電力機(jī)車整流電路的故障診斷仿真解析

（資陽晨工電器有限公司，四川 資陽 641301）

韶山3型電力機(jī)車是第二代鐵路國(guó)產(chǎn)貨運(yùn)、客運(yùn)兩用的干線電力機(jī)車，在韶山1型和韶山2型電力機(jī)車的基礎(chǔ)上，在1978年聯(lián)合株洲電力機(jī)車廠和電力機(jī)車研究所共同研制了第一臺(tái)韶山3型電力機(jī)車，機(jī)車代號(hào)為SS3。韶山3型電力機(jī)車的電流制是單相工頻交流，功率在4 320千瓦，韶山3型機(jī)車是我國(guó)電力機(jī)車的代表，它的出現(xiàn)對(duì)于時(shí)代發(fā)展影響十分深刻。就目前情況來看，電力機(jī)車的整流電路對(duì)于機(jī)車的使用和運(yùn)行有著非常重要的影響。因此，整流裝置的創(chuàng)新和改進(jìn)勢(shì)在必行。對(duì)于整流電路存在的故障必須及時(shí)的進(jìn)行診斷，提出科學(xué)合理的解決辦法，實(shí)現(xiàn)危害的最小化。

1 單相串聯(lián)3重聯(lián)結(jié)電路的分析

圖1顯示的情況是韶山3型電力機(jī)車中的3重晶閘管的整流橋按一定順序進(jìn)行控制的電路圖，由于我國(guó)的鐵道對(duì)于電氣機(jī)車的供電模式僅僅為單相供電，因此圖1中所涉及的橋都是單相橋。下圖發(fā)生的故障是晶閘管最為常見的故障，具體故障為晶閘管短路、開路和熔斷器燒壞。本文僅僅針對(duì)晶閘管開路的狀態(tài)下有可能出現(xiàn)的一系列故障進(jìn)行識(shí)別。在診斷故障的時(shí)候所選擇的測(cè)試點(diǎn)十分重要，經(jīng)過研究看出，當(dāng)整流電路發(fā)生故障的時(shí)候，所輸出的波形信息會(huì)體現(xiàn)異常狀態(tài)，該電壓中體現(xiàn)了電路出現(xiàn)的故障信息，是重要的測(cè)試點(diǎn)，可以有效的診斷故障。

圖1單相串聯(lián)3重聯(lián)結(jié)電路原理圖

通過圖1可以分析出，圖1中所體現(xiàn)的是三個(gè)串聯(lián)單相橋，故障可能分成三類情況，一種為沒有故障，另一種為一只或兩只出現(xiàn)故障，第三種則為三只晶閘管均存在故障。沒有故障的情況可視作特殊故障；一只出現(xiàn)故障共包含12種可能狀態(tài)；兩只發(fā)生故障又可劃分為序號(hào)相差 1、2、3、4、5、6、7 各個(gè)情況以及序號(hào)相差5、8、9、10、12的情況；而假如三只晶閘管發(fā)生故障的時(shí)候，這個(gè)單橋不能繼續(xù)工作。

進(jìn)行多重聯(lián)結(jié)的單相串聯(lián)電路實(shí)現(xiàn)了對(duì)于各個(gè)整流橋之中單一的橋的角α的控制，除此之外的其它的橋所處的工作狀態(tài)則是需要根據(jù)整流電壓的輸出情況進(jìn)行確定，也存在不進(jìn)行工作實(shí)現(xiàn)橋輸出值為零的直流電壓，或者當(dāng)α角的值為0°時(shí)，這個(gè)橋可以輸出最大電壓值。通過這種方法的運(yùn)用，不僅可以實(shí)現(xiàn)輸出電流之中諧波的降低，同時(shí)也能夠?qū)崿F(xiàn)各個(gè)橋之中僅存在單一的一組進(jìn)行控制相位，而其他的各個(gè)橋或者處于不工作的狀態(tài)，或者位移的因數(shù)為1的狀態(tài)，最終實(shí)現(xiàn)總功率的因數(shù)不斷提升的效果。

