三相異步自整流電機(jī)中整流器的故障分析與研究

王炎龍， 秦愛(ài)中， 王姣龍

（中國(guó)船舶重工集團(tuán)公司第七一三研究所， 河南 鄭州 450015）

0 引言

電磁制動(dòng)器是一種將主動(dòng)側(cè)扭力傳給被動(dòng)側(cè)的連接器，能夠根據(jù)需要自由的結(jié)合切離或制動(dòng)。電機(jī)與制動(dòng)器的組合設(shè)計(jì)，以其結(jié)構(gòu)緊湊、簡(jiǎn)單，剎車(chē)定位精準(zhǔn)、安全，得到廣泛的應(yīng)用[1]。與交流電磁制動(dòng)器相比直流電磁制動(dòng)器具有線圈溫升低、節(jié)能環(huán)保、制動(dòng)器啟動(dòng)釋放速度更快等優(yōu)點(diǎn)，因此直流電磁制動(dòng)器應(yīng)用更為廣泛，特別是在對(duì)停車(chē)精度有要求或者需要頻繁啟停的場(chǎng)合。

1 整流器工作原理

整流器利用二極管的單向?qū)ㄐ裕?將交流電源轉(zhuǎn)換為直流電源供直流電磁制動(dòng)器工作， 常用的整流器類(lèi)型分為半波整流器、橋式整流器、橋式/半波整流器，整流器將電路分為兩側(cè)，一側(cè)為輸入交流電源，另一側(cè)為直流輸出，輸出側(cè)為直流電磁制動(dòng)器供電，電磁制動(dòng)器為線圈結(jié)構(gòu)，在電路關(guān)斷時(shí)線圈會(huì)產(chǎn)生感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)，情況嚴(yán)重時(shí)感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)會(huì)損壞制動(dòng)器線圈和前級(jí)整流器， 為了避免出現(xiàn)過(guò)高的關(guān)斷電動(dòng)勢(shì)， 通常會(huì)在整流器直流輸出側(cè)配置火花抑制器即吸收電路，如圖1 所示。 因此特殊的整流器又有內(nèi)置火花抑制器整流器以及為了實(shí)現(xiàn)快速制動(dòng)的內(nèi)置場(chǎng)效應(yīng)管整流器。

圖1 內(nèi)置火花抑制器的整流器

圖2 為實(shí)際使用中的某一型號(hào)半波整流器電路圖，電路中二極管D2為整流二極管，將輸入交流電轉(zhuǎn)換為脈動(dòng)直流電供直流電磁制動(dòng)器工作，二極管D1 為續(xù)流二極管，為電磁制動(dòng)器斷開(kāi)時(shí)線圈產(chǎn)生的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)泄放使用，V1～V4 為壓敏電阻，并聯(lián)至二極管兩端用以吸收電路中的脈沖干擾，防止二極管擊穿損壞。

圖2 整流器電路圖

2 整流器故障分析與檢測(cè)

整流器在交流電路中的供電方式通常有兩種接法相—星點(diǎn)供電和相—相供電，見(jiàn)圖3 和圖4。 兩種接法電機(jī)和整流器都受前級(jí)控制開(kāi)關(guān)KM 的控制， 電機(jī)與整流器同時(shí)通電同時(shí)斷電， 在實(shí)際使用中為了配合電機(jī)制動(dòng)在控制開(kāi)關(guān)KM 后級(jí)接入外制動(dòng)抱閘電機(jī)，見(jiàn)圖5，整流器使用了一段時(shí)間后經(jīng)常出現(xiàn)損壞的情況， 導(dǎo)致電機(jī)無(wú)法運(yùn)行影響現(xiàn)場(chǎng)作業(yè)。

