全控整流

全控整流（精选4篇）

全控整流 篇1

0引言

整流电路是电子电力中出现最早的一种,它的作用是将交流电能变为直流电能供给直流用电设备。整流电路的应用十分广泛,例如直流电动机、电镀、电解电源、同步发电机励磁、通信系统电源等。整流电路可从各种角度进行分类,如从交流输入相数分为单相电路和多相电路。目前在各种整流电路中,应用最为广泛的就是三相桥式全控整流电路。本文主要研究了三相桥式整流电路的原理以及其在MATLAB/Simulink中的建模与仿真。

1 三相桥式全控整流电路的工作原理介绍

三相桥式全控整流电路原理图如图1所示[1]。在图1中该电路是由变压器、共阴极组(VT1,VT3,VT5)、共阳极组(VT4,VT6,VT2)以及负载连接而成,其中变压器一次侧接成三角形,目的是避免3次谐波流入电网,二次侧接成星形可得到零线。由于电路采用了六个晶闸管,晶闸管为半控器件,需要设计触发电路才能使它们导通。电路正常工作时,每个时刻需两个晶闸管导通,一个为共阴极组,另外一个为共阳极组的。本电路的采用的是双脉冲触发方式,以确保前一个晶闸管导通。六个晶闸管的脉冲按照VT1-VT2-VT3-VT4-VT5-VT6的顺序依次导通,相位依次差60°。在满足触发条件的情况下,共阳极组中处于通态的晶闸管对应正得最多的相电压,共阴极组中处于通态的晶闸管对应负得最多的相电压。输出整流电压Ud则为两相电压之差。根据晶闸管的工作情况,故将波形中的一个周期等分成六段,每段60°[2,3]。

2 三相桥式全控整流电路在MATLAB/Simulink的建模与仿真

2.1 三相桥式电路的仿真模型

三相桥式全控整流电路由整流变压器、6个桥式连接的晶闸管、负载、触发器和同步环节组成。三相桥式整流电路的仿真使用Sim Powersystems模型中的三相桥和触发器的集成模块,用它们组成的三相桥式整流电路的仿真模型如图2所示。在有的模型库中6-pulse thyristor bridge模块仍使用信号端口,这时需要psbupdate函数转换为电路端口,6-pulsethyristor bridge模型没有测量端,需要时可打开其子电路,引出晶闸管的测量端口[4]。

2.2 仿真参数设置

(1)三相电源UA、UB和UC仿真参数设置:电压峰值为220√2,可表示为220*sqrt(2),频率为50Hz,相位分别为0°、-120°、-240°

(2)整流变压器仿真参数设置:一次绕组联接(winding 1 connection)选择Delta(D11),线电压U1=220√3=380V;二次绕组联接( winding 1 connection)选择Y,线电压U2=100√3=173V,在要求不高时,变压器容量、互感等其他参数可以保持默认值不变

(3)同步变压器仿真参数设置:一次绕组联接(winding 1 connection)选择Delta(D11),线电压U1=380V;二次绕组联接(winding 2 connection)选择Y,线电压U2=10V,其他参数保持默认值。

(4)三相晶闸管整流器参数使用默认值。

(5)RLC负载仿真参数设置:R=10Ω。

(6)脉冲发生器仿真参数设置:频率50Hz,脉冲宽度取10°,选择双脉冲触发方式。

(7)控制角仿真参数设置:设置为0°、30°、60°等。

另外,仿真时间可以按需要设置,是任意的,时间长观察到的波形多,计算花费的时间也多。一般电阻负载2个电源周期后电路已进入稳态,电感负载因为电流有上升时间,仿真时间也需要长一些,本例设为0.6s。仿真算法采用ode23tb。

