陕西机械学院学报第 卷第 期
采用波形分析法对电力电子装置中的
晶闸管元件进行故障检测
钟彦儒 梁汉滨
自动控制系
提要 波形分析 法是 采用微型计算机对 运行 中的 晶 闸管 元 件 阳 极 一 阴极 间的
电压 波形进行 采样 , 以 识 别正常工作 的 晶 闸管 与故 障的 晶闻管 , 并对故 障的性质
作 出一 断和 处理 。 本文以 三 相桥式 晶 闸管整流 电路 为例 , 讨论波形 分析法的原
理 、 采样 电路与微型计算权接 口 电路的设计及应 用程序的设 计 。 本方案已在大功
率整流 样机 中实施 。
关键词 晶闸管 故 障检测 波形分析
前 言
在电力 电子装置中 , 晶闸管或大功率晶体管等功率元件损坏后 , 采用常规仪丧进行测
试往往测不出来 , 这给装置的安全运行带来危害 。 随着 电力 电子装置的性能提高及其容量
大型化 , 使用的功率元件数量越来越多 , 这个问题也就更为突出。 因此 , 研制智能化的、
工作可靠的功率元件故障检测器 , 便成为当前 电力电子技术中的一个课题 ‘
晶闸管故障诊断器的技术模型
晶 ’管的失效分析
根据应用经验和统计数据 , 在 电力 电子装置中造成晶闸管失效 , 主要 由于 电气损坏 。
电气损坏的原 因有三方面
一是过 电压 。 当外施反向电压超过晶闸管允许的反 向击穿 电压时 , 可能会使其进入雪
崩区 , 因而产生很大的反 向漏 电流 , 造成绝缘击穿或热击穿 。 绝缘击穿是 结的体击穿
或四周 的绝缘破坏而造成的短路状态 。 热击穿是当晶闸管在结温接近允许最高温度的情况
下工 作时 , 由于反复施加很高的反 向电压而流过很大的反 向漏 电流 , 使尸 结过热击穿 。 另
外 , 当晶闸管在正 向阻断状态而加上过高的电压时 , 则可能在发 生正 向转折前 结周围
原稿收到 日期 年 月 日
。
采用波形分析法对电力电子装置山的晶闸管元件进行故障检测
就损坏 , 也会造成击穿 。
二是过 电流 。 由于短路 、 过载等原因使晶闸管通过有害次数的浪涌电流 , 该 电流会使
结正 向损耗增加 , 甚至导致熔融 , 也有可能发生 电化学反应而产生 绝 缘物 。 另外 , 在
容性负载中 , 由于 电流上升率心 由大 , 晶闸管导 电区未充分扩展 , 致使 电流 涌集于门极附
近 , 造成尸 结局部过热而击穿 , 也有可能造成门极烧熔 、 引线烧断 , 使 元件失去控制能
力 。 在晶闸管并联应用的 电路中 , 因各元件的电压上升率 有 不一致 , 也会使先导通的
晶闸管过流损坏 。
三是 由于制造质量间题引起的损坏 包括门极断线 , 国产 晶 闸管 门 极断线者时有发
生 。 另外 , 元件过早衰老引起正 向电压降过大而产生过热 , 出现与过 电流情况相类似的
损坏 。
上述三类 电气损坏导致晶 闸管不可控 , 并且在 阳极 一 阴极两端对外 电路等效为 了“短路 ”
和 “ 开路 ” 两种情况 。 结击穿后熔融 , 形成 “短路 ” 状态 心 过大时若造成门极损
坏 , 或过 电流造成铝片上的绝缘层 , 通常形成晶 闸管 “ 开路 ” 。
晶 闸管故障诊新器的技术模型
由上述可知 , 电力 电子装置中的晶闸管失效后 , 可 以借助于测量 阳极一 阴极间的电压来
获知 。 由于正常工作的晶 闸管在某一个工作周期 内 , 阳极 一 阴极间的 电压必定是有规律地变
化的 , 表现出与故障晶闸管之间的本质上的差异 。 因此可以建立如 图 所示的晶闸管元件
故障诊断器技术模型 。
图 中借助不 同的传感器组成采样环节 , 用来采样晶闸管阳极 一 阴极间的 电压 值或 电压
的波形 , 作为 故障诊断的依据 。
译译码码码 驱动动
复复归归
图 晶闸管故障诊 沂器技术模型
晶闸管故障诊断器应对元件的
好坏及故障性 质作出明确判断 , 其
必须满足如下基本要求
故障诊断器 的 投 入与
否 , 应不干扰 电力 电 子 主 机系统
的正常运行 。 这关键在于采样环节
的正确选择 。
在 电力 电子装置
规定
关于下班后关闭电源的规定党章中关于入党时间的规定公务员考核规定下载规定办法文件下载宁波关于闷顶的规定
的
工况范围 内 , 在 可能发生晶闸管故
降的各种环境下 , 对晶闸管的状态
进行
一
可靠监测 , 必要时还可开机预检 。
反应准确 、 灵敏 , 有记忆 、 显示 、 报警功能 。 与波监测的元件相比 , 其可靠性
要高 , 寿命要长 。
线路简单 , 检修方便 , 有合理的经济性 。
微型计算机可实现除采样环节以外的各种功能 。 尤其是微型 计算机具有较强的故障识
