一种基于DSP的电力电子电路在线故障诊断方法

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2004 年 第 26 卷 第 3 期 第 44 页

电气传动自动化
EL ECTRIC D RIVE AUTOMATIO N

Vol. 26 , No. 3 2004 ,26( 3) :44～ 48

文章编号 :1005 — 7277 ( 2004) 03 — 0044 — 05

一种基于 DSP 的电力电子电路在线故障诊断方法
陈如清 1 , 李 强
2

( 1. 嘉兴学院 信息工程学院 , 浙江 嘉兴 314001 ; 2. 汕头超声显示器有限公司 , 广东 汕头 515041)

摘要 : 以三相桥式整流电路为例 , 首先对可控整流装置正常工作和故障运行时整流电压波形进行分析和归 类 , 定义了一种 “面积” 并建立了故障模型 , 提出了一种改进的谱分析故障诊断方法 , 根据其特征值进行诊断 定位 ; 其次归纳出实验算法并用 DSP 系统实现 , 实验表明该方法实现了可控整流装置的在线故障诊断和监 测 ; 最后总结了该方法的特点并推广至其它形式整流电路 。 关键词 : 故障在线诊断 ; 谱分析 ; DSP 中图分类号 : TM4 文献标志号 : 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
实际生产中 ,电力电子设备通常被用于生产工 艺的关键流程之中 ,对于整流装置最易损坏的为功 率器件 。当晶闸管发生直通故障时 ,瞬间将造成相 电压短路 , 使进线电流上升 , 保护电路动作切断主 回路 ; 而当晶闸管桥臂发生开路故障 ( 包括晶闸管 元件损坏 、 快熔熔断或触发脉冲丢失等故障) 时 ,整 流电路仍然工作 , 使负载不能正常运行 , 对整个生 产过程带来破坏性的影响 。因此 ,对整流装置进行 在线故障诊断定位具有重要的意义 。 现有的电力电子装置故障诊断方法有 : ( 1) 传 统的电流检测法 ; ( 2) 传统的电压检测法 ; ( 3) 模式 识别的方法 , 即对故障整流波形变换 , 寻找故障特 征 ,实现故障诊断 ,包括直接波形分析 、 谱分析和基 于神经网络等故障诊断方法 。 前两种方法测试点多 、 硬件电路复杂 、 抗干扰 性差 ,一般很少采用 。常用的方法为模式识别的方 法 ,直接的波形分析法适合于建模简单的二极管整

流电路 [3 ] ,对晶闸管可控整流电路不适 合 。 现有谱 分析方法只适合于故障类较少的情况 [4 ] , 且触发角 α 的变化对诊断定位也有影响 。晶闸管整流装置 的故障检测与监视已有论述 [2 ] , 但这些方法不具备 在线诊断定位功能 。本文以三相桥式可控整流电 路为例 , 对整流电压波形进行分段及逻辑处理 , 将 其用多值逻辑向量表示 , 用 DFT 方法分类定位 , 解 决了以上问题 。其处理分析方法通用 、 诊断定位准 确方便 ,最后在 DSP 系统上进行实验验证 。

2 整流电路故障分析及诊断原理

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2. 1 故障分类

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

根据三相桥式整流电路工作原理 ,正常工作时 每周期由六个形状相同的波头组成 。分析以晶闸 管桥臂开路故障为例 。当桥臂开路时 ,电压波形按 一定规律产生畸变 。故障情况可分为以下 8 类 : 第一类 : 无晶闸管故障 ,正常运行 。 第二类 : 只有 1 只晶闸管故障 , 细分为 6 种故 障元 ,VTi 故障 。( i = 1 ,. . . ,6) 第三类 : 接同一相电压的 2 只晶闸管故障 , 包 括 3 小类 ,VTi 及 VTj 故障 。( i = 1 ,2 ,3 , j = i + 3)

第四类 : 同一半桥中的 2 只晶闸管故障 , 包括
6 小类 , VTi 及 VTj 故障 。( i = 1 ,. . . ,6 , j = ( i + 2) mod6 “mod” , 表示模运算或称求余运算 ,以下同)