2.3 仿真结果及其分析

三相桥式全控整流电路的仿真结果如图3~图11所示。其中图3为三相输入电压仿真波形,图4~图7为负载为纯电阻情况下的输出电压和电流仿真波形,图8~图11为负载为阻感性负载情况下的仿真波形。仿真结果表明:当触发角α小于60°时,负载电压ud波形连续,阻感性负载情况与带电阻负载的情况十分相似,负载电流id波形不同,是因为阻感性负载由于电感的作用,波形更加平滑些,可以推知电感很大时近似一条水平线。当触发角α大于60°时,阻感性负载情况与带电阻负载的情况的ud不同,这是因为电感L的作用,阻感性负载ud波形会出现负的部分。

图7电阻性负载触发角为90°电压和电流仿真波形

图8阻感性负载触发角为0°电压和电流仿真波形

图9阻感性负载触发角为30°电压和电流仿真波形

3 结束语

本文在分析三相桥式全控整流电路原理的基础上,在Matlab/Simulink进行了建模与仿真,仿真结果表明,运用计算机仿真软件能代替实验验证理论分析,为实际工程设计打下了坚实的基础。

全控整流 篇2

1 三相桥式全控整流电路

三相桥式全控整流电路[1],是为了在合闸时可控桥有输出电流或有间断电流时能继续工作,保证每一相有两个晶闸管能同时导通,同时脉冲宽度应>60°,或者采用间隔为60°的双脉冲触发也可以达到目的。晶闸管触发次序依次为VT1→VT2→VT3→VT4→ VT5→VT6,相位依次差60°。共阴极VT2,VT4,VT6和共阳极VT1,VT3,VT5,它们组成了电源系统对负载供电的6条整流回路,各整流回路的交流电源电压为两元件所在相间的线电压。

2 三相全控整流电路的建模与仿真

在Simulink环境下,运用Power System的各种元件模型建立了三相桥式全控整流电路的仿真模型[2,3]。参数设置为:三相交流电压源的相电压幅值为$220\sqrt{2}\text{V}$,频率50 Hz,初相位分别为0°,-120°,120°。电阻为1 Ω,电感值取0.02 H。同步6脉冲触发器采用双脉冲触发,频率50 Hz,触发宽度10°。触发角可以设置为0°,30°,60°和90°。具体仿真模型如图2所示[2]。

开始仿真的时间是0 s,结束时间为0.1 s。数值运算采用ode23tb,将误差设置为1e-3。各模块的参数设置好后开始仿真[3,4,5,6]。

3 理论分析

三相桥式整流电路在电感性负载忽略换相和电流脉动时的交流侧电压和电流,其电流为正负半周各120°的方波,三相电流波形相同,且依次相差120°,其有效值与直流电流的关系同样可将电流波形分解为傅里叶级数。以a相电流为例,将电流负,正两半波之间的中点作为横坐标轴的原点,有

$i{}_a=\frac{2\sqrt{3}}{\text{π}}{\rm I}{}_d(\sin \omega t-\frac{1}{5}\sin 5\omega t-\frac{1}{7}sin7\omega t+\frac{1}{11}\sin 11\omega t+\frac{1}{13}\sin 13\omega t-\frac{1}{17}\sin 17\omega t-\frac{1}{19}\sin \omega t+\cdots )=\frac{2\sqrt{3}}{\text{π}}{\rm I}{}_d\sin \omega t+\frac{2\sqrt{3}}{\text{π}}{\rm I}{}_d{\displaystyle \sum _{\begin{array}{l}n=6k\pm 1\\ k=1,2,3,\cdots \end{array}}}(-1){}^k\frac{1}{n}\sin \omega t=\sqrt{2}{\rm I}{}_1\sin \omega t+\frac{2\sqrt{3}}{\text{π}}{\rm I}{}_d{\displaystyle \sum _{\begin{array}{l}n=6k\pm 1\\ k=1,2,3,\cdots \end{array}}}(-1){}^k\sqrt{2}{\rm I}{}_n\sin n\omega t(1)$

