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2004 年 第 26 卷 第 3 期 第 44 頁

電氣傳動自動化
EL ECTRIC D RIVE AUTOMATIO N

Vol. 26 , No. 3 2004 ,26( 3) :44～ 48

文章編號 :1005 — 7277 ( 2004) 03 — 0044 — 05

一種基于 DSP 的電力電子電路在線故障診斷方法
陳如清 1 , 李 強
2

( 1. 嘉興學院 信息工程學院 , 浙江 嘉興 314001 ; 2. 汕頭超聲顯示器有限公司 , 廣東 汕頭 515041)

摘要 : 以三相橋式整流電路為例 , 首先對可控整流裝置正常工作和故障運行時整流電壓波形進行分析和歸 類 , 定義了一種 “面積” 并建立了故障模型 , 提出了一種改進的譜分析故障診斷方法 , 根據其特征值進行診斷 定位 ; 其次歸納出實驗算法并用 DSP 系統(tǒng)實現 , 實驗表明該方法實現了可控整流裝置的在線故障診斷和監(jiān) 測 ; 最后總結了該方法的特點并推廣至其它形式整流電路 。 關鍵詞 : 故障在線診斷 ; 譜分析 ; DSP 中圖分類號 : TM4 文獻標志號 : A
1 2

A fault dia gnosis method of power electronic circuits based on DSP
CHEN Ru-qing , LI Qiang

( 1. School of Information Engineering , J iaxing University , J iaxing 314001 , China ; 2. Shantou Goworld Display Company , Shantou 515041 , China) Abstract : The voltage waveforms of the controlled rectifier device under the fault and normal condition are analyzed and classified with the example of three-phase thyristor converter firstly , Then it defines the area”expressions and builds the “ fault models , a improved frequency spectrum analysis diagnosis method is put forward and with the eigenvalues it can diagnose and locate the faults. Secondly , the experiment algorithm of the fault diagnosis system is induced and validated on a DSP system. The experiment shows that the method is effective to diagnose and inspect the rectifier device on-line. The characteristic of this method is summarized and extends to other kinds of rectifier finally. Key words : on-line fault diagnosis ; frequency spectrum analysis ; DSP

1 引言
實際生產中 ,電力電子設備通常被用于生產工 藝的關鍵流程之中 ,對于整流裝置最易損壞的為功 率器件 。當晶閘管發(fā)生直通故障時 ,瞬間將造成相 電壓短路 , 使進線電流上升 , 保護電路動作切斷主 回路 ; 而當晶閘管橋臂發(fā)生開路故障 ( 包括晶閘管 元件損壞 、 快熔熔斷或觸發(fā)脈沖丟失等故障) 時 ,整 流電路仍然工作 , 使負載不能正常運行 , 對整個生 產過程帶來破壞性的影響 。因此 ,對整流裝置進行 在線故障診斷定位具有重要的意義 。 現有的電力電子裝置故障診斷方法有 : ( 1) 傳 統(tǒng)的電流檢測法 ; ( 2) 傳統(tǒng)的電壓檢測法 ; ( 3) 模式 識別的方法 , 即對故障整流波形變換 , 尋找故障特 征 ,實現故障診斷 ,包括直接波形分析 、 譜分析和基 于神經網絡等故障診斷方法 。 前兩種方法測試點多 、 硬件電路復雜 、 抗干擾 性差 ,一般很少采用 。常用的方法為模式識別的方 法 ,直接的波形分析法適合于建模簡單的二極管整

流電路 [3 ] ,對晶閘管可控整流電路不適 合 。 現有譜 分析方法只適合于故障類較少的情況 [4 ] , 且觸發(fā)角 α 的變化對診斷定位也有影響 。晶閘管整流裝置 的故障檢測與監(jiān)視已有論述 [2 ] , 但這些方法不具備 在線診斷定位功能 。本文以三相橋式可控整流電 路為例 , 對整流電壓波形進行分段及邏輯處理 , 將 其用多值邏輯向量表示 , 用 DFT 方法分類定位 , 解 決了以上問題 。其處理分析方法通用 、 診斷定位準 確方便 ,最后在 DSP 系統(tǒng)上進行實驗驗證 。