当 i 取不同值时 ,上述故障分类包括所有一路 、 二路桥臂故障以及桥内三路桥臂故障 ( 不包括同一 半桥 3 只晶闸管同时故障) 情况 。各类典型故障的 整流电压波形如图 2 所示 。在上述故障分类中 , 同 一类故障不同的故障元电压波形相同 , 只是时间 坐标发生平移 , 如第二类故障中将 VT1 故障波形 右移 60° 得到 VT2 故障波形 , 依此类推 。通过各类 典型故障波形的坐标平移可分别得到以上 40 小 类故障波形 。波形采样时以 VT1 开始导通时刻为 采样同步点 , 将一周期 ( 2 ) 波形等分为 6 段 , π 这样在不同触发角下的 u d 波形各波段对应的导 通晶闸管相同 。 正常工作时整流波 形由六个形状相同波头 构成 , 故障情况下部分波 头产生畸变或者波形消 失。 正常波头和畸变波头 共同组成一周期 ( 6 波 头) 整流电压波形 , 根据 各自位置和畸变程度不 同可以判断出故障类 型 。在π/ 3 区间内定义 ( 了一种 “面积”其他形式 整流电路“面积”定义因 正常波形一周期内波头 个数而异) , 它反映了各 波头的状态及畸变程 度 。综合各种情况 , 特定 义如下 3 个" 面积" : ( 1) 正常状态 ( 触发角 , U2 L 为输入线电压有 α 效值) 下的 “面积” 定义 :
S 11 =

第五类 : 序号相邻的 2 只晶闸管故障 , 包括 6 小 类 ,VTi 及 VTj 故障。( i = 1 ,. . . ,6 , j = ( i + 1) mod6) 3 只晶闸管故障 ( 不包括同一半桥 3 只晶闸管 同时故障) : 第六类 : VTi , VTj 及 VTk 故障 , 包括 6 小类 。
( i = 1 ,. . . ,6 , j = ( i + 1) mod6 , k = ( i + 2) mod6)

=

第七类 : VTi , VTj 及 VTk 故障 , 包括 6 小类 。
( i = 1 ,. . . ,6 , j = ( i + 2) mod6 , k = ( i + 3) mod6)

第八类 : VTi ,VTj 及 VTk 故障 ,包括 6 小类 。

以下为故障状态下的 “面积” 定义 : ( 2) 当负载波形消失 ,电压瞬时值为零 ,此时定 义 “面积” 12 = 0 。 S ( 3) 其他的故障状态下 ,畸变波头 “面积” S 13 用 表示 。 2. 2 预处理及 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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根据上述对各段故障波形的分析 ,整流电压波 形可用向量 S = {λ1 , . . . ,λi , . . . ,λ6} 表示 , 正常工作 λi = S 11 , 故障情况下 λi 可为 S 11 , S 12 , S 13 。预处理 时 ,用常量 y 1 , y 2 , y 3 分别代替表达式 S 11 , S 12 , S 13 其 中 y 1 , y 2 , y 3 值反映了波头畸变程度 ,这样 6 波段整 流波形就可以用由特征值 y i ( i = 1 , 2 , 3) 构成的模 式向量来表示 。 选取 y 1 = 1 , y 2 = 0 , y 3 = 2 时 ,描述以 上典型故障波形的模式向量为 :
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}

次谐波或二次谐波相位) 。 DFT 分析原理及故障 由 模式向量的特点可知 , 同一类故障模式向量 DFT 变换得到 α0 , α1 相同 , 利用 α0 , α1 值可划分各类故 障 , 同一类故障的不同故障元可按 θ值的不同加 以区分 。 这样仅用这三个特征值就实现了故障的分类 定位 。 3 分别为正常情况下 ,VT1 故障 ,VT1 及 VT4 图 故障 ,VT2 、 3 及 VT4 故障的 DFT 分析仿真波形 。 VT 各 种情况下分析结果如表 1 所示 。类型 1～ 8 表示所 属故障类别 , i 取不同值时对应各类不同的小类 。 另外 , 考察 α 变化对预处理影响 。由 S 11 = π π 2 ( ) 2 U2 L [ cosα+ α ] , 以 α为变量对 S 11 3 sin
3

将各向量平移即可得出同类中不同故障元的 模式向量 。如 S VT2 = {1 ,2 ,0 ,1 ,1 ,1} ,依此类推 。 DFT 算法能够实现整数次谐波的精确分析和 检测 。 将上述模式向量进行 DFT 分析后发现 ,仅用 直流分量和低次谐波幅值和相位可实现故障诊 断 。将故障模式向量进行 DFT 变换得到 α0 , α1 , θ 值 ,即为直流分量 ,一次谐波幅值和相位值 ( 可为一