由式(1)可得,电流基波和各次谐波有效值分别为

${\rm I}{}_1=\frac{\sqrt{6}}{\text{π}}{\rm I}{}_d,{\rm I}{}_n=\frac{\sqrt{6}}{n\text{π}}{\rm I}{}_d,n=6k\pm 1,k=1,2,3,\cdots (2)$

由此可知,交流侧电流中仅含有6k±1(k为正整数)次谐波,各次谐波有效值与谐波次数成正比,且与基波有效值的比值为谐波次数的倒数。

功率因数用于衡量输入有功功率与视在功率的比值,其中P,S都不是基波分量,而是所有电压电流的直流分量和各次谐波分量所做的功。

$\text{Ρ}\text{F}=\frac{{\rm P}}{S}=\frac{{\displaystyle \int {\rm P}}\text{d}t}{U{\rm I}}=\frac{{\displaystyle {\int }_0^{{\rm T}}u}\cdot i\text{d}t}{\sqrt{{\displaystyle {\int }_0^{{\rm T}}u}{}^{2}i\text{d}t\cdot {\displaystyle {\int }_0^{{\rm T}}i}{}^2\text{d}t}}=\frac{{\displaystyle \sum _{k=1}^{\infty }U}{}_k\cdot {\rm I}{}_k\cdot \cos \theta {}_k}{{\displaystyle \sum _{k=1}^{\infty }U}{}_k^2\cdot {\displaystyle \sum _{k=1}^{\infty }{\rm I}}{}_k^2}(3)$

当输入电压波形不失真时,式(3)可以简化成式(4)

$\text{Ρ}\text{F}=\frac{{\rm I}{}_1\cos \theta {}_1}{{\displaystyle \sum _{k=1}^{\infty }{\rm I}}{}_k^2}=\frac{\cos \theta {}_1}{\sqrt{1+\text{Τ}\text{Η}\text{D}{}^2}}=\mu \cdot \lambda (4)$

其中,$\mu =\frac{{\rm I}{}_1}{{\displaystyle \sum _{k=1}^{\infty }{\rm I}}{}_k^2}$为基波系数;λ=cosθ1为基波位移系数;$\text{Τ}\text{Η}\text{D}=\frac{{\displaystyle \sum _{k=1}^{\infty }{\rm I}}{}_k}{{\rm I}{}_1}\times 100\%$为失真系数。

4 仿真分析

交流侧谐波电流的检测可以通过Powergui模块实现。打开FFT Analysis工具选项,输入选择的变量三相电源a相电流;开始时间设置为0.04 s,频率50 Hz,显示设置为Bar(relative to fundamental),得到FFT窗口如图5所示。由图可知,三相全控整流电路交流侧电流谐波含有次数为6k±1(k为正整数)。其中,基波电流的幅值534.2 A,总谐波畸变率为31%。再将显示设置为List(relative to fundamental),就可以观察到具体各次谐波分量含有率。

根据文献[4]建立功率因数测量模块。THD模块测量a相电流谐波总畸变率。两个Fourier模块分别测量出a相电压和基波电流的相位。Gain模块参数设置为pi/π目的在于将角度转变为弧度。模块中的频率都设置为50 Hz。其他参数设置与上述相同。当逐次改变触发角α的角度时,即分别为30°,60°,90°时观察其功率因数的仿真结果。

从图6可知,当达到稳定状态后功率因数仿真值和理论值二者的差距很小,可以忽略。

5 结束语

本文采用Matlab/Simulink对三相全控整流电路进行仿真,验证了实验模型的正确性。可以看出,利用仿真可以使复杂的计算过程和参数调试变得简单直观。利用所建模型对三相全控整流阻感负载的谐波和功率因数进行仿真分析,为下一步的谐波抑制和无功功率补偿的研究提供基础。

摘要：通过对Matlab的Simulink建立三相全控整流的仿真模型进行动态仿真。阻感负载整流电路作为电力电子装置输入端电路之一,是电力系统中的主要谐波源。从工程实际出发,忽略换相过程和直流侧电流脉动,对阻感负载三相桥式全控整流电路的功率因数和谐波情况进行动态仿真。仿真结果证实了模型的正确性,可以看出仿真使复杂的计算变得简单、直观。

关键词：三相全控整流,Simulink,动态仿真,谐波,功率因数

参考文献

[1]张石安,张炜.电力电子技术基础[M].北京:电子工业出版社,2008.