2 整流電路故障分析及診斷原理

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2. 1 故障分類

( i = 1 ,. . . ,6 , j = ( i + 2) mod6 , k = ( i + 5) mod6)

根據三相橋式整流電路工作原理 ,正常工作時 每周期由六個形狀相同的波頭組成 。分析以晶閘 管橋臂開路故障為例 。當橋臂開路時 ,電壓波形按 一定規(guī)律產生畸變 。故障情況可分為以下 8 類 : 第一類 : 無晶閘管故障 ,正常運行 。 第二類 : 只有 1 只晶閘管故障 , 細分為 6 種故 障元 ,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 小類 ,VTi 及 VTj 故障 。( i = 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 小類 , VTi 及 VTj 故障 。( i = 1 ,. . . ,6 , j = ( i + 2) mod6 “mod” , 表示模運算或稱求余運算 ,以下同)

當 i 取不同值時 ,上述故障分類包括所有一路 、 二路橋臂故障以及橋內三路橋臂故障 ( 不包括同一 半橋 3 只晶閘管同時故障) 情況 。各類典型故障的 整流電壓波形如圖 2 所示 。在上述故障分類中 , 同 一類故障不同的故障元電壓波形相同 , 只是時間 坐標發(fā)生平移 , 如第二類故障中將 VT1 故障波形 右移 60° 得到 VT2 故障波形 , 依此類推 。通過各類 典型故障波形的坐標平移可分別得到以上 40 小 類故障波形 。波形采樣時以 VT1 開始導通時刻為 采樣同步點 , 將一周期 ( 2 ) 波形等分為 6 段 , π 這樣在不同觸發(fā)角下的 u d 波形各波段對應的導 通晶閘管相同 。 正常工作時整流波 形由六個形狀相同波頭 構成 , 故障情況下部分波 頭產生畸變或者波形消 失。 正常波頭和畸變波頭 共同組成一周期 ( 6 波 頭) 整流電壓波形 , 根據 各自位置和畸變程度不 同可以判斷出故障類 型 。在π/ 3 區(qū)間內定義 ( 了一種 “面積”其他形式 整流電路“面積”定義因 正常波形一周期內波頭 個數而異) , 它反映了各 波頭的狀態(tài)及畸變程 度 。綜合各種情況 , 特定 義如下 3 個" 面積" : ( 1) 正常狀態(tài) ( 觸發(fā)角 , U2 L 為輸入線電壓有 α 效值) 下的 “面積” 定義 :
S 11 =

第五類 : 序號相鄰的 2 只晶閘管故障 , 包括 6 小 類 ,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 同時故障) : 第六類 : VTi , VTj 及 VTk 故障 , 包括 6 小類 。
( i = 1 ,. . . ,6 , j = ( i + 1) mod6 , k = ( i + 2) mod6)

=

第七類 : VTi , VTj 及 VTk 故障 , 包括 6 小類 。
( i = 1 ,. . . ,6 , j = ( i + 2) mod6 , k = ( i + 3) mod6)

第八類 : VTi ,VTj 及 VTk 故障 ,包括 6 小類 。

以下為故障狀態(tài)下的 “面積” 定義 : ( 2) 當負載波形消失 ,電壓瞬時值為零 ,此時定 義 “面積” 12 = 0 。 S ( 3) 其他的故障狀態(tài)下 ,畸變波頭 “面積” S 13 用 表示 。 2. 2 預處理及 DFT 分析

