基于電機(jī)振動信號的軌道交通牽引逆變器故障分析

孫哲明

摘 要 當(dāng)前我國的軌道交通行業(yè)正在朝著智能、高速的方向發(fā)展，軌道交通的安全運(yùn)行也是一項(xiàng)重點(diǎn)研究對象。牽引逆變器作為車輛電力牽引的關(guān)鍵部件，其能量的轉(zhuǎn)換將會對車輛運(yùn)行造成直接影響，所以牽引逆變器的故障診斷與運(yùn)行的安全性和穩(wěn)定性有著直接關(guān)聯(lián)。文章基于電機(jī)振動信號的角度來對于軌道交通牽引逆變器故障進(jìn)行分析。

關(guān)鍵詞 電機(jī)振動信號;故障;牽引逆變器;軌道交通

在軌道交通技術(shù)發(fā)展過程中，其結(jié)構(gòu)越來越復(fù)雜、精細(xì)，如何保障軌道交通車輛的安全運(yùn)行成為一項(xiàng)關(guān)注重點(diǎn)，這對于軌道交通車輛實(shí)施故障診斷的研究十分重要。

1三電平逆變器故障

逆變器在運(yùn)行過程中，如果出現(xiàn)無法繼續(xù)運(yùn)行的情況，逆變器的輸出信號將會發(fā)生改變，而變化明顯超出正常范圍，就意味著逆變器發(fā)生故障。其中功率開關(guān)器件IGBT是電路結(jié)構(gòu)中最容易發(fā)生故障的部分[1]。

牽引逆變器電路在工作中，功率開關(guān)器件IGBT常處于高頻、高壓狀態(tài)，損耗較大，發(fā)熱較多，十分容易發(fā)生故障，而短路、斷路是出現(xiàn)次數(shù)最多的故障類型。其中斷路故障還會表現(xiàn)為開路故障，短路發(fā)生時會產(chǎn)生過流保護(hù)，而開路故障時則沒有電流，因此對于該故障進(jìn)行檢測診斷存在一定困難。另一方面，開路故障將導(dǎo)致逆變器主電路橋臂無電壓輸出，從而降低交流側(cè)輸出電壓值，輸出電壓不穩(wěn)定還會導(dǎo)致負(fù)載工作發(fā)生異常。所以基于故障問題，可以選擇將故障模式設(shè)置為IGBT的斷路故障，從而使故障的檢測方向更加清晰明確。

在只考慮短路與斷路故障時，每個IGBT都可以產(chǎn)生兩種故障狀態(tài)。而三電平逆變器的每一個橋臂都是由四個IGBT組成，具有結(jié)構(gòu)對稱性特點(diǎn)，同時同一逆變器上多個IGBT同時發(fā)生故障的可能性非常小，因此我們在研究故障時可將其簡化，只需考慮同一逆變器上的一個、兩個功率開關(guān)器件故障即可[2]。

2傳動系統(tǒng)中牽引逆變器故障的仿真分析

鑒于逆變器工作時并不能實(shí)際觀測，所以對故障狀態(tài)實(shí)施仿真尤為關(guān)鍵。通過研究牽引逆變器故障仿真，可以得到故障發(fā)生時的特征信號，輸出的電壓與電流信號均會存在異常情況。

基于軌道交通傳動系統(tǒng)的牽引逆變器電路結(jié)構(gòu)、工作原理等，利用Simulink來建模，并與牽引逆變器的故障相結(jié)合進(jìn)行不同故障模型的搭建。同時，在進(jìn)行仿真分析的過程中，通過對各種故障模式開展分析，然后選擇具有代表性的模式，將其簡化后保障信息的可靠性和真實(shí)性。而在進(jìn)行故障分析的過程中，其電路結(jié)構(gòu)、仿真算法、仿真時間、采樣頻率等均具有緊密關(guān)聯(lián)。

