, 该定位故障晶闸管编号二维数组(数组元素为25进制, 如表1所示。(2 把二维数组中0对应的两行编号依次存在一个一维数组中, 凡是当该一维数组中某

21、元素出现2次时, 记下该元素, 则该元素即为发生故障的晶闸管序号。表1定位故障晶闸管编号的二维数组T ab. 1T wo dime nsio n a rray of o rientate serial number o f fault thyristo r晶闸管编号171819202122232412345678910111213141516212223241234567891011121314151617181920故障特征向量本方法只需要存储经比较后得到的24维故障特征向量, 具体故障诊断过程如表2所示。并且虽然在不同的相控角下每个波头的尖锐程度和整流电压的幅值大小是不同的, 但是畸变规律

22、是相同的。所以该诊断方法不需要存储大量数据。3仿真结果现以VT 1、VT 2、V T 5故障为例说明诊断系统的处理过程。图5所示为=30°, u 2l =380V 时VT 1、VT 2、VT 5故障的波形图。诊断处理过程如表2所示。即可诊断出V T 1、V T 2、V T 5同时故障 。图5V T 1、V T 2、V T 5开路故障的波形图F ig. 5T he wavefo rms fo ropen w ay cir cuit fault of V T 1, V T 2, V T 5本文给出的仿真结果不是特例, 而是一般故障情况中的一种。表2故障的诊断过程T ab. 2The pr

23、o cess of fault diag nosis晶闸管编号171819202122232412345678910111213141516212223241234567891011121314151617181920故障模式向量11111111111111111112122125125691254结语提出基于逻辑故障树的一类不带平衡电抗器的二十四脉波可控整流电路故障诊断方法。该方法采用二值逻辑符号来表征故障时整流波形的特征, 得到故障特征向量。通过建立逻辑故障树得出故障定位算法, 实现了从故障模式向量到定位向量的直接变换。该方法的特点有:有效地解决了现有方法中的触发角变化对诊断结果的影响, 具有鲁棒性; 故障诊断分类简单、定位准确;诊断过程直接, 运算量小, 解决了故障类型增多时导致诊断结果