基于MATLAB的整流电路故障仿真研究

基于MATLAB的整流电路故障仿真研究

武瑞龙，杨强强

山东电力建设第三工程有限公司，山东青岛，邮编266100

摘要：为了对电力电子故障时的工作情况进行分析研究，本文基于MATLAB以整流电路为例搭建了故障仿真，针对其中某些器件关断或短路，仿真结果展示在GUI界面中，并能在GUI界面直接更改参数，分析对比故障前后波形，并能依据波形找出故障原因，这对学生深入理解电路原理、选取器件参数以及在故障检测、提高容错率等有参考意义。

关键词：电力电子；仿真；MATLAB；故障

1引言

电力电子技术起源于上世纪60年代，几十年来科技进步，电力电子技术应用也日益广泛，特别是在电力、信息、半导体等领域得到了越来越广泛的应用[1]。在实际中，电力电子电路难免出现故障，这使得电路故障分析必不可少。为了解决这些问题，现代计算机仿真技术越来越实用，它可以使复杂的电路分析变得简单和有效。

电力电子设备的故障原因较多，比如：设计问题、使用不当、元器件的问题、参数设置不合理以及一些其他干扰等等[2]。在这些故障原因中以电力电子器件的损坏最为常见，这其中又以电力电子器件的开路和短路故障可能性最大。在实际工作中，电力电子器件一般带动小负载，并且容易损坏，最令人头疼的是，在生产生活中针对电力电子电路的故障难以琢磨，仅仅在发生故障到停电之前的极短时间内存在故障信息，所以必须对其进行故障分析[3]。

2 论文正文

本章节以整流电路为例，分析整流电路故障时的波形情况，并重点以三相桥式整流为例进行仿真分析，电力电子电路的故障分析与其他模拟电路不一样，通过输出波形来判断其有何种故障，是最为有效的一种方法[4]。电路运行表明，大部分故障呈现晶闸管损伤，并以晶闸管短路开路及电源缺相较为普遍，因此对该部分进行分析。

2.1 GUI设计

在matlab新建fig文件，进入gui设计界面：

放四个坐标区，作为输出电压和输出电流的波形输出区域，左边两个为原波形，右边两个为故障后波形。三个按钮，第一个按钮输出原波形，第二个按钮确认故障参数，第三个按钮输出故障后波形。

2.2 故障仿真分析

2.2.1 单相半波整流电路故障分析

（1）针对单相半波电路设计了以下故障：晶闸管短路；晶闸管开路；

（2）仿真结果及分析

晶闸管短路时：输出电压与输入电压波形一样

晶闸管开路时：无输出

2.2.2 单相桥式整流电路故障分析

（1）针对单相桥式电路设置以下故障：VT1开路；VT1短路；VT3开路；VT3短路；非同臂且非同组两个晶闸管短路；晶闸管VT1开路、VT4短路；触发脉冲延迟。

（2）仿真结果及分析

VT1开路：

结果分析：VT1开路时，此时电源-VT1-负载-VT4将无法形成通路，VT1、VT4触发，输出电压为0，等待VT2、VT3触发，电源-VT3-负载-VT2形成通路，输出电压相当于正常波形的一半。VT4开路时，输出波形与VT1开路一样。

当VT3（VT2）开路时：

结果分析：VT3开路时，此时电源-VT3-负载-VT2将无法形成通路，VT1、VT4触发，电源-VT1-负载-VT4形成通路，VT2、VT3触发，输出电压为0，输出电压相当于正常波形的一半。VT2开路时，输出波形与VT3开路一样。该波形与VT1开路时输出波形叠加即为故障前波形。

当VT1短路时：

结果分析：VT1短路，共阴极组将始终是VT1导通，也就是整个电路一直工作在VT1和VT4导通下，此时输出波形应与VT3或VT2开路时输出波形类似。

当非同臂且非同组两个晶闸管短路时：

结果分析：与正常时相比，输出电压波形于输入电压波形完全一致，可以判断最少有两个晶闸管同时短路了，并且这两个不在同一组，不在同一臂。

2.2.3 三相半波整流电路故障分析

（1）针对三相半波整流电路设置里以下故障：VT1开路；VT1短路；VT1、VT2开路；两个晶闸管短路；电源缺相；触发脉冲延迟。

（2）仿真结果及分析

VT1断开时或VT1触发脉冲丢失：

结果分析：VT1断开时或VT1触发脉冲丢失，使得原本VT1导通的波形没了，VT3导通角变为240°；当VT2断开时，原本VT2导通的波形为0，VT1的导通角变为240°。VT3断开时，VT3导通的波形为0，VT2的导通角变为240°，VT1导通角不变。

