整流电路故障模式研究在电力电子技术课程教学中的辅助作用

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摘要：随着电力电子技术的迅猛发展，电力电子技术已广泛应用于工业生产的各个领域和社会生活的各个方面。整流电路作为电力电子电路的主要组成部分，其故障问题在应用过程当中变得越来越突出。整流电路故障模式的研究在电力电子技术课程的教学过程中，有助于加深学生对电力电子技术理论知识的认识和理解，有助于培养学生的各项专业技能。对于提高教学质量具有不可忽视的现实意义。

关键词：整流电路；故障模式；电力电子技术

电力电子技术是自动化专业、电气工程及其自动化专业的重要专业基础课程，在专业教学过程中起着承上启下的重要作用。它既是以高等数学、电子学、电路以及电机学等专业基础知识为基础，并体现其发展和综合应用的一门专业技术。同时，它又是电力拖动控制系统、电力系统等相关后续专业课程的基础。电力电子技术课程具有理论性强、与工程实际紧密联系等特点。电力电子技术在直流输电、风电领域、新能源转换技术等方面都起到非常重要的作用。

一、整流电路故障模式研究

电力电子电路的故障可分为参数性故障和结构性故障。参数性故障是指电路中器件参数（如：电阻阻值、开关参数等）偏离正常值而导致的故障；结构性故障是指由于电路中电力电子器件出现短路、断路或由于驱动电路故障而导致电路拓扑结构发生的故障。通常，将保护电路发生动作（诸如：保险丝熔断、断路器跳闸等）导致的电路拓扑变化也归入结构性故障。本文对整流电路故障模式的研究就是针对整流电路的结构性故障进行分析。

1.整流电路的故障分析。整流电路故障模式的建立主要是根据整流电路的电路结构，通过对电路的故障工作特性进行分析，并归纳和总结其分析的结果，最终构成整流电路的故障模式。现以三相桥式全控整流电路为例进行故障分析。

三相桥式全控整流电路如图1-1所示，主电路中a、b、c三相电源分别联接有共阴极组（VT1、VT3、VT5）和共阳极组（VT4、VT6、VT2）共六个晶闸管。整流电路工作时，共阴极组与共阳极组分别有一个晶闸管导通，从而构成通电回路。电路中六个晶闸管依VT1-VT2-VT3-VT4-VT5-VT6的次序、相隔60？触发导通，并以此循环控制。在控制角α相同的情况下，可在整流电路的输出端获得形状相同、大小相等的六相电压。

一旦整流电路出现故障（如：晶闸管损坏），则将造成输出电压波形发生畸变。并且，不同的晶闸管损坏时，整流电路输出电压波形发生畸变的情况不同。对于不同结构的整流电路，其故障模式不尽相同。

2.三相桥式全控整流电路的故障模式分类。三相桥式全控整流电路的故障模式从工程应用的角度出发，一般只考虑一个或两个晶闸管发生故障的情况，因为对整流电路而言，三个以上晶闸管同时发生故障的几率很小。因此，三相桥式全控整流电路可获得4大类、共计21种故障模式。三相桥式全控整流电路的21种故障模式，在电路带不同性质负载、以及不同控制角α的情况下，整流电路输出的畸变电压波形的形状、波头数或幅值大小不尽相同。因此，可以从整流电路实际输出电压的畸变波形预判电路的故障类型。

二、整流电路故障模式的应用

电力电子电路中，电力电子器件一旦损坏将造成电路输出的各种参数发生变化，同时可能引起电力电子装置或系统的损坏。整流电路故障模式的研究就是针对电力电子器件一旦发生故障，有可能引起的参数变化进行的，为尽快地发现并解决问题创造有利条件。

1.整流电路的工作原理。电力电子技术是以电力变换电路中电力电子器件（如：晶闸管）为核心，通过对电力电子器件的通、断进行控制，从而实现对电能进行转换和控制的目的。电力变换电路有整流电路、逆变电路等四大基本变换电路，以及建立在四大基本变换基础上的组合变流电路的多种拓扑形式。整流电路有多种基本电路结构，如单相桥式全控整流电路、三相桥式全控整流电路等。图1-1所示为三相桥式全控整流电路带电容滤波负载时的原理结构图，该电路共有6个晶闸管VT1～VT6，工作时依次触发导通。输出电压波形每周期6个波头，波头形状完全相同。整流电路在不同的电路结构、不同性质的负载、不同的控制角α的情况下，其输出电压具有特定的波形形状。

2.整流电路故障模式的应用。对整流电路故障模式的研究，基本是对故障电路电压波形的分析和研究。当整流电路发生故障（如电力电子器件损坏等）时，必将造成输出电压波形的畸变。电路中桥臂上的开关发生故障时，都会产生与之相对应的畸变波形。如图1-1所示三相桥式整流电路，只有一只晶闸管发生故障，即：VT1～VT6。

