电力电子故障的Matlab仿真及其DFT分析.doc

1、电力电子故障的Matlab仿真及其DFT分析第13卷第4期2004年l2月计算机辅助工程CoMPUTERAIDEDENGINEERINGVo1.13.NO.4Dec.20O4文章编号:1006.0871(2004)04007204O电力电子故障的Matlab仿真及其DFT分析王华英,郑华耀,王锡淮(上海海事大学物流工程学院,上海2OOl35)摘要:以三相桥式整流电路为分析对象,利用Matlab/Simulink环境下的SimPowerSystems(SPS)模块库仿真得到各类故障下的输出波形,并将特定结果记录成MAT文件,在此基础上利用离散傅立叶变换将时域中的故障波形变换到频域,再对该离散信号

2、进行频域分析,以突出故障特征,实现进一步故障诊断.关键词:电力电子故障;Matlab;DFT;三相整流桥中图分类号:TM711:TP391.9文献标识码:AMatlabsimulationandanalysiswithDFTofthepowerelectr0nicstroubleWANGHuaying,ZHENGHuayao,WANGXihuai(LogisticsEngineeringCollege,ShanghaiMaritimeUniversity,Shanghai200135,China)Abstract:Usingthethreephasebridgerectifiercircuit

3、foranalysis,theoutputwaveformineachkindoffaultcanbesimulatedthroughthecircuitwiththeSimPowerSystemsundertheMatlab/Simulinksurroundings,andthenthespecificresultstoMATfilearenoted,onthebaseofwhichthroughtheDiscreteFourierTransformthetime.domaintroublewaveformisconvertedtofrequencydomain.Finally,thedis

4、cretesignalinfrequencydomainisanalyzedinordertostressthebreakdowntraitsandtofulfillfurthertroublediagnoses.Keywords:powerelectronicstrouble;Matlab;DFT;threephaserectifierbridge引.口在电力,冶金,交通运输,矿业等行业,电力电子器件通常被用于电机变频调速,大功率设备驱动的关键流程之中,由于电力电子器件故障往往是致命性的,不可恢复的,常导致设备的损毁,生产的中断,造成重大经济损失.故障自动诊断技术是提高设备可维护性的有效手段

5、之一,高性能电力电子器件的应用领域中已广泛采用先进的自动榆测与故障诊断技术.本文旨在通过Matlab仿真和DFT分析对故障自动诊断方法进行探讨.1故障分析及Matlab介绍1,1电力电子装置故障分析电力电子电路的故障诊断与一般的模拟电路,数字电路诊断存在着较大差别,模拟电路,数字电路诊断中采用的改变输入观察输出的方法已无法适用.它只能以输出波形来诊断电力电子电路是否有收稿日期:2004-09.16修回日期:2004.11.16作者篱介:王华英(198o-),女.福建南平人.在读硕士.主要研究方向为现场总线与通信技术.(E-mail)alendarwhy163.c0m第4期王华英,等:电力电子故

6、障的Matlab仿真及其DFT分析73故障及有何种故障.以三相桥式整流电路为例,其输出端的直流脉动电压包含了晶闸管有否故障的信息,是一个关键的测试点.若把正常情况与故障一起综合分析,可分为五类:0类代表没有品闸管故障;1类只有一只晶闸管故障;2类是接到同一相电压的2只晶闸管故障;3类是在同一半桥中的2只品闸管故障;4类则是交叉2只品闸管故障.1.2Matlab/Simulink简介Matlab是美国Mathworks公司推出的一种简便_T程计算语言,近年来,在电气领域中应用广泛.尤其是新版中提供电力系统库Powerlib,使用户能方便地设计和仿真一个电气系统.【2本文设计主要是采用Simuli

7、nk为运行环境的电力系统模拟模块(SPS),它是Matlab的一个专门用于对电力系统进行仿真的T具箱.运用它可以实现在实际系统中难以实现的超极限参数及破坏性仿真试验,探索系统的故障诊断.2离散傅立叶算法及其Matlab实现离散傅立叶变换(简称DFT)是离散时间傅立叶变换DTFT频域离散化时的值,为了能在数字计算机上实现DTFT,必须在频率上离散化.对于时限的离散时间信号,频率变量在有限点处取值时的DTFT等于DFT,即:通过分析可以推算出求k次谐波幅值和相位的公式(直流分量A0=Co=Xk/N,k次谐波的幅值和相位分别为:At=口:+6;t=arctanbe/at).DFT把原先积分的问题转化

8、成有限长度序列的求和,是为适应计算机实现而提出的,被广泛用于数字信号处理和数字通信中.计算DFT的Matlab程序如下所示:functionXk-d(x)N,M=size(x);if1%makesurethatXisacolumnvectorX=x;_IendXk=zeros(N,1)n=0:N-1fork=O:N-1a,b=size(n)Xk(k+1)=exp(-j2*pikn/N)*x/b;end3三相桥式整流电路仿真3.1三相桥式整流电路的Simulink仿真本文主要采用电力系统SPS库中的模块,它与常规的Simulink模块有着本质的区别,对于同时使用2类仿真模型,必然会有2类模块之间