VT1短路时：

结果分析：VT1短路时输出波形应与A相输入波形一致，当晶闸管VT2短路时，输出波形与B相波性一样，同理当晶闸管VT3短路时，输出波形与C相波性一样。当VT1短路同时同一组中的其他晶闸管开路时，输出波形与此一致。

VT1、VT2开路时或VT1、VT2触发脉冲丢失时：

结果分析：VT1、VT2开路，此时导通的只有VT3，此时电路可以看成单相半波,输出电压波形为半波，晶闸管导通180°；若VT1和VT3开路，此时将只有VT2导通，输出波形应与VT2触发角一致单相半波整流电路输出波形一样，晶闸管导通180°；VT2和VT3开路时，同理。经比较，输出波形与理论分析基本一致。

电源缺一相：

结果分析：A相缺相时，VT1停止导通，先有VT2导通120°，再VT3导通240°；若B相缺相，有VT3导通120°，VT1导通240°；若C相缺相，有VT1导通120°，VT2导通240°，经比较，输出波形与理论分析一致。

VT1触发角延迟30°时：

结果分析：VT1触发脉冲延迟30°，将会有VT1导通角减小30°，VT2导通角不变，VT3导通角增大30°，同理，若VT2触发脉冲延迟30°，则VT2导通角减小30°，VT3不变，VT1导通角变大30°。通过比较，输出波形与理论分析一致。

2.2.4 三相桥式整流电路故障分析

（1）三相桥式整流电路设置了以下故障：VT1开路；VT1短路；VT3短路；VT1、VT2开路；VT1、VT2短路；VT1、VT3开路；VT1开路、VT2短路；触发脉冲延迟。

（2）仿真结果及分析

晶闸管VT1触发脉冲丢失时：

结果分析：从图中可以看出，如果VT1开路或者丢失触发脉冲，电路工作时将使得VT5到VT1换相失败，VT5接着通60度，电路输出将保持不变，直到VT2触发，然后，VT5和VT2导通，由于VT2与VT5在同一臂，故电路输出为0[5]。在VT3触发前，VT5和VT3换向，VT2和VT3导通，本级和后级波形与正常运行波形一致。通过比较，仿真中输出波形与上述理论分析一致。

晶闸管VT1短路时：

结果分析：若VT1短路，交流电压会沿着短路的晶闸管流入直流电路，再由另外的晶闸管返回交流的另外两相，形成短路。共阴极组始终有VT1导通，先有VT1、VT2导通，然后VT4与VT2换相，VT1与VT4导通，发生短路，此时输出电压为0，此后VT4与VT6发生换相，即VT1与VT6同时导通。此后波形循环。

VT3短路：

结果分析：晶闸管VT3发生短路，共阴极组中的VT1和VT5将不作用，工作过程为：VT2触发，与VT3形成通路导通60°，之后VT4触发，与VT3导通60°，然后VT4与VT6换相，由于VT6与VT3在同一臂上，此时输出电压近似为0。若VT5发生短路，与VT3短路输出波形基本一致。

2.3 结论

MATLAB仿真技术在设计中充分展现了其优点，本设计利用仿真工具SIMULINK完成了对整流电路的故障仿真，其不仅可以反应正常波形，还设计了一些常见故障，比如晶闸管开路短路，使我们可以控制电路的故障与否，为了充分利用人机交互，设计GUI故障界面。

3 参考文献

[1]李正中,高论.基于输出电压波形的电路故障诊断[J].宁波职业技术学院学报,2006(02):96-98.

[2]张建民. 基于波形分析技术的电力电子电路故障诊断方法研究[D].湖南大学,2007.

[3]刘芯彤.电力电子电路故障预测技术研究[J].电子世界,2020(21):189-190.

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