[2]臧小惠.基于Simulink的三相桥式全控整流电路的建模与仿真[J].内江科技,2007,28(2):120-121.

[3]谢仕宏.Matlab R2008控制系统动态仿真实例教程[M].北京:化学工业出版社,2009.

[4]陈彬,张政权,向欣,等.基于Matlab的高频开关电源功率因数测量电路研究[J].电源技术应用,2009,12(3):16-19.

[5]黄江波.基于Matlab的三相桥式全控整流电路的仿真研究[J].现代电子技术,2010(8):210-212.

全控整流 篇3

随着社会和科技的发展, 电力电子器件在工业中使用的种类和数量规模日趋增多。尤其在电力系统、电气传动和轨道交通等行业中, 由可控硅元件构成的三相桥式全控电路作为变流回路的主流拓扑, 在行业中使用相当广泛。现代同步发电机励磁系统, 基本都采用三相桥式全控整流电路提供励磁电流到发电机转子回路[1]。

三相桥式全控整流电路主要是通过换相整流形式将交流电变成直流电。在换相过程中, 快速关断的可控硅内部重新形成PN结时, 由于漏抗的存在, 在交流端将产生很高的换相过电压。为了保证回路中各元件的安全, 一般在可控硅元件的AK极连接抑制回路来限制可控硅换相过电压, 保护元器件的安全。

抑制可控硅换相过电压的方式主要有非线性电阻、RC阻容电路等。随着使用年限的增加, 非线性电阻存在老化问题, 且一般只能限制过电压的幅值, 不能降低过电压的上升率。而较高电压上升率的换相过电压可能导致其他处于关断状态的可控硅导通, 存在可控硅桥失控的隐患。而RC阻容吸收限制器在限制幅值的基础上可以减缓电压上升率, 而且没有荷电率问题, 具有较高的可靠性和抑制性能, 因此三相桥式全控整流电路一般采用RC回路作为抑制回路限制可控硅换相过电压。

RC回路参数的选取原则包含两个方面: (1) 限制换相过电压在容许范围内; (2) 消耗的功率尽可能小。文献[1]介绍了RC回路参数的设计计算方法并给出了计算实例。文献[2]分析了单个可控硅的反向恢复过程, 讨论了反向恢复电流的指数函数模型和双曲函数模型, 并给出了RC回路参数的实用计算方法。需要指出的是, 按此方法选取的阻容回路参数并不一定是最佳的。

为选取最佳RC参数, 需要对换相过程进行模拟。文献[3]用PSPICE仿真软件对单个可控硅及吸收电路进行了模拟, 并对RC参数对换相过电压的影响进行了分析。当电容达到一定数值时, 进一步增加电容值对减小换相过电压作用不大。对于某个特定电容值, 存在使换相过电压最小的电阻值。文献[4]用Matlab/Simulink建立了包含反向恢复过程的可控硅模型, 并进行了测试电路和三相交流整流电路的仿真。

本文结合可控硅元件的反向恢复特性和三相桥式全控整流电路及电感性负载的特点进行数学建模, 直接用Matlab进行求解, 提高了仿真速度, 并用实际工程参数和换相过电压波形对仿真结果进行了验证。

2 模型的建立

三相全控桥式整流电路拓扑结构如图1所示。每一个可控硅元件并联一组阻容吸收支路以限制该元件在换相过程中出现的换相过电压。

图1中, T1-T6为可控硅元件, R1-R6、C1-C6分别为阻容吸收回路的电阻和电容。根据电路工作原理可知, 可控硅元件T1-T6依次在T1-T6时刻导通, 同时在T5-T4依次关断, 且周而复始。