2 單相串聯(lián)3重聯(lián)結(jié)電路的Matlab模型和仿真

依據(jù)圖1，在Matlab環(huán)境下進(jìn)行電路聯(lián)結(jié)，圖2是Matlab環(huán)境下單相串聯(lián)3重聯(lián)結(jié)電路仿真圖示，在圖中，PSB工具箱里的模塊為多線變壓器，所輸入的是單相的交流電，其副邊要分別聯(lián)結(jié)3個(gè)單相橋，通過脈沖使得晶閘管發(fā)生器被觸發(fā)，通過對(duì)于觸發(fā)時(shí)刻的人為設(shè)置達(dá)到改變觸發(fā)角的目的。因?yàn)檩敵龅碾妷菏菧y(cè)量的一個(gè)關(guān)鍵點(diǎn)，因此，需要另外進(jìn)行測(cè)量電壓模塊的選擇，通過示波器進(jìn)行變化的觀察，輔助進(jìn)行分析。

圖2 Matlab環(huán)境下的單相串聯(lián)3重聯(lián)結(jié)電路仿真圖

當(dāng)開始進(jìn)行仿真的時(shí)候，需要用寬脈沖的觸發(fā)方法，根據(jù)實(shí)際的需求，當(dāng)直流電壓不足最高電壓的三分之一時(shí)，對(duì)第I組橋α角實(shí)行控制，通過對(duì)VT23、VT24、VT33、VT34 的連續(xù)觸發(fā)，導(dǎo)通第 I組橋，第II、III組橋所輸出的直流電壓值均為零。當(dāng)沒有故障發(fā)生時(shí)，脈沖觸發(fā)器保持50 Hz的頻率，寬度為45°；當(dāng)晶閘管發(fā)生開路故障的時(shí)候，并不會(huì)發(fā)出脈沖信號(hào)。RLC的負(fù)載參數(shù)R=100Ω，L=0.001，C取inf。

3 基于BP網(wǎng)絡(luò)的故障分析

BP網(wǎng)絡(luò)對(duì)于信息的存儲(chǔ)以及高速的處理與人類的視覺系統(tǒng)相近，在故障的診斷和處理中十分有效。BP網(wǎng)絡(luò)是按照誤差的逆?zhèn)鞑ビ?jì)算方式進(jìn)行對(duì)于多層的前闊網(wǎng)絡(luò)訓(xùn)練，在目前來看，這種模型的應(yīng)用十分的廣泛。BP網(wǎng)絡(luò)能夠通過學(xué)習(xí)來存貯大量的映射關(guān)系，并不需要在使用前描述相關(guān)的映射關(guān)系方程。這種算法的理論依據(jù)十分可靠，所使用的推導(dǎo)過程十分嚴(yán)謹(jǐn)，數(shù)據(jù)的精度較高，同時(shí)具備較好的通用性。但是，BP網(wǎng)絡(luò)也存在著自身的缺陷性，即這種算法的收斂速度十分慢，易使得結(jié)果陷入到局部的極小值，隱層數(shù)難以確定，隱層的節(jié)點(diǎn)個(gè)數(shù)也無法確定。因此，在現(xiàn)實(shí)的應(yīng)用中，BP算法難以獨(dú)自勝任工作，必須經(jīng)過不斷的改進(jìn)和創(chuàng)新。

電路中會(huì)主要出現(xiàn)這樣的問題：在任意時(shí)刻只有一個(gè)晶閘管出現(xiàn)問題或兩個(gè)晶閘管同時(shí)出現(xiàn)問題。應(yīng)用仿真模擬試驗(yàn)，建立整流電路的模擬仿真試驗(yàn)，這個(gè)方法被廣泛應(yīng)用于整個(gè)三相全波橋式電路可控制的實(shí)踐當(dāng)中。但存在兩方面的問題，一個(gè)是診斷故障的兩只晶閘管只能在一個(gè)端上測(cè)得的信號(hào)，只能通過這個(gè)信號(hào)來判斷，測(cè)量裝置異常復(fù)雜；另一方面，在端點(diǎn)的問題判斷上會(huì)更加艱難。采用三相整流裝置的故障診斷方案，該方法對(duì)噪聲具有判斷性，且具有很好的范化能力和高診斷正確率等，這點(diǎn)已經(jīng)在仿真實(shí)驗(yàn)中證實(shí)了他的優(yōu)越性，適用于更多的電力機(jī)車整流電路。

