三相异步自整流电机中整流器的故障分析与研究

王炎龙， 秦爱中， 王姣龙

（中国船舶重工集团公司第七一三研究所， 河南 郑州 450015）

0 引言

电磁制动器是一种将主动侧扭力传给被动侧的连接器，能够根据需要自由的结合切离或制动。电机与制动器的组合设计，以其结构紧凑、简单，刹车定位精准、安全，得到广泛的应用[1]。与交流电磁制动器相比直流电磁制动器具有线圈温升低、节能环保、制动器启动释放速度更快等优点，因此直流电磁制动器应用更为广泛，特别是在对停车精度有要求或者需要频繁启停的场合。

1 整流器工作原理

整流器利用二极管的单向导通性， 将交流电源转换为直流电源供直流电磁制动器工作， 常用的整流器类型分为半波整流器、桥式整流器、桥式/半波整流器，整流器将电路分为两侧，一侧为输入交流电源，另一侧为直流输出，输出侧为直流电磁制动器供电，电磁制动器为线圈结构，在电路关断时线圈会产生感应电动势，情况严重时感应电动势会损坏制动器线圈和前级整流器， 为了避免出现过高的关断电动势， 通常会在整流器直流输出侧配置火花抑制器即吸收电路，如图1 所示。 因此特殊的整流器又有内置火花抑制器整流器以及为了实现快速制动的内置场效应管整流器。

图1 内置火花抑制器的整流器

图2 为实际使用中的某一型号半波整流器电路图，电路中二极管D2为整流二极管，将输入交流电转换为脉动直流电供直流电磁制动器工作，二极管D1 为续流二极管，为电磁制动器断开时线圈产生的感应电动势泄放使用，V1～V4 为压敏电阻，并联至二极管两端用以吸收电路中的脉冲干扰，防止二极管击穿损坏。

图2 整流器电路图

2 整流器故障分析与检测

整流器在交流电路中的供电方式通常有两种接法相—星点供电和相—相供电，见图3 和图4。 两种接法电机和整流器都受前级控制开关KM 的控制， 电机与整流器同时通电同时断电， 在实际使用中为了配合电机制动在控制开关KM 后级接入外制动抱闸电机，见图5，整流器使用了一段时间后经常出现损坏的情况， 导致电机无法运行影响现场作业。

图3 相—星点供电接法

图4 相—相供电接法

图5 实际电路示意图

从损坏的整流器打开情况来看均为整流二极管的击穿，对整流器输入端进行电压监测，测得输入端有瞬态脉冲干扰，波形图见图6，瞬态脉冲幅值最大值可达1300V， 电路中常见的瞬态脉冲干扰有如下几类：①静电放电干扰。导体或人体在某些特殊环境下会产生较强的静电， 当接触继电器或控制装置后就会对其产生静电放电现象，该放电会产生高强度、宽频谱的电磁场通过金属导体表面或空间进行传播，严重时会导致电子设备工作失常甚至损坏[2]；②浪涌（冲击）干扰。 该干扰是室外雷电或者室内大功率电气设备瞬间通断时在电缆上产生的干扰，特点就是能量很大，室内脉冲电压可达6KV，室外脉冲电压更高可达10KV 以上，该脉冲每发生一次都会产生比较严重的危害[3]；③1MHz（100KHz） 脉冲群干扰。 该干扰是一种振荡衰减波的干扰， 产生是由于在辅助电源回路中开关的开闭会出现短暂的放电， 产生一个短时尖峰干扰电压以一连串的衰减振荡波的形式出现， 波形频率取决于辅助电源回路的阻抗， 传播方式以传导干扰为主通过输入导线直接传到传输设备上；④电快速瞬变脉冲群干扰。该干扰是由于电路中开关切换感性负载时产生， 特点是干扰信号不是单个脉冲而是一连串的脉冲群，每个脉冲的间隔时间短，当第一个脉冲波还未消失时第二个脉冲波紧跟而来， 脉冲幅值高、频率高，脉冲群可在电路输入端产生积累效应使干扰电平的幅度最终可能超过电路的噪声容限， 脉冲干扰源的大小取决于负载电路的电感、 负载断开速度和介质的耐受能力[4-5]。