因此，对整理电路故障模式的应用与研究，即为对整流电路进行分析和研究，将其在各种故障情况下的畸变波形进行汇总，制定各种故障模式，并以此作为分析和判断整流电路发生故障起因的参考，从而能够快速找出故障原因的方法和手段。

三、整流电路故障模式研究对电力电子技术教学的辅助作用

电力电子技术是一门综合性学科，三相桥式全控整流电路单管故障是输出电压波形，其内容涉及多个学科和领域。课程内容理论知识点多、难点多，而且实践性强。在电力电子技术课程的学习过程中，要求学生具有较强的专业理论基础知识，具有对电路进行理论分析、波形分析和参数计算的能力。整流电路故障模式的研究对于提高学生的综合能力具有积极的辅助作用。

1.有利于提高学生对电力电子技术课程知识的理解能力。电力电子技术是一门理论性和实践性较强的专业基础课程，课程内容围绕着电力变换技术进行阐述，其电力变换技术又以整流和逆变为基础和核心。电力电子技术的基本电路及其拓扑结构具有多样性和复杂性。伴随着电力电子技术在实际应用中的不断普及和发展，各种理论知识的不断完善，电力电子技术所涉及的知识越来越丰富，同时，对学生各方面的要求越来越高。学生对课程知识的了解和认识基本来源于老师在课堂上对知识的阐述和引导，基本围绕电路正常工作状态，对电路的工作原理和性能进行分析。这样教学的结果往往固化了学生的思维方式，影响和限制了学生深入领会、认识和理解事物发展变化的本质特征的能力，减弱了学生的应变能力。对电路故障模式的研究能够引导学生从不同的角度观察和分析电路的变化，活跃了学生的思维，引导学生学会思考，从而进一步提高学生对电力电子技术课程知识的理解。

2.有利于增强学生对电力电子电路的分析能力。在电力电子技术的教学过程中，对电路的分析主要体现在原理分析和波形分析两个方面。电路中各点参数（电压和电流）的波形分析往往被作为对电路工作原理分析和研究的重要方法和手段。不同的电路结构，在不同的控制角α的作用下，电路各点电压、电流波形都具有不同的形状。在电力电子技术实验中，电路中各点电压波形所起的作用更加明显和重要。通过示波器中的波形形状，可以直接观察、分析和判断出电路和各种设备的运行状态。整流电路故障模式研究就是探讨整流电路在电力电子器件发生故障时，其电路输出电压波形发生畸变的问题。针对各种不同的故障情况，研究出了相对应的输出电压波形。通过对相对电压波形的对比和分析，可以帮助学生更加深刻地理解电路的工作原理和运行状态，对整个电力电子技术课程的学习具有非常重要的作用。

3.有利于培养学生的实践动手能力。实践是检验真理的唯一标准。通过电力电子技术实验可以增强学生的实际动手能力，强化了学生的实验技能，培养了学生分析问题和解决问题的能力，有利于加深学生对于电力电子技术理论知识的理解和认识。在电力电子技术的实验过程中，经常发生由于学生操作不当，造成电力电子电路出现各种故障，其结果往往造成电力电子器件被损坏等情况发生。由于电路结构具有多样性和复杂性，一旦主电路发生故障（如：主电路中某个电力电子器件损坏），将造成电路输出电压波形发生畸变。只是通过示波器中的波形很难直接判断出故障发生的原因。同时，在电路中直接检测电力电子器件，其结果不够准确，这也就无形中增加了实验的难度，使实验过程复杂化。学生在教学过程中几乎没有接触到这类知识和认识，也就不能直接清楚地认识到故障产生的原因。

整流电路故障模式的研究恰好解决了这一问题，它可以为学生提供一个迅速查找故障原因并尽快恢复正常实验的方法和手段。实验中一旦主电路发生故障，将造成波形畸变，可通过故障模式识别，进行波形对比，直接限定主电路发生故障的局部区域和范围，简化了检测过程，理顺了实验思路，从而为提高效率、加快实验进程创造有利条件。同时，可以培养学生在实践中形成较为成熟的思维和判断能力。

四、结束语

由于电力电子电路在实际工程应用中具有多样性和复杂性，因此，对电力电子技术的故障模式研究还不够完善，在实际应用中还有一定的局限性。但对于电力电子技术课程的教学而言，由于实验装置中组建的实验电路基本属于各种原理电路结构，电路结构和附加设备明确，实验中电力电子器件损坏较常见。因此，整流电路故障模式研究针对电力电子技术课程的教学而言，具有较强的辅助作用，是针对教学改革的一种积极地探索。

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