别能力 , 这对简化采样 电路很有意义 。 对于 由大量串 、 并联功率元件构成的复杂电力 电子
系统 , 采用 微型计算机对全部功率元件进行故障诊断 , 更有其独特的优越性 。
陕西机械学院学报第 卷第 斑
采用波形分析法诊断晶闸管故障
波形分析法的基本原理
所谓波形分析法就是对运行中的晶闸管阳极
该工况下的正常运行波形相一致 , 从而判断
晶闸管是否故障以及故障的性质 。 波形分析
法可以适用 于各类 电力 电子装置 。 一下面 以三
相桥式整流 电路为例来说明它的原理 。
图 是三相桥式整流 电 路图 及 其工 作
波形图 , 并给出了晶闸 管 入 在触 发控制
角 。 “ 、 “ 、 。 、 。 ” 情 况
‘
「的管压降
波形 。 现设整流器的负载中 具 有 大 电感元
件 , 因此在 “ “ 的范围内 , 晶闸管
均导电 “ 。 另外 , 在波形中不考虑换流时
漏感造成的换相重叠角 丫 的影响 。 由波形 可
见 , 如果在触发脉冲发出后 一段时间 约滞
后 。 电角度 , 检测晶闸管的管压降是否近
似为 , 可 以此判断管子是否导 通 在触发
脉冲加上后 的 。 电角度 , 也就是经过换相
后 , 再检测该管是否具有反 向压 降 , 则可判
断该管是否 己恢复阻断 。 因此 , 在适当的时
刻检测晶闸管的管压降 , 可以对晶闸管作出
准确的判断 。 如果晶闸管损坏后 “ 开路 ” ,
在第一次检测管压降中可 以测出 如果晶网
管损坏后 “短路 ” , 则在第二次测试中可以
测出。
由上述分析可见 , 应用波形分析法的关
键有二 一是选用合适的采样电路 二是 准
确的来样时刻 。
波形分析法晶闸管故障诊断器的实现
采用光祸合器的管压降采样电路
阴极间的电压波形采样 , 分析其是否与
肠肠跋跋百百 刀刀刀 企企
若若,,贯贯贯萨萨萨及及及
叭珑
以以洲粉
一一
皿皿
月月 刀 斌甜波波
吗 撇撇
哈 二二
图 三怕桥式整流电路及
晶闸管电压波形图
图 是采用光祸合器进行隔离的晶闸管管压降采样电路 。 、 , 、 。为并联在晶闸管
阳极一 阴极间的采样电阻 。 由于光偶合器‘ 发光二极管的单 向导电性 , 电路中采用
了二极管 、 组成整流 电路 , 用 以取出 的正 、反向电压 。 这样 , 如果 未导通 , , 、
在正负半波分别导电 , 似的发光二极管在整个周期内都有电流通过 。 ‘ 的光敏三
采用波形分析法对电力电子装置中的晶闸管元件进行故障检测
欲
曰曰曰
图 晶闸带故障采样电路
极管接成射极跟随器形式 , 因此发
光二极管流过电流时 , 点的电位
近似为 十 。 集成 电路 作
为微型计算机与采 样 器 之间的接
口 , 刀端为数据总线 , 在
被选中时 , 端也应为 。 如果
导通 , 则管压 降 近 似 为 ,
、 均不导通 , 的 发光
二 极 管无电流 , 三极管截止 ,
点 电位近似为 。 , 此时若了 被选中 ,
关断 , 点则为 。
图 是光祸合管压降采样电路的
各点工作波形图 。 当管压降从负变正
过零时 , 点 电压波形中出现小缺 口
图 巾 。时 , 点 波形出现
一个小缺 口 , 采用与 ‘ 并联的电容
可对其进行滤波 , 以减小这一缺口 。
可进一步在 点消除缺 口 。
另外 , 还应准确地掌握采样时刻 , 使
这一缺 口并不影响对晶闸管工作状态
的正确判断 。
采样时刻的选择与控制
端 也 为 。 这样 , 导通时 点为 ,
的管
压降波形
乃点的波形
丫丫带带 、,,
,,
已
,,,
二二二二二二二二二二二二二二二二二二二
点的波形
图 管压降采样电路各点波形图
在三相桥式整流 电路中 , 晶闸管正常工作的导通顺序是固定的 。 如用图 中 点的波
形来表示各管子的状况 , 则 个晶闸管导通的波形为图 。
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乙洲水
目
,日口
图 三相桥式整流 个晶闸管导通时 点的波形图
如果考虑变压 器漏抗造成的换相重叠角 丫 的影响 , 可 以选择触发脉冲发出后和晶闸管
阻断后的 。 电角度测量管压降 。
‘
例如对 来说 , 应 分别在时刻 尸和时刻 产进行测量 ,
微型计算饥通过接 口 芯片 乙 读入 的波形检测值 , 如判明 。在时刻 尸和 ‘ 为“ ,
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和 “ ” , 则 为正常导通 , 其余类推 。 由图 还可见 , 在 ‘ , 的每一时刻 , 应同时
