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摘?要 基于波形分析技术的电力电子电路故障检测技术，有利于快速、准确地定位电路故障，以便及时进行故障维修。本文就车用交流发电机三相桥式整流电路以及电控发动机喷油驱动电路的故障急性波形分析。
关键词 波形分析；电路故障；检测
中图分类号 TN707 文献标识码 A 文章编号 1673-9671-(2012)082-0114-02
随着电力电子技术的不断发展，电力电子装置以其可靠性、稳定性在汽车等领域得到了广泛应用。但是，如果电力电子电路设计不合理或使用不当，工作环境中的各种干扰因素、元器件老化或参数配合不当等都可能导致电路发生故障。电力电子电路故障通常表现为电力电子器件的损坏，特别是开路和短路故障最为常见。然而，器件的过载能力小，损坏速度快，故障发生前较难察觉。波形分析技术为电力电子电路的故障提供了一种新型检测方法，本文就基于波形分析技术的电力电子电路故障检测技术进行研究探讨。
1 电力电子电路故障检测概述
电力电子技术一门利用电力电子器件对电能进行控制和转换的新兴学科。利用电力半导体器件、应用电路、设计理论及分析开发工具，就能实现对电能的高效能变换和控制。
但是，电力电子设备故障种类十分复杂，发生故障的原因也非常多，故障信息往往仅存在于发生故障到停电之前的数十毫秒以内，因而，单单依靠人工查找或维修人员的经验去定位故障是非常困难的。这时，建立一种故障自动检测和诊断系统来对电路故障进行有效的诊断就十分有必要了。故障检测和诊断就是对电力电子电路进行实时监测，一旦发生故障，就将当时的状态信息记录下来，运用一定的故障检测方法，分析电路故障产生的原因并确定电路故障发生的部位，以便工作人员及时维修使电路故障，将损害降到最低。
电力电子电路故障诊断的意义在于：1）实现早期预报，防止事故发生；2）预知性维修，提高设备管理水平；3）方便检修，缩短了维修时间，提高设备利用率；4）对提高设备的设计制造水平，改善产品质量有指导意义。
2 波形分析技术
波形分析技术是一项对波形的数字处理和识别技术，这种波形通常是随时间变化的一维信号，即对电路的波谱曲线形态进行分析，通过提取表征曲线形态的参量，将参量的相似性作为波谱相似性的测度。
波形分析的主要方法有：1）傅立叶变换法。即将波谱分解为不同的谐并叠加，以各谐波的振幅和相位为参数，表征波谱特征；2）切比雪夫多项式法。即对多项式波谱曲线进行拟合，以项式系数和它们的比值来描述波谱特征；3）小波变换方法，将波谱分解为不同幅度、不同频率成分的子波，以子波的参数来描述波形特征；4）子波曲线的分维数。计算原始曲线或小波变换后的子波来描述波形特征。将实际测量的波谱和参考波谱的特征参数作比较，来分析其相似性。
利用波形分析技术，首先要对输入的连续波形进行采样和量化。根据乃奎斯特采样定理，为了将原始信号中的所有信息保留，采样频率应大于波形的最高频率的两倍。对傅立叶变换后的离散时间序列，可以利用低通滤波器、带通滤波器对序列进行信号处理。利用示波器观察波形，检测到的波形，进行波形分析，就可以得到各种用户所需要的数据。
3 基于波形分析技术的电力电子电路故障检测技术
3.1 车用交流发电机三相桥式整流电路故障的波形分析
发电机的工作原理，是按一定规律分布将三相定子绕组在发电机的定子槽中，绕组间相差120°电角度，且匝数相等。三相绕组的末端连在一起，呈星形连接。当绕组接通直流电时，周围产生了磁场，使发电机带动磁场旋转。根据电磁感应原理，磁场旋转使在三相绕组产生频率相等、幅值相同、相位差为120°的正弦电动势。表达式如下：
Uu1=Vmsinα （1）
Uw1=Vmsin(α+120°) （2）
Uv1=Vmsin(α+240°) （3）
其中，Uu1、Uw1、Uv1分别为三相交流电的瞬时电动势；Vm为最大电动势，α、α+120°、α+240°分别为三相交流电的初相角。根据正弦函数图像可画出如图1所示的三相交流电波形。