牽引逆變器故障主要由于IGBT故障導(dǎo)致，因此在實(shí)際運(yùn)行中未得到內(nèi)部信息的情況下，可對逆變器輸出端的電流、電壓進(jìn)行檢測，同時對逆變器內(nèi)部結(jié)構(gòu)的故障進(jìn)行診斷，將牽引電機(jī)簡化為電阻電感電路。根據(jù)牽引逆變器的電路模型，可以將逆變器電路故障形式對其進(jìn)行故障仿真分析。例如，一個IGBT發(fā)生或是故障，如下圖一所示為其交流側(cè)電流仿真，基于IGBT故障導(dǎo)致的牽引逆變器故障，那么交流側(cè)輸出電壓與電流的信號波形將會出現(xiàn)變化。從圖中（a）可以看到電流波形存在失真，并且不是標(biāo)準(zhǔn)的正弦波，而利用FFT模塊能夠?qū)﹄娏鞣抡娌ㄐ螌?shí)現(xiàn)快速傅里葉變換，基于仿真圖分析，在這一階段中，IGBT出現(xiàn)故障時，電流THD為23.15%、9.73%、10.07%。而圖中（b）基于故障時逆變系統(tǒng)的仿真結(jié)果，逆變器交流側(cè)輸出電壓與電流信號發(fā)生的變化相對較大，電流波形存在著非常嚴(yán)重的失真情況。基于FFT分析，電流THD依次為54.36%、15.95%以及17.3%。

3電機(jī)振動信號與軌道交通傳動系統(tǒng)牽引逆變器故障

在搭載交流異步電機(jī)時，牽引逆變器給電機(jī)輸入電流中的諧波成分會隨之進(jìn)入電機(jī)中，并對電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)產(chǎn)生影響。輸入電流中由于具有各次諧波信號，所以會通過電磁作用產(chǎn)生電磁力或電磁轉(zhuǎn)矩。電機(jī)的勵磁電源輸出的電流中含有多種諧波，通過電磁作用將會生成不同的電磁力，而這些諧波電磁力都能通過諧波等效電路計算得到。在進(jìn)行計算的過程中，主要考慮5、7、11、13次諧波這類影響較大的諧波電磁轉(zhuǎn)矩。在電磁作用下，各次波電流產(chǎn)生的磁場轉(zhuǎn)速和方向均是不固定的，而基波產(chǎn)生的磁場為固定的。經(jīng)過分析研究諧波與基波電流磁場間作用轉(zhuǎn)矩關(guān)系，能夠得出基波磁場與電流中的轉(zhuǎn)矩頻率，而這些轉(zhuǎn)矩會導(dǎo)致電機(jī)異常振動。

牽引逆變器在工作情況下，無法實(shí)現(xiàn)故障的實(shí)時監(jiān)測，只能通過監(jiān)測輸出特征信號來進(jìn)行診斷。而牽動電機(jī)的振動信號可以對特征信號直接監(jiān)測，所以將其與逆變器結(jié)合，基于牽引電機(jī)的實(shí)時振動信號，可以對逆變器的故障實(shí)現(xiàn)診斷[3]。

4結(jié)束語

綜上所述，通過檢測牽引電機(jī)振動信號來診斷牽引逆變器是否故障是一個簡單、有效的方式，可以更大程度的保障逆變器的正常穩(wěn)定運(yùn)行。

參考文獻(xiàn)

[1] 施以旋.基于電機(jī)振動信號分析的牽引逆變器故障診斷研究[D].成都：西南交通大學(xué)，2017.

[2] 曹琳，葉娜，李萍，等.半實(shí)物仿真技術(shù)在軌道交通用IGBT壽命預(yù)測中的應(yīng)用[J].機(jī)車電傳動，2019（5）：59-62.

[3] 吳浩，王泉，王睿軼，等.城市軌道交通車輛系統(tǒng)牽引逆變器專用測試平臺研究[J].城市軌道交通研究，2017，20（12）：83-86.