检测二支晶闸管的通断 , 例如在时刻 ‘ , 应同时检测 和 的通断 。 为此 , 可 以设计
一个检测中断处理程序 , 在时刻 , 、 , 、 , 、 , 、 , 、 , 分别调用 , 完成对相应晶闸管管
压 降的判断任务 。 这个检测子程序的碉用 , 必填与各个晶闸管的触发脉冲同步 。
图 是一个采用 作为接 口 的采样时刻控制电路 。 电路中 口 的 。一 。分别接
莽一 触发脉冲电路的一个输出端 。 口 设计为位控中断方式 屏蔽 。、 端 , 其 ·
余为高电平有效 。一 。之间符合逻辑 “或 ” 的关系 , 作为中断请求的条件 。 这样 , 只要
有一个晶闸管加有触发脉冲 , 口就申请中断 , 执行检测子程序 。
晶闸管的触发采用了双窄脉冲 。 这样 , 从 工 口读入当前的 触发状态 , 很容易确
定应检测的晶闸管 。 触发脉冲序列与从 读入的触发状态字间的关系如 图 所示 。
根据图 和图 了 , 可列出触发状态字与被检测晶闸管的对应关系如表 所示 。
·· 。。
一一
一一
一一
谷谷
一一 ‘ 国国
·· ‘‘
,,
宕脉冲
, 脉 冲
, 脉冲
脉冲
, 脉冲
右 脉冲
脉冲
脉冲
脉孙,
’脉冲
, 脉仲
珍脉冲
相应从
读入的触
发状态字
图 采用 工 口作为
采样时刻控制电路
图 角吐三发几承冲序列与从
读入的触女状态字
表 触 发状态字与被检侧 晶 闸管 的对 应 关 系
⋯
一一
触发脉冲
编 号
由 工 读入的
触 发 状 态 字
应 检 测
导通的晶闸管
应 检 测
关断的晶闸管
工 丈
应用程序设
一
计
完成检测与识别 、 寄存 、 译码 、 显示功能 , 主要由检测中断处理程序与主程序中有关
部分的软件来承担 。
采用波形分析法对电力电子装置中的晶闸管元件进行故障检测
检测中断处理程序的流程图为图 。 为了缩短该程序的执行时间 , 晶闸管元件故障的
显 示和报警放在主程序中完成 。 内存中设计了二个表格 尸 和 , 表格的长均为
个字节 , 按顺序分别记录 一 晶闸管的导通与阻断状态信息 , 以供主程序使用 。 晶
闸管正常运行时 , 与习厅 中的
内容
财务内部控制制度的内容财务内部控制制度的内容人员招聘与配置的内容项目成本控制的内容消防安全演练内容
均为 。 如果 晶闸管应导通而实际未 导
通 , 则将 表 万 中的第一个字节内容加 多 如果第 个周期 “ 电 角 度 之 后 检测
入 晶闸管仍未 导通 , 则继续加 。 对 于晶闸管未关断的情况 , 也对表格 中相应单
元作同样的加 处理 。
主程序中有关片断的流程图见图 。在主程序中设有扫描表格口加 与 口 的内容 ,
图 检测巾断处理程序流程图 图 主程序中处理 表和
表的片断
如果 内容不为 , 则认为相 应晶闸管有 “ 开路 ” 的可能 如果 不为 , 则认为
相应晶闸管有 “短路 ” 的可能 。 为了区别晶闸管偶然的一次未导通或外界对检测电路的于
扰使其误动作 , 在主程序中规定 表 中的内容大于等于 时 , 才认为该晶闸管确
实是未触发导通 , 应显示故障性质与故障的晶闸管号 , 必要时也可以控制跳闸 。 晶 管一
旦 导通 , 在检测子程序中将 表中相应的单元置 , 这样就将由于晶闸管偶然 的未
导通或采 样电路的误测而在 表中置了 或 的单元及时清 零 , 从而不会发生
累计 , 影 响诊 断器的 正 确 判断 。 主程序对表 内容的处理与上述相仿 。 由于 晶闸
管短路故障的危害性较大 , 故程 序 规定 当表 刀 的内容大于等于 时 , 就认为晶
卿管发生短路 , 应进行显示 报警或跳闸等保护处理
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结 语
如果 电力 电子装置采用 了微型计算机构成的数字触发器 , 则触发脉冲发出的时刻及当
前触发的晶闸管对 , 都可由微型计算机间直接通 讯获得 , 因此 采样 控制 电路 可进 一步简
化 。
本方案 己在大功率晶闸管整流样机中使用 。 实践证明 , 该故障诊断器能可靠地对晶闸
管元件故障进行 自动测试和显示 。
本文责任编辑 韩星明 陈 洁
参 考 文 献
〔 〕 宋广泽 电力半导体器件的故障分析与诊断技术探讨 , 《电工技术杂志 》,
一
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一
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