对图1电路的建模基于三个方面的考虑: (1) 换相时可控硅元件的关断过程; (2) 交流电源侧的电感; (3) 负载为大电感的感性负载。

2.1 可控硅元件的关断模型

三相全控桥式整流电路在换相时, 可控硅元件由于所加的反向电压而被强行关断。由于残留的载流子不能立即消失, 在反向电压存在条件下, 元件内部将再次形成PN结, 导致可控硅内部电流将反向流通, 直到电流快速衰减到稳态漏电流值。由于交流电源侧漏电感的存在, 此时产生的尖峰脉冲di/dt在回路电感上会产生很高的过电压即换相过电压。文献[2]对反向恢复电流模型作了详细分析, 包括突然截止模型、指数模型和双曲正割模型。考虑工程的通用性和精确性选用指数函数模型作为可控硅元件关断模型, 如图2所示。

图2中I0为可控硅关断前流过的电流, -t0为可控硅开始换相的时刻 (本文取t0>0) , Irr为最大反向恢复电流, Qrr为反向恢复电荷, t1为达到最大反向恢复电流的时间。

可控硅反向恢复电流模型可表示为:

2.2 三相全控桥式整流电路数学模型

假设T1为每个周期的开始时刻, 该时刻由可控硅的触发角度所决定。因此对于考虑换相过电压的模型, 将可控硅关断模型加入每个分段函数即可。

现以T1关断、T3开通为例, 建立具有换相过电压的模型。此时T2处于导通状态, 由于换相过程十分短暂, 且当负载为大电感性负载时, 流过c相的电流ic基本不变化, 故dia/dt=-dib/dt。由基尔霍夫定律可知:

式中:ua、ub、uc分别为不考虑换相过电压的变压器a、b、c相的相电压;La、Lb、Lc分别为变压器a、b、c相的漏感;Vak、uc1分别为关断可控硅AK极两端电压和阻容吸收电容两端电压;ic1为流过电容的电流。

当t≥t1且当iak小于可控硅漏电流后, 可控硅T1将处于关断状态。由于可控硅漏电流非常小, 因此可忽略为0。因此, 当t≥t1且当iak小于可控硅漏电流后式 (2) 将变为:

三相桥式全波整流电路交流侧相电压为:

其中:ua′为整流桥输入侧实时相电压, 相电压ub′、uc′可用类似的表达式表示。

三相桥式全波整流电路输出直流电压为:

式 (1) - (5) 完整地表述了考虑换相过电压的三相桥式全控电路模型。该模型可用Matlab直接求解。相对于采用Matlab/Simulink仿真, 不需要专用工具箱, 从而节省了软件费用。由于不必对每个可控硅元件建模, 仿真过程可大大简化, 且仿真速度很快。

3 模型的验证

为了验证该模型的正确性, 根据上述模型用Matlab进行了仿真, 同时将仿真结果与在励磁系统使用的三相全控桥式整流电路的录波进行了对比。

某电厂7号机励磁阳极电压录波波形如图3所示, 仿真波形如图4所示。现场测试条件:Uab为额定1024V, 触发角为76.8°, 直流电流为2878A, R1=20Ω, C1=2.5μF, 仿真参数基本与现场测试条件相同, 可控硅为T451N型。根据当前运行的参数查可控硅特性曲线可知Irr=527A, Qrr=20.8m As。

由波形图可看出其波形基本一致, 测量的换相峰值约为2400V, 仿真得到的换相峰值幅值为2360V, 由于仿真是没有考虑励磁变到可控硅电缆连接的电抗, 因此将会产生一部分差异, 但是由于换相差异很小, 在工程设计时可忽略不计。

4 结论

针对三相全控桥式整流电路可控硅元件的换相过电压问题, 通常采用并联阻容电路来限制换相过电压。为选取最佳的阻容参数, 建立了考虑换相过电压的三相桥式全控整流电路模型, 并通过电厂实例验证了该模型的正确性。

参考文献

[1]李基成.现代同步发电机励磁系统设计及应用 (第2版) [M].北京:中国电力出版社, 2009.