求一阶导数后令 S 11 为零 , 得出当 α= 80° , S 11 取 时 最大值为 0. 752 U2 L 。若某周期内 α变化 1° :
S11 =

= 0. 728 U2L , 故 max △S 11 = 0. 024 U2L , 因此进行逻辑

预处理时选择大于 max △S 11 的阈量即可消除 α的 影响 。

表 1 分析结果
类型 参数 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 类参数为 α ,α ,θ . 其余参数为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 的诊断系 统实现
3
故障诊断系统主要包 括同步信号的取样与隔 离 , 整流电压的采样 , DFT 故障诊断算法及显示报警 电路四部分 。系统硬件结 构框图如图 4 所示 。DSP 采用 TMS320LF2407A , 它 具有以下特点 : ① 采用高 性能静态 CMOS 技术将供 电电压降为 3. 3 V 以减小 功耗 ; ② MIPS 的执行速 40 度使得指令周期缩短为 25
ns ; ③ 片内 32 K字 FLASH

程序存储器 ,高达 2. 5 K字 的数据/ 程序 RAM; ④ 位 10
A/ D 转换器最小转换时间
8 7 2. 65 139 - 60 i

可达 375 ns ; ⑤ 高达 40个
GPIO 口 ; ⑥ 个外部中断 ; 5

⑦ 有适合于信号处理的专 门寻址方式 , 如位翻转寻



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( 2) 电压的采样

址方式适合于 FFT 运算 [1 ]。 程序流程如图 5 所示 , 诊断过程可分为以下几 个步骤 :

整流电压经 R 1 、R 2 采样电阻分压后 u d 为 - 1. 5～ + 1. 5 V 的电压信号 , 由于 DSP 自带 ADC 模拟输入参考电压高低电 平分别为 3. 3 V 和 0 , 故应先将 u d 转换 , 图中 u p 为偏置电压 ( 大小为 1. 5 V) 。 u d 经过抬高 、 隔离 、 限幅后转换成 0～ 3. 3 V 电压信号以满足 DSP 的 AD 转换要求 。 在 XINT2 中断服务程序里重新设置定时器 ( 连续增计数模式 / 周期中断标志启动 AD) 。DSP 外接 10 M 晶振经内部 PLL 倍频后 f 为 40 M , 取 ( T1PR) = 6666 , 使采样周期为 ( 20 ms/ 120) , 通用定时器按定标 ( × ) 的输入时钟从零开 1 始计数 ,直到它的计数器值和周期寄存器值相等为 止。 经两个 CPU 时钟周期后周期中断标志位置位 , 同时启动 AD 转换 。 ( 3) 逻辑预处理及 DFT 运算 将采样数据分为 6 段 ( i = 1 , . . . ,6) , 分别计算
20

Si =

j= 1

[ ∑n

[ ( j + 20 ( i - 1) ]

- n 20 i ] , 根据触发角大小调用

存储器中预先计算好的标准 S 11 值 。整流电压瞬时 最大值对应的 AD 转换值为“3A2 ( h) ” 根据上文中 , 阈量选取原则再综合其它因素影响 , 分别选择“9F ( h) ” 0AE( h) ” “ 、 作为阈量进行逻辑预处理。 y 1 = 1 , 取 λ1～λ6 值以得出故障模式向量 y 2 = 0 , y 3 = 2 确定
N- 1

S 。 X ( k) = DFT[ x ( n) ] = 由

n= 0

∑x ( n) W

nk N

,将故障向

α 量作 6 点 DFT 运算 , 计算 α0 、 1 及 θ三个特征量 , 再根据 3 个特征量的取值进行分类定位 。 变换 DFT 用到的 12 个系数为 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 个系数

( 1) 确定触发角 A 相电压过零时刻 T1、VT1 开始导通时刻 T2 和

预存于存储器中以备调用 。 ( 4) 显示部分 显示部分通过 6 个 IO 口驱动发光二极管 , 出 现故障时对应的二极管发光警告 。

触发角关系为 :α= [ ( T2 - T1) / 0. 02] × ° 30° A 360 。 相电压通过霍尔传感器后经过零比较器及光耦隔离 转换后成一方波信号 ( 0 , 3. 3 V) , VT1 开始导通时将 产生一上跳电平。当系统检测 IOPC7 口出现高电平 (即过零点时刻 T1) 时启动计数器 , 当发生 XINT2 中 断时在服务程序中读取计数器值即为两个时刻的差 值根据以上关系即可得到触发角大小。