图1 三相交流电路
在α为30°～90°时，得出整流后电动势的函数解析式为：
Uw1=Vmsin(α+30°) （4）
由正弦函数图像可得到α为30°～90°时整流后电压波形，同理分别推导出：
α为90°～150°时，整流后电压的函数解析式为
VZ=Vm(α+30°)
α为150°～210°时，整流后电压的函数解析式为
VZ=-Vmcosα
α为210°～270°时，整流后电压的函数解析式为
VZ=-Vmsin(α+30°)
α为270°～330°时，整流后电压的函数解析式为
VZ=-Vmα
α为330°～360°时，整流后电压的函数解析式为
VZ=-Vmcosα
通过以上分析，就可以由三角函数的图像画出整流后的电压波形。因而，在电路出现故障时，可以整流电路的电压函数与正常运行系统对应的输出量进行比较，产生残差。当发电机正常运行，没有出现故障时，残差e为零；而当系统出现故障时，残差就会出现明显的跳跃现象。这时通过对发电机整流后的输出电压，对故障特征进行分析，利用已建立的故障判据或故障辨识表就可检测出故障的部位，从而有利于工作人员及时处理故障。
3.2 电控发动机喷油驱动电路故障的波形分析
喷油驱动电路的电压波形可以通过汽车示波器测试获得。驱动电路的电控单元对喷油器的控制方式有很多种，但在进行波形分析监测故障时方法基本相同。目前，波形测试的设备种类繁多，检测方法各有优点，本文主要以汽车示波器金德K8为例，来具体说明波形分析的检测方法。 具体步骤为：1）关闭空调和所有附属电器设备，将换档操纵手柄置于停车挡或空挡。2）连接K8仪器，将监测专用笔接入通道1（示波器CH1端口），将小鳄鱼夹接蓄电池负极或搭铁，用测试探针刺入喷油器信号线。3）启动汽车发动机，选择仪器的燃油喷射方式，按[ ENTER] 键就可以从显示屏上观察到喷油信号。这时，改变发动机的转速，观察发动机在不同暖机状态以及热车时各种转速下的喷油波形信号。因为喷油器驱动电路的控制方式不尽相同，其标准波形也有所差异，本文主要对饱和开关型标准波形进行分析。饱和开关型标准波形如图2所示。
A段电压为开路电压，其值与喷油器的系统电压相等。当发动机正常运转时，A值>13.5 V。如果该值<13.5 V，喷油器电流不足，使喷油器电磁线圈达到磁饱和，导致针阀开启时间延长，性能变差。B段为电路三极管导通电压。该段电压波形理论上是垂直向下的。在这期间，喷油器线圈将达到电流饱和，驱动电路负载最大，如果出现故障B段将会扭曲变形。C段为加在喷油器线圈两端电压降。该段波形应保持平直，如果出现搭铁不良、短路或驱动电路损坏的故障，曲线就会出现畸形或向上翘曲，以此来检测故障。D段表示从喷油器通电针阀打开到喷油器断电针阀关闭时的整个喷油时间，一般为几毫秒至几十毫秒。E段峰值电压是由于电控单元断开驱动电路时，喷油器线圈中的电流突变引起的。弱峰值电压波形顶端成直角，说明驱动电路内稳压二极管被反向击穿，对峰值电压起了钳位作用；若不成直角，则说明峰值电压没有稳压二极管击穿，表明喷油器电磁线圈不良。驱动电路内没有设置稳压二极管，且喷油器性能良好，则峰值电压的电压峰值将达到60 V以上。F点是指喷油驱动电路的三极管断电截止，喷油器停止喷油，电压从峰值回落到开路电压的过程。如果在电压回落的曲线上出现了多个“驼峰”波形，则说明喷油器针阀或阀座已磨损变形。
图2 饱和开关型标准波形图
4 结论
通过示波器输出电力电子电路的电压或电流波形，对于发电机、发动机的故障诊断与检测具有十分重要的指导意义。希望通过本文对基于波形分析技术的电路故障检测研究，节省电路的故障排查检测时间，便于维修，提高电力电子装置的性能。
参考文献
[1]朱军.电子控制发动机电路波形分析[M].北京:机械工业出版社,2004.
[2]徐德鸿,马皓.电力电子装置故障自动诊断[J].北京:科学出版社,2001:6-53.