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Θ

α+ ( 2 ) / 3 π

α+ π 3 /

π ω 2 U2 L ( sin (ω ) - sin (α+ 2 / 3) ) d t t

π π 2 ) 2 U2 L [ cosα- sin ( + α ] ( i = 1 ,. . . ,6) 3 3



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根據上述對各段故障波形的分析 ,整流電壓波 形可用向量 S = {λ1 , . . . ,λi , . . . ,λ6} 表示 , 正常工作 λi = S 11 , 故障情況下 λi 可為 S 11 , S 12 , S 13 。預處理 時 ,用常量 y 1 , y 2 , y 3 分別代替表達式 S 11 , S 12 , S 13 其 中 y 1 , y 2 , y 3 值反映了波頭畸變程度 ,這樣 6 波段整 流波形就可以用由特征值 y i ( i = 1 , 2 , 3) 構成的模 式向量來表示 。 選取 y 1 = 1 , y 2 = 0 , y 3 = 2 時 ,描述以 上典型故障波形的模式向量為 :
S 0 = {1 , 1 , 1 , 1 , 1 , 1} , S VT1 = {2 , 0 , 1 , 1 , 1 , 1} , S VT1 , VT4 = {2 ,0 ,1 ,2 ,0 ,1} , S VT1 , VT3 = {2 ,0 ,0 ,2 ,1 ,1} , S VT1 , V T2 = {2 ,2 ,0 ,1 ,1 ,1} , S VT1 , V T2 , V T3 = {2 ,2 ,2 ,2 ,1 ,

1} , S VT1 , V T3 , V T4 = {2 ,0 ,0 ,0 ,0 ,1} , S VT1 , V T3 , V T6 = {2 ,0 , 0 ,2 ,1 ,2}

次諧波或二次諧波相位) 。 DFT 分析原理及故障 由 模式向量的特點可知 , 同一類故障模式向量 DFT 變換得到 α0 , α1 相同 , 利用 α0 , α1 值可劃分各類故 障 , 同一類故障的不同故障元可按 θ值的不同加 以區(qū)分 。 這樣僅用這三個特征值就實現了故障的分類 定位 。 3 分別為正常情況下 ,VT1 故障 ,VT1 及 VT4 圖 故障 ,VT2 、 3 及 VT4 故障的 DFT 分析仿真波形 。 VT 各 種情況下分析結果如表 1 所示 。類型 1～ 8 表示所 屬故障類別 , i 取不同值時對應各類不同的小類 。 另外 , 考察 α 變化對預處理影響 。由 S 11 = π π 2 ( ) 2 U2 L [ cosα+ α ] , 以 α為變量對 S 11 3 sin
3

將各向量平移即可得出同類中不同故障元的 模式向量 。如 S VT2 = {1 ,2 ,0 ,1 ,1 ,1} ,依此類推 。 DFT 算法能夠實現整數次諧波的精確分析和 檢測 。 將上述模式向量進行 DFT 分析后發(fā)現 ,僅用 直流分量和低次諧波幅值和相位可實現故障診 斷 。將故障模式向量進行 DFT 變換得到 α0 , α1 , θ 值 ,即為直流分量 ,一次諧波幅值和相位值 ( 可為一

求一階導數后令 S 11 為零 , 得出當 α= 80° , S 11 取 時 最大值為 0. 752 U2 L 。若某周期內 α變化 1° :
S11 =

= 0. 728 U2L , 故 max △S 11 = 0. 024 U2L , 因此進行邏輯

預處理時選擇大于 max △S 11 的閾量即可消除 α的 影響 。

表 1 分析結果
類型 參數 α 0 α 1 θ(° )
1 6 0 0 2 6 1 120 - 60 i 3 6 0 90 - 60 i 4 6 1. 73 150 - 60 i 5 7 2 - 60 i 6 10 1. 73 - 30 - 60 i

3 2. 65 79 - 60 i

注 : 第 3 ,6 ,7 ,8 類參數為 α ,α ,θ . 其余參數為α ,α ,θ 。i = 1 ,. . . ,6 0 1 2 0 1 1

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Θ
7

π 81 π 2 180 + 3 81 π π 180 + 3

2 U2 L [ sin (ω ) - sin ( t

π 2 π 80 ) ] dω t + 180 3

基于 DSP 的診斷系 統(tǒng)實現
3
故障診斷系統(tǒng)主要包 括同步信號的取樣與隔 離 , 整流電壓的采樣 , DFT 故障診斷算法及顯示報警 電路四部分 。系統(tǒng)硬件結 構框圖如圖 4 所示 。DSP 采用 TMS320LF2407A , 它 具有以下特點 : ① 采用高 性能靜態(tài) CMOS 技術將供 電電壓降為 3. 3 V 以減小 功耗 ; ② MIPS 的執(zhí)行速 40 度使得指令周期縮短為 25
ns ; ③ 片內 32 K字 FLASH

