基于電機(jī)振動(dòng)信號(hào)的軌道交通牽引逆變器故障分析

孫哲明

摘 要 當(dāng)前我國(guó)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(duì)象。牽引逆變器作為車(chē)輛電力牽引的關(guān)鍵部件，其能量的轉(zhuǎn)換將會(huì)對(duì)車(chē)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(dòng)信號(hào)的角度來(lái)對(duì)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(dòng)信號(hào);故障;牽引逆變器;軌道交通

在軌道交通技術(shù)發(fā)展過(guò)程中，其結(jié)構(gòu)越來(lái)越復(fù)雜、精細(xì)，如何保障軌道交通車(chē)輛的安全運(yùn)行成為一項(xiàng)關(guān)注重點(diǎn)，這對(duì)于軌道交通車(chē)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(guò)程中，如果出現(xiàn)無(wú)法繼續(xù)運(yùn)行的情況，逆變器的輸出信號(hào)將會(huì)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(kāi)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(kāi)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(lèi)型。其中斷路故障還會(huì)表現(xiàn)為開(kāi)路故障，短路發(fā)生時(shí)會(huì)產(chǎn)生過(guò)流保護(hù)，而開(kāi)路故障時(shí)則沒(méi)有電流，因此對(duì)于該故障進(jìn)行檢測(cè)診斷存在一定困難。另一方面，開(kāi)路故障將導(dǎo)致逆變器主電路橋臂無(wú)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(huì)導(dǎo)致負(fù)載工作發(fā)生異常。所以基于故障問(wèn)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(cè)方向更加清晰明確。

在只考慮短路與斷路故障時(shí)，每個(gè)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(gè)橋臂都是由四個(gè)IGBT組成，具有結(jié)構(gòu)對(duì)稱(chēng)性特點(diǎn)，同時(shí)同一逆變器上多個(gè)IGBT同時(shí)發(fā)生故障的可能性非常小，因此我們?cè)谘芯抗收蠒r(shí)可將其簡(jiǎn)化，只需考慮同一逆變器上的一個(gè)、兩個(gè)功率開(kāi)關(guān)器件故障即可[2]。

2傳動(dòng)系統(tǒng)中牽引逆變器故障的仿真分析

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

基于軌道交通傳動(dòng)系統(tǒng)的牽引逆變器電路結(jié)構(gòu)、工作原理等，利用Simulink來(lái)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(shí)，在進(jìn)行仿真分析的過(guò)程中，通過(guò)對(duì)各種故障模式開(kāi)展分析，然后選擇具有代表性的模式，將其簡(jiǎn)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(guò)程中，其電路結(jié)構(gòu)、仿真算法、仿真時(shí)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(duì)逆變器輸出端的電流、電壓進(jìn)行檢測(cè)，同時(shí)對(duì)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(jiǎn)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(duì)其進(jìn)行故障仿真分析。例如，一個(gè)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(hào)波形將會(huì)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(shí)，電流THD為23.15%、9.73%、10.07%。而圖中（b）基于故障時(shí)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(hào)發(fā)生的變化相對(duì)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(dòng)信號(hào)與軌道交通傳動(dòng)系統(tǒng)牽引逆變器故障

在搭載交流異步電機(jī)時(shí)，牽引逆變器給電機(jī)輸入電流中的諧波成分會(huì)隨之進(jìn)入電機(jī)中，并對(duì)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(hào)，所以會(huì)通過(guò)電磁作用產(chǎn)生電磁力或電磁轉(zhuǎn)矩。電機(jī)的勵(lì)磁電源輸出的電流中含有多種諧波，通過(guò)電磁作用將會(huì)生成不同的電磁力，而這些諧波電磁力都能通過(guò)諧波等效電路計(jì)算得到。在進(jìn)行計(jì)算的過(guò)程中，主要考慮5、7、11、13次諧波這類(lèi)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(chǎng)轉(zhuǎn)速和方向均是不固定的，而基波產(chǎn)生的磁場(chǎng)為固定的。經(jīng)過(guò)分析研究諧波與基波電流磁場(chǎng)間作用轉(zhuǎn)矩關(guān)系，能夠得出基波磁場(chǎng)與電流中的轉(zhuǎn)矩頻率，而這些轉(zhuǎn)矩會(huì)導(dǎo)致電機(jī)異常振動(dòng)。

牽引逆變器在工作情況下，無(wú)法實(shí)現(xiàn)故障的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，只能通過(guò)監(jiān)測(cè)輸出特征信號(hào)來(lái)進(jìn)行診斷。而牽動(dòng)電機(jī)的振動(dòng)信號(hào)可以對(duì)特征信號(hào)直接監(jiān)測(cè)，所以將其與逆變器結(jié)合，基于牽引電機(jī)的實(shí)時(shí)振動(dòng)信號(hào)，可以對(duì)逆變器的故障實(shí)現(xiàn)診斷[3]。

4結(jié)束語(yǔ)

綜上所述，通過(guò)檢測(cè)牽引電機(jī)振動(dòng)信號(hào)來(lái)診斷牽引逆變器是否故障是一個(gè)簡(jiǎn)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(dòng)信號(hào)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(cè)中的應(yīng)用[J].機(jī)車(chē)電傳動(dòng)，2019（5）：59-62.

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