[3]鲁植雄.汽车电喷发动机波形分析图解[M].南京:江苏科学技术出版社,2001.
关键词 波形分析；电路故障；检测
中图分类号 TN707 文献标识码 A 文章编号 1673-9671-(2012)082-0114-02
随着电力电子技术的不断发展，电力电子装置以其可靠性、稳定性在汽车等领域得到了广泛应用。但是，如果电力电子电路设计不合理或使用不当，工作环境中的各种干扰因素、元器件老化或参数配合不当等都可能导致电路发生故障。电力电子电路故障通常表现为电力电子器件的损坏，特别是开路和短路故障最为常见。然而，器件的过载能力小，损坏速度快，故障发生前较难察觉。波形分析技术为电力电子电路的故障提供了一种新型检测方法，本文就基于波形分析技术的电力电子电路故障检测技术进行研究探讨。
1 电力电子电路故障检测概述
电力电子技术一门利用电力电子器件对电能进行控制和转换的新兴学科。利用电力半导体器件、应用电路、设计理论及分析开发工具，就能实现对电能的高效能变换和控制。
但是，电力电子设备故障种类十分复杂，发生故障的原因也非常多，故障信息往往仅存在于发生故障到停电之前的数十毫秒以内，因而，单单依靠人工查找或维修人员的经验去定位故障是非常困难的。这时，建立一种故障自动检测和诊断系统来对电路故障进行有效的诊断就十分有必要了。故障检测和诊断就是对电力电子电路进行实时监测，一旦发生故障，就将当时的状态信息记录下来，运用一定的故障检测方法，分析电路故障产生的原因并确定电路故障发生的部位，以便工作人员及时维修使电路故障，将损害降到最低。
电力电子电路故障诊断的意义在于：1）实现早期预报，防止事故发生；2）预知性维修，提高设备管理水平；3）方便检修，缩短了维修时间，提高设备利用率；4）对提高设备的设计制造水平，改善产品质量有指导意义。
2 波形分析技术
波形分析技术是一项对波形的数字处理和识别技术，这种波形通常是随时间变化的一维信号，即对电路的波谱曲线形态进行分析，通过提取表征曲线形态的参量，将参量的相似性作为波谱相似性的测度。
波形分析的主要方法有：1）傅立叶变换法。即将波谱分解为不同的谐并叠加，以各谐波的振幅和相位为参数，表征波谱特征；2）切比雪夫多项式法。即对多项式波谱曲线进行拟合，以项式系数和它们的比值来描述波谱特征；3）小波变换方法，将波谱分解为不同幅度、不同频率成分的子波，以子波的参数来描述波形特征；4）子波曲线的分维数。计算原始曲线或小波变换后的子波来描述波形特征。将实际测量的波谱和参考波谱的特征参数作比较，来分析其相似性。
利用波形分析技术，首先要对输入的连续波形进行采样和量化。根据乃奎斯特采样定理，为了将原始信号中的所有信息保留，采样频率应大于波形的最高频率的两倍。对傅立叶变换后的离散时间序列，可以利用低通滤波器、带通滤波器对序列进行信号处理。利用示波器观察波形，检测到的波形，进行波形分析，就可以得到各种用户所需要的数据。
3 基于波形分析技术的电力电子电路故障检测技术
3.1 车用交流发电机三相桥式整流电路故障的波形分析
发电机的工作原理，是按一定规律分布将三相定子绕组在发电机的定子槽中，绕组间相差120°电角度，且匝数相等。三相绕组的末端连在一起，呈星形连接。当绕组接通直流电时，周围产生了磁场，使发电机带动磁场旋转。根据电磁感应原理，磁场旋转使在三相绕组产生频率相等、幅值相同、相位差为120°的正弦电动势。表达式如下：
Uu1=Vmsinα （1）
Uw1=Vmsin(α+120°) （2）
Uv1=Vmsin(α+240°) （3）
其中，Uu1、Uw1、Uv1分别为三相交流电的瞬时电动势；Vm为最大电动势，α、α+120°、α+240°分别为三相交流电的初相角。根据正弦函数图像可画出如图1所示的三相交流电波形。
图1 三相交流电路
在α为30°～90°时，得出整流后电动势的函数解析式为：