4 实验结果
该装置安装调试完后 , 在三相桥式整流装置 ( 电阻性负载 ,电阻为 280 Ω) 上实验 。 系统的诊 DSP 断实验是在电网电压不平衡 ,人为使触发器的触发 角不一致 , 造成整流波形发生畸变 ( 其波形上的小 锯齿是由其他晶闸管换向所产生 ) 的情况下进行

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的 。将部分晶闸管触发脉冲撤掉造成以上各类故障 情况 , 让整流装置在正常状态及各种故障状态下运 行。如不加 VT4、 5 触发脉冲时诊断显示结果为指 VT 示灯 LED4 和 LED5 发光警告 , 不加 VT1、 4 触发脉 VT 冲时 LED1 及 LED4 亮 , 不加VT1、 3 和 VT4 触发脉 VT 冲时 LED1 、 LED3 及 LED4 亮。其整流电压实测波形 如图 6 所示。实验表明 DSP 诊断系统仍能对各类故 障及时诊断定位 , 抗干扰性强 , 与上述理论分析相 符 ,起到了在线监测和实时诊断的目的 ,且整流装置 高压电路与诊断系统低压电路完全隔离。

变但电压值不为零情况下 S 值 。将预处理后的 12 维模式向量进行 DFT 分析 , 同样可诊断定位出各 类故障 。对于触发角变化速度不快 ,经过逻辑预处 理就可消除其对诊断影响 。但很多场合整流装置 的快速过渡过程 ( 如加减速 、 正反切换等) 中 , 其触 发角 α的突变很大 。由分析可知 , 某周期内由于 α 的突变 , 三相桥式整流电路在正常情况下 6 个波头 中有突变前后两种不同形状的正常波头 ,而在故障 情况下则至少有三种形状波头 ( 包括波头消失 , 面 积为零情况) 。因此 ,故障诊断时可根据步骤 ( 3) 所

5 结论
本方法通过对整流电路输出波形分析及逻辑 预处理 ,依据谱分析得出的直流分量及一次谐波幅 值和相位进行诊断定位 。实验表明该诊断方法有 效 ,具有以下特点 : 诊断过程直接 , 经过预处理及谱分析 , 可解决 α不一致及故障类增多时导致诊断结果混乱等问 题。 谱分析只需计算傅立叶变换的 α0 , α1 , θ三个 特征量 , 分类简单 、 运算量小 、 定位准确 、 诊断速度 快 , 达到了在线自动诊断的目的 。此外 , 一般情况 下只需判断前 5 个波段的整流波形是否一致就可 以确定电路有无故障 ,可起到在线监测作用 。 只需一个测试点及两个同步信号 , 减少了DSP 诊断系统测试点 ,简化了硬件电路 。 具有一定的通用性 。对于其它的故障状态 ,采 用该预处理方法再进行谱分析也可以实现诊断定 位 。另外本方法也同样适合于其他可控整流形式 电路 。 如对于 12 脉波整流电路 ,将整流电压一周期 波形等分为 12 个波段 (π/ 6) , 用 y 1 , y 2 , y 3 , y 4 进行 逻辑预处理 , y 1 代表正常状态下 S 值 , y 2 代表整流 瞬时电压为零时 S 值 , y 3 , y 4 代表故障状态波形畸

计算的 6 个“Si” 识别出是否存在故障和触发角突 , 变。 诊断过程中若按 6 个 Si” “ 的大小能将波头分为 两种 , 正常运行 , 或存在故障 , 这样在 α突变后的 下一周期采样整流电压波形 ,按上述方法进行诊断 定位 。
参考文献 :
[ 1] TMS320LF/ LC240XA DSP Controllers Reference Guide[ M] . TEXAS Instruments Incorporated ,2001. [ 2] 刘俊等 . 晶闸管相控变流器的故障监视 [J ] . 电力电子技

术 ,1999 ( 2) :58 - 60.
[ 3 ] 胡安等 . 基于电压波形分析的十二相整流装置故障诊

断 [J ] . 电工技术学报 ,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.

作者简介 : 陈如清 ( 1979 - ) , 男 , 硕士研究生 , 汉 族 ,从事控制科学与工程专业工作。

李 强 ( 1979 - ) , 男 , 汉族 , 汕头超声显示器有限公司助工 , 主要从事电子产品的开发设计工作。 收稿日期 : 2003 - 10 - 10

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