9、的信号流动,因而需要中间接口模型(电流或电压测量模块等)o将这些模块用连线连接,最后得到的仿真总图如图1所示,其中Vd是一个中间接口模块.【2】图1还展示了示波器模块d)和Tofile模块rec.mat.仿真系统运行时,运用Scope模块可显示参数波形;而ToFile模块将输人记录成mat文件,供Matlab调用和进行数据分析处理,为后来的离散傅立叶分析提供数据来源.该仿真系统结构较复杂,因而封装了2个子模块,图2即为其中之一.图I三相桥式整流电路仿真总图3.2系统仿真结果分析用Simulink和SPS软件进行仿真,获得的是一组形象的曲线图形.有故障时,只需在仿真模犁中改变故障所在单元,即可获

10、得此时的输出,确立诊断规则,很方便地完成故障诊断.此外,本仿真引用了Tofile模块,将特定参数记录成mat文件,以供进一步的分析.在图l模型中对各类故障仿真可以得到各类M0=74计算机辅助工程2004生&j2三相桥式整漉电路的内部结构图故障波形,图3列出其中的一部分波形.从这些波形可看出,有如下特点:在触发角一定时,同一类故障集中不同的故障元情况下,d波形只在时间轴上平移,而波形形状相同.【】因此通过观察输出波形的大体形状初步判断其故障类型.4基于离散傅立叶变换诊断电力电子故障基于ToFile模块提供的mat数据文件用傅立叶变换(DFT)将时域中的故障波形变换到频域,再进行分析实现故

11、障诊断,在进行DFT分析时一般采用2级诊断方法:第1级诊断出当前故障属于哪一类;第2级细分为何种故障元.4.1故障类的诊断此为1级诊断即诊断出当前故障属于哪一类.经分析可得出下列故障类的诊断方法:(1)若A1=A2=A3=0,则i相整流器没有故障;(2)若A1=A3=0,目.A2>O.1,则当前故障属2类;(3)若A2<O.02,且A1>O.1,则当前故障属3类;(4)若不属于以上3类,则必定包含在1类或4类之中.而这两者之间也存在一定关系:若Clao+C2Al>1,则当前故障属4类;若Cla0+C2A1<1,则当前故障属1类.其中c1为常量.在此方法及mat提供

12、的故障参数基础上,进行Mfile编程即能实现1级诊断.相关程序如下所示:1,loadf1.mat三相整流器无故障时的波形T1管故障(1类故障)时的波形T3管故障(1类故障)时的波形T112故障(4类故障)时的波形T2T3故障(4类故障)时的波形图3触发角c【=30.时几粪故障下的V波形x=dft(file(2,200:5:900);cl=O.854;c2=2.174;xl=x(2,:);x2=x(3,:);第4期王华英,等:电力电子故障的Matlab仿真及其DFT分析75x3=x(4,:);a0-x(1,:);Al=2sqrt(real(x1)2+imag(x1)2);A2=2sqrt(rea

13、l(x2)2+imag(x2)2);A3=2sqrt(real(x3)2+imag(x3)2);zhi=c1a0+c2A1:ifzhi>ldisp(当前故障属4类)elseifzhi<ldisp(当前故障属1类)end2)loadf3.matx=dff(file(2,15:10:465);xl=x(2,:);x2=x(3,:);x3=x(4,:);a0=x(1,:);Al=2sqrt(real(x1)2+imag(x1)2);.A2=2sqrt(real(x2)2+imag(x2)2);A3=2sqrt(real(x3)2+imag(x3)2);zhi=c1a0+c2A1:if(A

14、2<0.02)&(AI>0.1,disp(当前故障属3类)elseif(A1:=IA3=O)&(A2>O.1)disp(当前故障属2类)elseifA1=A2=A3=:Odisp(j三相整流器无故障)end4.2故障类内故障元的定位此为2级诊断,即在该类中诊断绌分为何种故障元.如上所述,在同一类故障中,若触发角一定,不同故障元所对应的波形只是互相平移,亦即相位是同类故障中不同故障元的惟一区别,所以在故障类内故障元的定位中用相位角Q作为特征量.根据前面介绍DFT中提及的求k次谐波相位的方法及各故障元的相位分布不同的特点,进行编程即能实现2级诊断.相关程序如下所示

15、:loadR036.matx=dft(file(2,1:5:38O);x2=x(3,:);Q2=atan(imag(x2)/real(x2)180/pi;ifreal(x2)<0Q2=Q2+180elseQ2=Q2endif(Q2>一30.5)&(Q2<91.4)disp(T3T6管出故障)elseif(Q2>91.4)&(Q2<210.4)disp(T2T5管出故障1elseif(Q2>210.4)&(Q2<=270)I(Q2>一9O)&(Q2(-30.5)disp(T1T4管出故障)end5结论运用Matlab6.5中的电气系统库可以快速地完成对三相整流电路的仿真和分析,仿真结果可以通过示波器即时反映各量的变化趋势,对故障类犁给予初步判断,实现动态监测电力电子电路是否有故障;也可将仿真结果记录成mat格式数据文件,供Matlab调用,在此数据基础上进行离散傅立叶分析,进而对故障进行2级诊断,可以准确定位故障元.仿真可以实现在实际系统中难以实现的超极限参数及破坏性试验,可以实现系统故障诊断试验,并能快速找到故障状态信息.本文综合Matlab仿真和DFT分析的方式对实际的电力电子故障诊断有一定的实用价值和参考意义.参考文献:【l】徐德鸿.马皓.电.力电子装置故障自动诊断【M】北京