Uw1=Vmsin(α+30°) （4）
由正弦函数图像可得到α为30°～90°时整流后电压波形，同理分别推导出：
α为90°～150°时，整流后电压的函数解析式为
VZ=Vm(α+30°)
α为150°～210°时，整流后电压的函数解析式为
VZ=-Vmcosα
α为210°～270°时，整流后电压的函数解析式为
VZ=-Vmsin(α+30°)
α为270°～330°时，整流后电压的函数解析式为
VZ=-Vmα
α为330°～360°时，整流后电压的函数解析式为
VZ=-Vmcosα
通过以上分析，就可以由三角函数的图像画出整流后的电压波形。因而，在电路出现故障时，可以整流电路的电压函数与正常运行系统对应的输出量进行比较，产生残差。当发电机正常运行，没有出现故障时，残差e为零；而当系统出现故障时，残差就会出现明显的跳跃现象。这时通过对发电机整流后的输出电压，对故障特征进行分析，利用已建立的故障判据或故障辨识表就可检测出故障的部位，从而有利于工作人员及时处理故障。
3.2 电控发动机喷油驱动电路故障的波形分析
喷油驱动电路的电压波形可以通过汽车示波器测试获得。驱动电路的电控单元对喷油器的控制方式有很多种，但在进行波形分析监测故障时方法基本相同。目前，波形测试的设备种类繁多，检测方法各有优点，本文主要以汽车示波器金德K8为例，来具体说明波形分析的检测方法。 具体步骤为：1）关闭空调和所有附属电器设备，将换档操纵手柄置于停车挡或空挡。2）连接K8仪器，将监测专用笔接入通道1（示波器CH1端口），将小鳄鱼夹接蓄电池负极或搭铁，用测试探针刺入喷油器信号线。3）启动汽车发动机，选择仪器的燃油喷射方式，按[ ENTER] 键就可以从显示屏上观察到喷油信号。这时，改变发动机的转速，观察发动机在不同暖机状态以及热车时各种转速下的喷油波形信号。因为喷油器驱动电路的控制方式不尽相同，其标准波形也有所差异，本文主要对饱和开关型标准波形进行分析。饱和开关型标准波形如图2所示。
A段电压为开路电压，其值与喷油器的系统电压相等。当发动机正常运转时，A值>13.5 V。如果该值<13.5 V，喷油器电流不足，使喷油器电磁线圈达到磁饱和，导致针阀开启时间延长，性能变差。B段为电路三极管导通电压。该段电压波形理论上是垂直向下的。在这期间，喷油器线圈将达到电流饱和，驱动电路负载最大，如果出现故障B段将会扭曲变形。C段为加在喷油器线圈两端电压降。该段波形应保持平直，如果出现搭铁不良、短路或驱动电路损坏的故障，曲线就会出现畸形或向上翘曲，以此来检测故障。D段表示从喷油器通电针阀打开到喷油器断电针阀关闭时的整个喷油时间，一般为几毫秒至几十毫秒。E段峰值电压是由于电控单元断开驱动电路时，喷油器线圈中的电流突变引起的。弱峰值电压波形顶端成直角，说明驱动电路内稳压二极管被反向击穿，对峰值电压起了钳位作用；若不成直角，则说明峰值电压没有稳压二极管击穿，表明喷油器电磁线圈不良。驱动电路内没有设置稳压二极管，且喷油器性能良好，则峰值电压的电压峰值将达到60 V以上。F点是指喷油驱动电路的三极管断电截止，喷油器停止喷油，电压从峰值回落到开路电压的过程。如果在电压回落的曲线上出现了多个“驼峰”波形，则说明喷油器针阀或阀座已磨损变形。
图2 饱和开关型标准波形图
4 结论
通过示波器输出电力电子电路的电压或电流波形，对于发电机、发动机的故障诊断与检测具有十分重要的指导意义。希望通过本文对基于波形分析技术的电路故障检测研究，节省电路的故障排查检测时间，便于维修，提高电力电子装置的性能。
参考文献
[1]朱军.电子控制发动机电路波形分析[M].北京:机械工业出版社,2004.
[2]徐德鸿,马皓.电力电子装置故障自动诊断[J].北京:科学出版社,2001:6-53.
[3]鲁植雄.汽车电喷发动机波形分析图解[M].南京:江苏科学技术出版社,2001.