診斷故障的關(guān)鍵是對(duì)信號(hào)的特征進(jìn)行提取，故障特征是爭(zhēng)端整流電路故障的關(guān)鍵因素，同樣也是故障構(gòu)造的基礎(chǔ)。其包含著學(xué)習(xí)和診斷兩個(gè)過程，每一個(gè)過程有包括對(duì)數(shù)據(jù)的預(yù)處理以及特征的提取這兩個(gè)部分。診斷故障的過程就是對(duì)未知模式使用已經(jīng)訓(xùn)練好的網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行分析診斷，對(duì)未知的模式進(jìn)行識(shí)別。

BP網(wǎng)絡(luò)在處理信息時(shí)所使用的基本原理為：首先輸出信號(hào)，再通過隱層點(diǎn)即中間的節(jié)點(diǎn)作用給輸出節(jié)點(diǎn)，通過非線性的變化，得到輸出信號(hào)。訓(xùn)練中的樣本包含輸入向量以及期望輸出量，輸出值和期望輸出值之間存在偏差，通過對(duì)于節(jié)點(diǎn)以及隱層節(jié)點(diǎn)的調(diào)整，使得誤差在梯度方向上降低，通過反復(fù)的訓(xùn)練和學(xué)習(xí)，使得誤差處于最小值，此時(shí)即可以停止訓(xùn)練。經(jīng)過這一過程的訓(xùn)練可以實(shí)現(xiàn)對(duì)于樣本信息的輸入，自動(dòng)將誤差值處理到最小，再通過非線性進(jìn)行信息的轉(zhuǎn)換。

依據(jù)未測(cè)電路的波形曲線獲取原始數(shù)據(jù)，通過對(duì)原始數(shù)據(jù)的分析采集，將原始數(shù)據(jù)進(jìn)行映射，獲取樣本空間點(diǎn)，這些數(shù)據(jù)的類型包括整流電路診斷的故障類型以及位置信息等等。但是，在整體的樣本來看，所得到的特征信息均不是一成不變的，而是呈現(xiàn)一定變化的。就各種診斷故障的辦法來講，通常不能夠?qū)⑻卣餍畔⒅苯舆\(yùn)用到故障分類之中，必須得通過科學(xué)合理的變換對(duì)電路電壓輸出的故障特征進(jìn)行提取。對(duì)于可控整流電路的故障診斷過程則是把癥狀的空間向量通過映射提取到故障空間，首先要采集整流電路所輸出的電壓信號(hào)以得到原始的樣本，接下來要通過相關(guān)的預(yù)處理對(duì)原始樣本進(jìn)行篩選分析，最終得到診斷故障的向量特征。

4 結(jié)束語

本文通過對(duì)于整流電路故障的診斷，以韶山3號(hào)電力機(jī)車的單相串聯(lián)3重聯(lián)結(jié)電路為案例進(jìn)行研究，分析了其仿真模型的應(yīng)用效果，并提出了采用BP網(wǎng)絡(luò)診斷晶閘管開路問題的辦法。隨著我國(guó)的交通運(yùn)輸業(yè)的發(fā)展，電力機(jī)車越來越受到人們的關(guān)注，而整流電路的好壞關(guān)系到電力機(jī)車能夠正常的運(yùn)行和工作，只有不斷提升科技水平，實(shí)現(xiàn)對(duì)于故障的及時(shí)檢測(cè)和解決，才能夠更好的提升電力機(jī)車的實(shí)用性，為我國(guó)的交通運(yùn)輸業(yè)提供支持。

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