圖3 相—星點(diǎn)供電接法

圖4 相—相供電接法

圖5 實(shí)際電路示意圖

從損壞的整流器打開(kāi)情況來(lái)看均為整流二極管的擊穿，對(duì)整流器輸入端進(jìn)行電壓監(jiān)測(cè)，測(cè)得輸入端有瞬態(tài)脈沖干擾，波形圖見(jiàn)圖6，瞬態(tài)脈沖幅值最大值可達(dá)1300V， 電路中常見(jiàn)的瞬態(tài)脈沖干擾有如下幾類(lèi)：①靜電放電干擾。導(dǎo)體或人體在某些特殊環(huán)境下會(huì)產(chǎn)生較強(qiáng)的靜電， 當(dāng)接觸繼電器或控制裝置后就會(huì)對(duì)其產(chǎn)生靜電放電現(xiàn)象，該放電會(huì)產(chǎn)生高強(qiáng)度、寬頻譜的電磁場(chǎng)通過(guò)金屬導(dǎo)體表面或空間進(jìn)行傳播，嚴(yán)重時(shí)會(huì)導(dǎo)致電子設(shè)備工作失常甚至損壞[2]；②浪涌（沖擊）干擾。 該干擾是室外雷電或者室內(nèi)大功率電氣設(shè)備瞬間通斷時(shí)在電纜上產(chǎn)生的干擾，特點(diǎn)就是能量很大，室內(nèi)脈沖電壓可達(dá)6KV，室外脈沖電壓更高可達(dá)10KV 以上，該脈沖每發(fā)生一次都會(huì)產(chǎn)生比較嚴(yán)重的危害[3]；③1MHz（100KHz） 脈沖群干擾。 該干擾是一種振蕩衰減波的干擾， 產(chǎn)生是由于在輔助電源回路中開(kāi)關(guān)的開(kāi)閉會(huì)出現(xiàn)短暫的放電， 產(chǎn)生一個(gè)短時(shí)尖峰干擾電壓以一連串的衰減振蕩波的形式出現(xiàn)， 波形頻率取決于輔助電源回路的阻抗， 傳播方式以傳導(dǎo)干擾為主通過(guò)輸入導(dǎo)線直接傳到傳輸設(shè)備上；④電快速瞬變脈沖群干擾。該干擾是由于電路中開(kāi)關(guān)切換感性負(fù)載時(shí)產(chǎn)生， 特點(diǎn)是干擾信號(hào)不是單個(gè)脈沖而是一連串的脈沖群，每個(gè)脈沖的間隔時(shí)間短，當(dāng)?shù)谝粋€(gè)脈沖波還未消失時(shí)第二個(gè)脈沖波緊跟而來(lái)， 脈沖幅值高、頻率高，脈沖群可在電路輸入端產(chǎn)生積累效應(yīng)使干擾電平的幅度最終可能超過(guò)電路的噪聲容限， 脈沖干擾源的大小取決于負(fù)載電路的電感、 負(fù)載斷開(kāi)速度和介質(zhì)的耐受能力[4-5]。

圖6 瞬態(tài)脈沖干擾

通過(guò)對(duì)整流器輸入端脈沖干擾波形分析該干擾屬于電快速瞬變脈沖群干擾， 該干擾出現(xiàn)于控制開(kāi)關(guān)KM 閉合或者斷開(kāi)的瞬間，且與三相電源零點(diǎn)有關(guān)，當(dāng)開(kāi)關(guān)KM在電源波形最高值時(shí)刻觸發(fā)時(shí)脈沖干擾幅值較大， 在電源波形零點(diǎn)時(shí)刻觸發(fā)時(shí)脈沖干擾幅值較小。

3 整流器脈沖干擾抑制方法

整流器中整流二極管采用的保護(hù)措施通常為并聯(lián)一定標(biāo)稱電壓值的壓敏電阻或采用兩只相同規(guī)格的二極管串聯(lián)以提高整流二極管的耐壓能力防止二極管在遭受瞬態(tài)脈沖干擾時(shí)擊穿損壞[6]。壓敏電阻是一種具有非線性伏安特性的電壓敏感型器件， 當(dāng)加在壓敏電阻上的電壓低于標(biāo)稱電壓時(shí)阻值無(wú)窮大， 一旦電壓超過(guò)標(biāo)稱電壓時(shí)電阻阻值開(kāi)始快速下降，從而將能量泄放，整個(gè)過(guò)程響應(yīng)時(shí)間為ns 級(jí)，對(duì)整流器輸入端電壓、電流和輸出端電壓、電流進(jìn)行監(jiān)測(cè)，波形見(jiàn)圖7，從圖中可以看出對(duì)于輸入端U1的脈沖干擾，輸出端U2 并未得到明顯鉗位，主要原因是電快速瞬變脈沖群不是單個(gè)脈沖而是一連串持續(xù)時(shí)間很短的脈沖群，具有一定高頻性，而壓敏電阻具有結(jié)電容，一般在幾百至幾千pf 的數(shù)量級(jí)范圍，不宜直接應(yīng)用在高頻線路中， 這就導(dǎo)致壓敏電阻對(duì)脈沖干擾的抑制效果有限， 整流二極管長(zhǎng)期承受高幅值電壓脈沖的沖擊導(dǎo)致整流器使用一段時(shí)間后會(huì)出現(xiàn)損壞的情況。