图6 瞬态脉冲干扰

通过对整流器输入端脉冲干扰波形分析该干扰属于电快速瞬变脉冲群干扰， 该干扰出现于控制开关KM 闭合或者断开的瞬间，且与三相电源零点有关，当开关KM在电源波形最高值时刻触发时脉冲干扰幅值较大， 在电源波形零点时刻触发时脉冲干扰幅值较小。

3 整流器脉冲干扰抑制方法

整流器中整流二极管采用的保护措施通常为并联一定标称电压值的压敏电阻或采用两只相同规格的二极管串联以提高整流二极管的耐压能力防止二极管在遭受瞬态脉冲干扰时击穿损坏[6]。压敏电阻是一种具有非线性伏安特性的电压敏感型器件， 当加在压敏电阻上的电压低于标称电压时阻值无穷大， 一旦电压超过标称电压时电阻阻值开始快速下降，从而将能量泄放，整个过程响应时间为ns 级，对整流器输入端电压、电流和输出端电压、电流进行监测，波形见图7，从图中可以看出对于输入端U1的脉冲干扰，输出端U2 并未得到明显钳位，主要原因是电快速瞬变脉冲群不是单个脉冲而是一连串持续时间很短的脉冲群，具有一定高频性，而压敏电阻具有结电容，一般在几百至几千pf 的数量级范围，不宜直接应用在高频线路中， 这就导致压敏电阻对脉冲干扰的抑制效果有限， 整流二极管长期承受高幅值电压脉冲的冲击导致整流器使用一段时间后会出现损坏的情况。

图7 整流器输入输出端监测

针对整流器的上述情况， 对整流器分别采用输入端加一阶RC 低通滤波电路和并联瞬态抑制二极管的方法。 在整流器输入端加RC 低通滤波电路主要是利用RC电路中的电容充电能减缓脉冲上升时间，降低脉冲群的重复频率，电阻能吸收部分脉冲群的能量，减少重燃次数[7]。瞬态抑制二极管主要是利用了二极管中硅PN 结的雪崩效应，正常情况下瞬态抑制二极管不工作，当出现瞬态脉冲干扰时瞬时过电压尖峰以钳位的方式被限制在一定幅值范围内，瞬态抑制二极管具有极快的响应时间一般为ps级和非常高的浪涌吸收能力，但一般市面产品瞬态抑制二极管的最大反向关断电压Vrwm值均小于三相电源峰值电压537V，这将导致即使在没有脉冲干扰的情况下瞬态抑制二极管也会工作失去其使用意义， 实际中采用两只同型号的双向抑制二极管串联使用。 得到的波形图见图8和图9。 从实际测得的效果来看，一阶RC 低通滤波和采用双向瞬态抑制二极管对瞬态脉冲干扰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级别的滤波电路。

图8 一阶RC 低通滤波

图9 双向瞬态抑制二极管滤波

传导干扰信号在电路中的反映方式有两种共模干扰和差模干扰。 对于三相电路来说共模干扰存在于任何一相与大地之间，差模干扰存在于相线与相线之间[8]。 针对图5 中的实际电路干扰主要表现为差模干扰。 电源滤波器主要由电容和电感等无源元件组成， 为一低通型双向滤波器，工作原理就是利用无源元件电感、电容的高频特性把高频干扰信号能量消耗掉， 从而使工频信号无衰减的通过[9-10]。 电源滤波器在实际电路中使用非常广泛，根据滤波器中配置电感、 电容元器件的多少和滤波级数分为普通型滤波器和增强型滤波器， 根据使用场合的不同选择相应的滤波器。 针对瞬态脉冲干扰波形情况采用如下增强型电源滤波器，电路图见图10。

图10 增强型电源滤波器

图11 加电源滤波器后整流器输入输出波形图

4 结论

设计电路时电机主控开关后级尽量避免引入过多电感类器件， 如无法避免则要考虑对电机的整流器进行独立开关控制或者采用过零型固体继电器作为电机主控开关，同时电机整流器选择规格型号较大的。采用电源滤波器对瞬态脉冲进行滤波时，由于电路结构、电机功率、使用电磁环境、阻抗匹配等不同影响了滤波器的通用性，在实际中需根据测试情况逐步调整滤波器参数以达到良好的滤波效果。