程序存儲器 ,高達 2. 5 K字 的數據/ 程序 RAM; ④ 位 10
A/ D 轉換器最小轉換時間
8 7 2. 65 139 - 60 i

可達 375 ns ; ⑤ 高達 40個
GPIO 口 ; ⑥ 個外部中斷 ; 5

⑦ 有適合于信號處理的專 門尋址方式 , 如位翻轉尋



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( 2) 電壓的采樣

址方式適合于 FFT 運算 [1 ]。 程序流程如圖 5 所示 , 診斷過程可分為以下幾 個步驟 :

整流電壓經 R 1 、R 2 采樣電阻分壓后 u d 為 - 1. 5～ + 1. 5 V 的電壓信號 , 由于 DSP 自帶 ADC 模擬輸入參考電壓高低電 平分別為 3. 3 V 和 0 , 故應先將 u d 轉換 , 圖中 u p 為偏置電壓 ( 大小為 1. 5 V) 。 u d 經過抬高 、 隔離 、 限幅后轉換成 0～ 3. 3 V 電壓信號以滿足 DSP 的 AD 轉換要求 。 在 XINT2 中斷服務程序里重新設置定時器 ( 連續(xù)增計數模式 / 周期中斷標志啟動 AD) 。DSP 外接 10 M 晶振經內部 PLL 倍頻后 f 為 40 M , 取 ( T1PR) = 6666 , 使采樣周期為 ( 20 ms/ 120) , 通用定時器按定標 ( × ) 的輸入時鐘從零開 1 始計數 ,直到它的計數器值和周期寄存器值相等為 止。 經兩個 CPU 時鐘周期后周期中斷標志位置位 , 同時啟動 AD 轉換 。 ( 3) 邏輯預處理及 DFT 運算 將采樣數據分為 6 段 ( i = 1 , . . . ,6) , 分別計算
20

Si =

j= 1

[ ∑n

[ ( j + 20 ( i - 1) ]

- n 20 i ] , 根據觸發(fā)角大小調用

存儲器中預先計算好的標準 S 11 值 。整流電壓瞬時 最大值對應的 AD 轉換值為“3A2 ( h) ” 根據上文中 , 閾量選取原則再綜合其它因素影響 , 分別選擇“9F ( h) ” 0AE( h) ” “ 、 作為閾量進行邏輯預處理。 y 1 = 1 , 取 λ1～λ6 值以得出故障模式向量 y 2 = 0 , y 3 = 2 確定
N- 1

S 。 X ( k) = DFT[ x ( n) ] = 由

n= 0

∑x ( n) W

nk N

,將故障向

α 量作 6 點 DFT 運算 , 計算 α0 、 1 及 θ三個特征量 , 再根據 3 個特征量的取值進行分類定位 。 變換 DFT 用到的 12 個系數為 cos ( 2πn/ 6) :1 0. 5 - 0. 5 - 1
- 0. 5 0. 5 ; sin ( 2πn/ 6) : 0 3/2 3/2 0 3/2 3 / 2 ( n = 0 ,1 ,2 ,3 ,4 ,5) ,12 個系數

( 1) 確定觸發(fā)角 A 相電壓過零時刻 T1、VT1 開始導通時刻 T2 和

預存于存儲器中以備調用 。 ( 4) 顯示部分 顯示部分通過 6 個 IO 口驅動發(fā)光二極管 , 出 現故障時對應的二極管發(fā)光警告 。

觸發(fā)角關系為 :α= [ ( T2 - T1) / 0. 02] × ° 30° A 360 。 相電壓通過霍爾傳感器后經過零比較器及光耦隔離 轉換后成一方波信號 ( 0 , 3. 3 V) , VT1 開始導通時將 產生一上跳電平。當系統(tǒng)檢測 IOPC7 口出現高電平 (即過零點時刻 T1) 時啟動計數器 , 當發(fā)生 XINT2 中 斷時在服務程序中讀取計數器值即為兩個時刻的差 值根據以上關系即可得到觸發(fā)角大小。

4 實驗結果
該裝置安裝調試完后 , 在三相橋式整流裝置 ( 電阻性負載 ,電阻為 280 Ω) 上實驗 。 系統(tǒng)的診 DSP 斷實驗是在電網電壓不平衡 ,人為使觸發(fā)器的觸發(fā) 角不一致 , 造成整流波形發(fā)生畸變 ( 其波形上的小 鋸齒是由其他晶閘管換向所產生 ) 的情況下進行