圖7 整流器輸入輸出端監(jiān)測(cè)

針對(duì)整流器的上述情況， 對(duì)整流器分別采用輸入端加一階RC 低通濾波電路和并聯(lián)瞬態(tài)抑制二極管的方法。 在整流器輸入端加RC 低通濾波電路主要是利用RC電路中的電容充電能減緩脈沖上升時(shí)間，降低脈沖群的重復(fù)頻率，電阻能吸收部分脈沖群的能量，減少重燃次數(shù)[7]。瞬態(tài)抑制二極管主要是利用了二極管中硅PN 結(jié)的雪崩效應(yīng)，正常情況下瞬態(tài)抑制二極管不工作，當(dāng)出現(xiàn)瞬態(tài)脈沖干擾時(shí)瞬時(shí)過(guò)電壓尖峰以鉗位的方式被限制在一定幅值范圍內(nèi)，瞬態(tài)抑制二極管具有極快的響應(yīng)時(shí)間一般為ps級(jí)和非常高的浪涌吸收能力，但一般市面產(chǎn)品瞬態(tài)抑制二極管的最大反向關(guān)斷電壓Vrwm值均小于三相電源峰值電壓537V，這將導(dǎo)致即使在沒(méi)有脈沖干擾的情況下瞬態(tài)抑制二極管也會(huì)工作失去其使用意義， 實(shí)際中采用兩只同型號(hào)的雙向抑制二極管串聯(lián)使用。 得到的波形圖見(jiàn)圖8和圖9。 從實(shí)際測(cè)得的效果來(lái)看，一階RC 低通濾波和采用雙向瞬態(tài)抑制二極管對(duì)瞬態(tài)脈沖干擾都有一定的抑制效果， 但如果要得到更好的抑制效果需要采用更高級(jí)別的濾波電路。

圖8 一階RC 低通濾波

圖9 雙向瞬態(tài)抑制二極管濾波

傳導(dǎo)干擾信號(hào)在電路中的反映方式有兩種共模干擾和差模干擾。 對(duì)于三相電路來(lái)說(shuō)共模干擾存在于任何一相與大地之間，差模干擾存在于相線與相線之間[8]。 針對(duì)圖5 中的實(shí)際電路干擾主要表現(xiàn)為差模干擾。 電源濾波器主要由電容和電感等無(wú)源元件組成， 為一低通型雙向?yàn)V波器，工作原理就是利用無(wú)源元件電感、電容的高頻特性把高頻干擾信號(hào)能量消耗掉， 從而使工頻信號(hào)無(wú)衰減的通過(guò)[9-10]。 電源濾波器在實(shí)際電路中使用非常廣泛，根據(jù)濾波器中配置電感、 電容元器件的多少和濾波級(jí)數(shù)分為普通型濾波器和增強(qiáng)型濾波器， 根據(jù)使用場(chǎng)合的不同選擇相應(yīng)的濾波器。 針對(duì)瞬態(tài)脈沖干擾波形情況采用如下增強(qiáng)型電源濾波器，電路圖見(jiàn)圖10。

圖10 增強(qiáng)型電源濾波器

圖11 加電源濾波器后整流器輸入輸出波形圖

4 結(jié)論

設(shè)計(jì)電路時(shí)電機(jī)主控開(kāi)關(guān)后級(jí)盡量避免引入過(guò)多電感類(lèi)器件， 如無(wú)法避免則要考慮對(duì)電機(jī)的整流器進(jìn)行獨(dú)立開(kāi)關(guān)控制或者采用過(guò)零型固體繼電器作為電機(jī)主控開(kāi)關(guān)，同時(shí)電機(jī)整流器選擇規(guī)格型號(hào)較大的。采用電源濾波器對(duì)瞬態(tài)脈沖進(jìn)行濾波時(shí)，由于電路結(jié)構(gòu)、電機(jī)功率、使用電磁環(huán)境、阻抗匹配等不同影響了濾波器的通用性，在實(shí)際中需根據(jù)測(cè)試情況逐步調(diào)整濾波器參數(shù)以達(dá)到良好的濾波效果。