[2]JWaldmeyer, BBacklund.Design of RC Circuits for Phase Control Applications.ABB Doc.No.5SYA2020-02, Feb.2008.

[3]张斌, 王辉, 李增印, 李全香.基于P-N结反向恢复过程的吸收电路的仿真设计[J].机车电传动, 2003 (6) :27-30.

[4]郝勇, 许其品, 曾继伦, 吕宏水.可控硅换相过电压的MATLAB仿真[J].水电厂自动化, 2007 (4) :195-199, 204.

全控整流 篇4

整流电路是电力电子电路中最早出现的一种电路形式,它将交流电变为直流电,应用十分广泛,电路形式多种多样,各具特色。在各种整流电路中,应用最广泛的是三相桥式全控整流电路,通常选择晶闸管作为其整流器件[1]。但是在电力电子器件中晶闸管属于易于损坏器件,并且由于在某些电力电子设备中晶闸管的数量非常大,因此准确地确定哪只管子损坏是一项费时、费力的工作。因此,针对如何快速,准确地确定电力电子设备中的器件故障问题,国内外学者进行了许多有效的研究工作。特别是近些年来随着人工神经网络及模糊控制理论等的发展,提出了一些新的故障诊断方法。参考文献[2]针对整流电路中所有可能的故障类型,以输出电压波形为故障信息,通过建立一个神经网络解决了晶闸管故障的诊断问题。参考文献[3]通过对输出电压进行傅立叶变换得出直流及各次谐波分量来提取特征信息,再建立一个神经网络解决晶闸管故障的诊断问题。这些方法有效地推动了人工神经网络在电力电子电路故障诊断中的应用。但这些方法建立的神经网络结构比较复杂,网络训练时间较长。为了减少这些问题,本文在电力电子技术理论的基础上对于每一类故障建立一个简单的BP神经网络来完成晶闸管故障的诊断。

由于三相桥式全控整流电路是一个比较复杂的非线性时变系统,采用常规方法对其建模和分析是很困难的,因此本文采用Matlab仿真软件,建立三相桥式全控整流电路及其故障的仿真模型。

本文完成的工作如下:首先基于Matlab建立三相桥式全控整流电路的仿真模型,完成对各种故障的分类,并得出在不同的晶闸管故障情况下的负载电压波形,并以此为依据提取用于BP神经网络训练的样本;然后根据不同故障类型建立相应的三层的BP神经网络,通过上面确定的学习样本(输入样本和期望的输出样本)对网络进行训练,确定出合理的网络结构;最后用一新的输入样本对已训练好的网络进行仿真测试。仿真结果表明故障诊断结果的正确性。

1 三相桥式全控整流电路故障诊断的仿真

1.1 三相桥式全控整流电路构成

三相桥式全控整流电路的原理框图如图1所示[3,4]。它是由整流变压器、6路脉冲发生电路,6只晶闸管构成的整流桥路及负载构成的。运用Matlab/Simulink和Sim Power System(电力系统仿真模块库)可以构建出三相桥式全控整流电路的仿真模型。

在整流电路中负载采用纯电阻负载,仿真时采用变步长方式下的ode15s(stiff/NDF)仿真算法。

当无故障时负载电压UL波形如图2所示。从图中可以看出电压波形的一个周期由6段线电压构成。

1.2 晶闸管故障仿真分析

由于Matlab软件的强大功能,用于电力系统仿真具有很强的灵活性和方便性。本文利用这种优势对晶闸管的不同故障进行仿真,根据负载两端的电压波形可以将故障作如下分类:

第1类故障:上或下半桥的三只管子均损坏,即VT1、VT3、VT5或VT4、VT6、VT2同时损坏,输出波形为一零直线。

第2类故障:一只管子损坏。可以分为如下6种情况:(1)VT1损坏;(2)VT2损坏;(3)VT3损坏;(4)VT4损坏;(5)VT5损坏;(6)VT6损坏。6种情况下的电压波形如图3所示。由于篇幅所限,仅给出VT1损坏时的电压波形。从电压波形中可以看出,当整流电路中只有一只管子损坏时,稳定的电压波形中在每个周期中出现了4段线电压,比无故障时少了2段。但对于不同的管子,第一个完整的周期中4段线电压出现的时刻是不同的。这些规律为后面确定用于BP神经网络训练的输入样本提供了很好的依据。其他故障情况同理。

第3类故障:同一桥臂的2只管子损坏。可以分为如下3种情况:(1)VT1、VT4损坏;(2)VT2、VT5损坏;(3)VT3、VT6损坏。3种情况下的电压波形如图4所示。由于篇幅所限,仅给出VT1,VT4损坏时的电压波形。当整流电路中同一桥臂的2只管子损坏时,稳定的电压波形中在每个周期中出现了不连续的2段线电压,比无故障时少了4段。但对于不同的故障情况,第一个完整的周期中2段线电压出现的时刻是不同的。

第4类故障:同一半桥的2只管子损坏。可以分为如下6种情况:(1)VT1、VT3损坏;(2)VT2、VT4损坏;(3)VT3、VT5损坏;(4)VT4、VT6损坏;(5)VT1、VT5损坏;(6)VT2、VT6损坏。6种情况下的电压波形如图5所示。由于篇幅所限,仅给出VT1、VT3损坏时的电压波形。当整流电路中同一桥臂的2只管子损坏时,稳定的电压波形中在每个周期中出现了连续的2段线电压,比无故障时也少了4段。但对于不同的故障情况,第一个完整的周期中2段线电压出现的时刻是不同的。

第5类故障:不同半桥交叉的2只管子损坏。可以分为如下6种情况:(1)VT1、VT2损坏;(2)VT2、VT3损坏;(3)VT4、VT5损坏;(4)VT5、VT6损坏;(5)VT1、VT6损坏;(6)VT3、VT4损坏。6种情况下的电压波形如图6所示。由于篇幅所限,仅给出VT1、VT2损坏时的电压波形。当整流电路中不同半桥交叉的2只管子损坏时,稳定的电压波形中在每个周期中出现了连续3段线电压,比无故障时少了3段。对于不同故障情况第一个完整的周期中3段线电压出现的时刻是不同的。

2 BP神经网络的建立

人工神经网络(Artificial Neural Network,ANN)理论是从人类大脑的研究中受到了启发发展起来的[5]。正是由于与人脑的类似结构,人工神经网络才能实现在系统建模、辨识、控制等方面的应用。在所有ANN中,最常用的是前馈神经网络,而BP神经网络是前馈神经网络中最具代表性的。因此本文采用BP神经网络作为三相桥式全控整流电路故障诊断的工具。

BP神经网络通常是由三层构成的,即输入层、隐层和输出层。对于具体问题若确定了输入和输出变量后,网络输入层和输出层的结点个数也就随之确定了,那么确定一个三层BP神经网络关键在于确定隐层的层数及每一层的结点个数。对于隐层的层数可首先考虑只选择一层,并且从后面的仿真结果可以看出,对于本文的故障诊断问题一层隐层足以满足要求同时又避免了网络的复杂性。隐层结点个数的选择原则是:在能正确反映输入输出关系的基础上,尽量选取较少的隐层结点数[6]。文中,每种故障对应的网络的隐层结点个数将结合期望误差及网络训练的迭代步数选择一最佳值。

