基于電機振動信號的軌道交通牽引逆變器故障分析

孫哲明

摘 要 當前我國的軌道交通行業正在朝著智能、高速的方向發展，軌道交通的安全運行也是一項重點研究對象。牽引逆變器作為車輛電力牽引的關鍵部件，其能量的轉換將會對車輛運行造成直接影響，所以牽引逆變器的故障診斷與運行的安全性和穩定性有著直接關聯。文章基于電機振動信號的角度來對于軌道交通牽引逆變器故障進行分析。

關鍵詞 電機振動信號;故障;牽引逆變器;軌道交通

在軌道交通技術發展過程中，其結構越來越復雜、精細，如何保障軌道交通車輛的安全運行成為一項關注重點，這對于軌道交通車輛實施故障診斷的研究十分重要。

1三電平逆變器故障

逆變器在運行過程中，如果出現無法繼續運行的情況，逆變器的輸出信號將會發生改變，而變化明顯超出正常范圍，就意味著逆變器發生故障。其中功率開關器件IGBT是電路結構中最容易發生故障的部分[1]。

牽引逆變器電路在工作中，功率開關器件IGBT常處于高頻、高壓狀態，損耗較大，發熱較多，十分容易發生故障，而短路、斷路是出現次數最多的故障類型。其中斷路故障還會表現為開路故障，短路發生時會產生過流保護，而開路故障時則沒有電流，因此對于該故障進行檢測診斷存在一定困難。另一方面，開路故障將導致逆變器主電路橋臂無電壓輸出，從而降低交流側輸出電壓值，輸出電壓不穩定還會導致負載工作發生異常。所以基于故障問題，可以選擇將故障模式設置為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都可以產生兩種故障狀態。而三電平逆變器的每一個橋臂都是由四個IGBT組成，具有結構對稱性特點，同時同一逆變器上多個IGBT同時發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、兩個功率開關器件故障即可[2]。

2傳動系統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際觀測，所以對故障狀態實施仿真尤為關鍵。通過研究牽引逆變器故障仿真，可以得到故障發生時的特征信號，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的牽引逆變器電路結構、工作原理等，利用Simulink來建模，并與牽引逆變器的故障相結合進行不同故障模型的搭建。同時，在進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性。而在進行故障分析的過程中，其電路結構、仿真算法、仿真時間、采樣頻率等均具有緊密關聯。

牽引逆變器故障主要由于IGBT故障導致，因此在實際運行中未得到內部信息的情況下，可對逆變器輸出端的電流、電壓進行檢測，同時對逆變器內部結構的故障進行診斷，將牽引電機簡化為電阻電感電路。根據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行故障仿真分析。例如，一個IGBT發生或是故障，如下圖一所示為其交流側電流仿真，基于IGBT故障導致的牽引逆變器故障，那么交流側輸出電壓與電流的信號波形將會出現變化。從圖中（a）可以看到電流波形存在失真，并且不是標準的正弦波，而利用FFT模塊能夠對電流仿真波形實現快速傅里葉變換，基于仿真圖分析，在這一階段中，IGBT出現故障時，電流THD為23.15%、9.73%、10.07%。而圖中（b）基于故障時逆變系統的仿真結果，逆變器交流側輸出電壓與電流信號發生的變化相對較大，電流波形存在著非常嚴重的失真情況。基于FFT分析，電流THD依次為54.36%、15.95%以及17.3%。

3電機振動信號與軌道交通傳動系統牽引逆變器故障

在搭載交流異步電機時，牽引逆變器給電機輸入電流中的諧波成分會隨之進入電機中，并對電機運轉產生影響。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生電磁力或電磁轉矩。電機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矩。在電磁作用下，各次波電流產生的磁場轉速和方向均是不固定的，而基波產生的磁場為固定的。經過分析研究諧波與基波電流磁場間作用轉矩關系，能夠得出基波磁場與電流中的轉矩頻率，而這些轉矩會導致電機異常振動。

牽引逆變器在工作情況下，無法實現故障的實時監測，只能通過監測輸出特征信號來進行診斷。而牽動電機的振動信號可以對特征信號直接監測，所以將其與逆變器結合，基于牽引電機的實時振動信號，可以對逆變器的故障實現診斷[3]。

4結束語

綜上所述，通過檢測牽引電機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定運行。

參考文獻

[1] 施以旋.基于電機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，2017.

[2] 曹琳，葉娜，李萍，等.半實物仿真技術在軌道交通用IGBT壽命預測中的應用[J].機車電傳動，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.