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的 。將部分晶閘管觸發(fā)脈沖撤掉造成以上各類故障 情況 , 讓整流裝置在正常狀態(tài)及各種故障狀態(tài)下運 行。如不加 VT4、 5 觸發(fā)脈沖時診斷顯示結果為指 VT 示燈 LED4 和 LED5 發(fā)光警告 , 不加 VT1、 4 觸發(fā)脈 VT 沖時 LED1 及 LED4 亮 , 不加VT1、 3 和 VT4 觸發(fā)脈 VT 沖時 LED1 、 LED3 及 LED4 亮。其整流電壓實測波形 如圖 6 所示。實驗表明 DSP 診斷系統(tǒng)仍能對各類故 障及時診斷定位 , 抗干擾性強 , 與上述理論分析相 符 ,起到了在線監(jiān)測和實時診斷的目的 ,且整流裝置 高壓電路與診斷系統(tǒng)低壓電路完全隔離。

變但電壓值不為零情況下 S 值 。將預處理后的 12 維模式向量進行 DFT 分析 , 同樣可診斷定位出各 類故障 。對于觸發(fā)角變化速度不快 ,經過邏輯預處 理就可消除其對診斷影響 。但很多場合整流裝置 的快速過渡過程 ( 如加減速 、 正反切換等) 中 , 其觸 發(fā)角 α的突變很大 。由分析可知 , 某周期內由于 α 的突變 , 三相橋式整流電路在正常情況下 6 個波頭 中有突變前后兩種不同形狀的正常波頭 ,而在故障 情況下則至少有三種形狀波頭 ( 包括波頭消失 , 面 積為零情況) 。因此 ,故障診斷時可根據步驟 ( 3) 所

5 結論
本方法通過對整流電路輸出波形分析及邏輯 預處理 ,依據譜分析得出的直流分量及一次諧波幅 值和相位進行診斷定位 。實驗表明該診斷方法有 效 ,具有以下特點 : 診斷過程直接 , 經過預處理及譜分析 , 可解決 α不一致及故障類增多時導致診斷結果混亂等問 題。 譜分析只需計算傅立葉變換的 α0 , α1 , θ三個 特征量 , 分類簡單 、 運算量小 、 定位準確 、 診斷速度 快 , 達到了在線自動診斷的目的 。此外 , 一般情況 下只需判斷前 5 個波段的整流波形是否一致就可 以確定電路有無故障 ,可起到在線監(jiān)測作用 。 只需一個測試點及兩個同步信號 , 減少了DSP 診斷系統(tǒng)測試點 ,簡化了硬件電路 。 具有一定的通用性 。對于其它的故障狀態(tài) ,采 用該預處理方法再進行譜分析也可以實現診斷定 位 。另外本方法也同樣適合于其他可控整流形式 電路 。 如對于 12 脈波整流電路 ,將整流電壓一周期 波形等分為 12 個波段 (π/ 6) , 用 y 1 , y 2 , y 3 , y 4 進行 邏輯預處理 , y 1 代表正常狀態(tài)下 S 值 , y 2 代表整流 瞬時電壓為零時 S 值 , y 3 , y 4 代表故障狀態(tài)波形畸

計算的 6 個“Si” 識別出是否存在故障和觸發(fā)角突 , 變。 診斷過程中若按 6 個 Si” “ 的大小能將波頭分為 兩種 , 正常運行 , 或存在故障 , 這樣在 α突變后的 下一周期采樣整流電壓波形 ,按上述方法進行診斷 定位 。
參考文獻 :
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斷 [J ] . 電工技術學報 ,1997 ,12 ( 6) :49 - 54.
[ 4] Ma Hao , Y. s. Lee. Fault Diagnosis of Power Electronic Circuits Based on Neural Net Network And Waveform Analysis[J ]. Proceedings of IEEE PEDS’ 99 ,1999. 234 - 237.

作者簡介 : 陳如清 ( 1979 - ) , 男 , 碩士研究生 , 漢 族 ,從事控制科學與工程專業(yè)工作。

李 強 ( 1979 - ) , 男 , 漢族 , 汕頭超聲顯示器有限公司助工 , 主要從事電子產品的開發(fā)設計工作。 收稿日期 : 2003 - 10 - 10

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