从上面对故障的分析中可以看出第1类故障时无需有BP神经网络参与诊断。对于后面4类故障,依据电力电子技术的知识,从输出电压波形中就可以区分具体是哪类故障,其规律归纳如表1所示。因此在判断故障类型时不需BP网络的参与。而对于某一类故障具体是哪些管子损坏就可以借助一简单的三层BP神经网络来进行诊断了。

故障诊断中,要想准确的定位故障管子的位置,故障信息是一关键问题。本文提取电压波形中的第一个完整的周期中每一段线电压中最大值出现的时刻作为特征信息,即为网络的输入变量。从前面的分析情况可以确定后4类故障对应的BP神经网络的输入层和输出层结点的个数。具体如下:第2类故障:一只管子损坏。可以分为6种情况。此时若以4段线电压中最大值出现的时刻作为特征信息,则用于此类故障诊断的三层BP网络的输入层结点数S1=4,6种故障情况可借助3位二进制数001、010、011、100、101、110进行区分究竟是哪一只管子损坏,因此输出层的结点数S3=3。后3类故障的分析情况同理。第3类故障:同一桥臂的2只管子损坏,S1=3、S3=2;第4类故障:同一半桥的2只管子损坏,S1=2、S3=3;第5类故障:不同半桥交叉的2只管子损坏,S1=3、S3=3。

3 网络的训练

下面以故障2为例来具体说明对应的BP神经网络结构的确定及训练问题。后面3类故障同理。

3.1 训练样本的提取

前面已经提到对于第2类故障本文以4段线电压中最大值出现的时刻作为特征信息,对应不同的6种情况,通过仿真测试得到训练样本如表2所示。

3.2 网络的训练

在标题2中已经讨论了BP神经网络的建立原则,对于第2,3,4,5类故障,本文共建立了4个三层BP神经网络用以确定对应故障情况下具体是哪些管子损坏。下面仍以第2类故障为例来说明网络的隐层结点个数的确定及训练情况。

对于第2类故障由前面的分析可知网络的参数如下:S1=4、S3=3。在选择学习速率lr=0.05,期望误差最小值E=0.01的前提下,表3列出了不同隐层结点数时网络的学习情况。误差曲线如图7所示。

由表3可以看出,从网络训练时的迭代步数(反映网络的训练时间)和BP神经网络的复杂程度考虑,可取隐层结点个数S2=20。

同理对于第3类故障:

S1=3、S2=20、S3=2、lr=0.05、E=0.01

第4类故障:

S1=2、S2=18、S3=3、lr=0.05、E=0.01

第5类故障:

S1=3、S2=18、S3=3、lr=0.05、E=0.01

3.3 网络的测试

假设在某一三相全控桥式整流电路中,输出电压波形中的每个周期中出现了4段线电压的情况即可知为第(2)类故障:一只管子损坏。再从示波设备中得出第一个完整的周期中4段线电压出现的时刻,如Pc=[0.12 0.16 0.18 0.20]T作为网络的输入信号输入已训练好的用于第2类故障诊断的BP神经网络则可得出3位输出信号Tc=[0.05-0.184 61.073 9]T,可按如下原则对其进行归一化处理:若输出信号取某位大于或等于0.5时为1,小于0.5时为0。则可得输出信号Tcc=[0 0 1]T,将其与表2中的期望输出样本进行对照可知为VT1管子损坏。

4 结语

本文采用Matlab/Simulink建立了三相桥式全控整流电路的仿真模型,并通过仿真实验建立了基于BP神经网络的故障诊断方法。仿真结果表明故障诊断结果的正确性,此方法也适用于其它的电力电子电路的故障诊断。

摘要：针对电力电子技术中三相桥式全控整流电路中晶闸管的故障问题提出了基于BP神经网络故障诊断的方法。借助Matlab仿真软件建立了三相桥式全控整流电路的仿真模型。通过仿真试验提取出用于BP神经网络训练的学习样本,并确定出用于不同类故障的三层的BP神经网络结构。仿真结果表明了该方法的有效性。

关键词：BP神经网络,整流电路,故障诊断,Matlab仿真

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